膨脹土干濕循環(huán)對(duì)膨脹力和抗剪強(qiáng)度的影響

孟偉超

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

我國地域廣闊，膨脹土在西南、華南、華中、東北等地區(qū)廣泛分布，其脹縮變形特性和強(qiáng)度變化規(guī)律差別較大[1]。鐵路路基設(shè)計(jì)中，膨脹土不可直接用于時(shí)速200 km及以上鐵路，如需使用，則應(yīng)先進(jìn)行改良處理[2]。根據(jù)全國不同地域多條運(yùn)營高鐵病害治理經(jīng)驗(yàn)，膨脹土填料或摻雜相關(guān)膨脹組分的填料在使直接用過程中，對(duì)路基變形具有顯著影響[3]。

以下論述一種非典型膨脹土，其各膨脹性指標(biāo)差異較大，自由膨脹率較低，但蒙脫石含量和陽離子交換量指標(biāo)較高。對(duì)沿線既有公路和民用建筑調(diào)查中，此類膨脹土均有不同程度的利用情況。因此，有針對(duì)性地對(duì)此類膨脹土性狀進(jìn)行分析研究，因地制宜地研究其工程適用性具有較大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 土體的基本性質(zhì)

試驗(yàn)用土選自東北地區(qū)某鐵路路塹挖方，鐵路等級(jí)為時(shí)速200 km的客貨共線鐵路。取土點(diǎn)位于沖洪積平原，地形平緩，起伏較小，地表大部分為耕地，地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土，局部有黏土、中砂、粗砂、細(xì)圓礫土等薄夾層或透鏡體，土層厚32.7～37.7 m，下伏白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。地勘揭示，表層粉質(zhì)黏土具有弱-中等膨脹性，擬通過研究其膨脹力及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化情況，評(píng)價(jià)該類膨脹土作為基床以下路堤填料的可行性[4-5]。

2.1 基本物性指標(biāo)

(1)顆粒密度試驗(yàn)

采用密度計(jì)法，試驗(yàn)結(jié)果見表1。該膨脹土為細(xì)粒土，粉粒含量為64.3%，黏粒含量為34.6%。

表1 膨脹土各粒組含量

(2)比重試驗(yàn)

采用比重瓶法，所用膨脹土樣的比重GS=2.66 g/cm3。

(3)液塑限試驗(yàn)

使用液塑限聯(lián)合測定儀，測得液限WL10=33.5%，塑限WS=20.5%，塑性指數(shù)IP=13，判定為低液限粉質(zhì)黏土[6]。

(4)重型擊實(shí)試驗(yàn)

采用干法和濕法兩種方式。由圖1可以看出，干法和濕法重型擊實(shí)所得的最大干密度和最優(yōu)含水率基本相同。試驗(yàn)測得最大干密度為1.83 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.3%。

圖1 膨脹土干法、濕法重型擊實(shí)曲線

2.2 膨脹性相關(guān)試驗(yàn)

本次主要進(jìn)行土體的自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量等典型膨脹土判別實(shí)驗(yàn)。參考現(xiàn)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]和《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[8]，試驗(yàn)所用土樣的膨脹潛勢(shì)為弱。以下為具體測試結(jié)果。

(1)自由膨脹率

是體現(xiàn)土體膨脹性的最主要指標(biāo)，本次測得試驗(yàn)值為30.0%～48.0%、平均值為38.7%。

(2)蒙脫石含量

試驗(yàn)測得試驗(yàn)土樣的蒙脫石含量為15.7%～24.0%，平均值為19.9%。

(3)陽離子交換量

試驗(yàn)測得試樣指標(biāo)范圍為197.1～246.8 mmol/kg，平均值為218.0 mmol/kg。

試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹土試樣平均自由膨脹率小于40%，未達(dá)膨脹性范疇，另外兩項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到弱膨脹性范疇，屬于一種非典型性膨脹土。

3 干濕循環(huán)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬膨脹土在上覆土體的自重應(yīng)力作用下的脹縮變形和強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，在不同上覆壓力作用下對(duì)膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)[9]。土樣直徑為61.8 mm、高20 mm，試樣為重塑試樣，試樣壓實(shí)度為90%(干密度為1.65 g/cm3)，制樣采用最優(yōu)含水率(15.3%)。綜合分析原狀土含水率測試數(shù)據(jù)，原狀試樣的天然含水率多為20%～28%，飽和度為80%～96%。路堤使用15.3%含水率的重塑土填筑，經(jīng)過壓實(shí)和一定的防護(hù)后，其“天然”含水率狀態(tài)雖會(huì)增加，但一般不會(huì)達(dá)到飽和含水率狀態(tài)，故選取18.0%、21.0%兩個(gè)含水率進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。

具體試驗(yàn)荷載和干濕循環(huán)情況如下。

(1)含水率由15.3%到飽和條件下，進(jìn)行上覆壓力為0 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干濕循環(huán)試驗(yàn)。

(2)含水率由15.3%到21.0%條件下，進(jìn)行上覆壓力為0 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干濕循環(huán)試驗(yàn)。

(3)含水率由15.3%到18.0%條件下，進(jìn)行上覆壓力為0 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干濕循環(huán)試驗(yàn)。

對(duì)試樣進(jìn)行6次干濕循環(huán)后，采用不固結(jié)快剪進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測試。

3.2 試樣干濕循環(huán)后狀態(tài)

試樣浸水飽和后，土體的膨脹潛勢(shì)完全發(fā)揮，對(duì)土體的結(jié)構(gòu)破壞作用也最為明顯[10]。圖2～圖9展示含水率從15.3%到飽和條件下，不同上覆壓力下試樣在首次和第六次干濕循環(huán)后的土樣狀態(tài)。

圖2 0 kPa下第一次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖3 0 kPa第六次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖4 50 kPa下第一次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖5 50 kPa下第六次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖6 75 kPa下第一次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖7 75 kPa下第六次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖8 100 kPa下第一次飽和(左)和風(fēng)干(右)

圖9 100 kPa下第六次飽和(左)和風(fēng)干(右)

對(duì)比在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下失水收縮后膨脹土試樣表面裂隙，發(fā)現(xiàn)作用在膨脹土試樣上的上覆壓力越大，裂縫越窄，裂縫數(shù)量越少。另一方面，隨著試樣干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣土體裂隙的發(fā)展情況也逐漸趨于穩(wěn)定，試樣的脹縮變形也逐漸減小，說明通過上覆荷載施壓和前期干濕循環(huán)，均可在一定程度上抑制或減弱其膨脹性。

3.3 膨脹力測試

在0 kPa壓力下，試樣的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，試樣的膨脹力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，但其減幅逐漸變小，最終經(jīng)過6次試樣干濕循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定；干濕循環(huán)幅度不同時(shí)，對(duì)比同樣經(jīng)過6次干濕循環(huán)后的試樣，膨脹力隨干濕循環(huán)過程中含水率變化幅度增加而降幅增大。說明膨脹土的膨脹潛勢(shì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，且含水率變化幅度越大，膨脹潛勢(shì)的降低也更加明顯。

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果 kPa

不同上覆壓力作用下，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，膨脹力隨著干濕循環(huán)過程中含水率變化幅度的增加而減小，說明相同的上覆壓力作用下，含水率變化幅度越大，試樣的結(jié)構(gòu)破壞越徹底，膨脹潛勢(shì)也就越小。相同的含水率變化幅度下，干濕循環(huán)過程中作用在試樣上的上覆壓力越大，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后的膨脹力也就越大；說明干濕循環(huán)過程中作用在試樣上的上覆壓力對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)破壞具有抑制作用。

表3 不同上覆壓力的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果 kPa

3.4 抗剪強(qiáng)度測試

在第6次風(fēng)干后，將試樣在上覆壓力作用下浸水飽和且膨脹變形穩(wěn)定后，施加垂直壓力進(jìn)行快剪試驗(yàn)(以上覆壓力為75 kPa為例，快剪試驗(yàn)時(shí)，4個(gè)試樣的垂直壓力分別為75 kPa、100 kPa、125 kPa和150 kPa)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可以看出，黏聚力和內(nèi)摩擦角基本不隨上覆壓力發(fā)生變化。

表4 飽和快剪試驗(yàn)結(jié)果

50 kPa、75 kPa和100 kPa上覆壓力作用下，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，飽和快剪試驗(yàn)的τf～σ關(guān)系見圖10～圖12。可以看出，上覆壓力、干濕循環(huán)次數(shù)相同及剪切面上的垂直壓力相同時(shí)，干濕循環(huán)幅度越低，試樣的抗剪強(qiáng)度越大，但差別不明顯，說明膨脹土在經(jīng)歷一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，其結(jié)構(gòu)被破壞并趨于穩(wěn)定，此時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度受其干濕循環(huán)過程中的含水率變化幅度和上覆壓力影響不大。

圖10 50 kPa上覆壓力下經(jīng)6次干濕循環(huán)后飽和快剪τf～σ關(guān)系

圖11 75 kPa上覆壓力下經(jīng)6次干濕循環(huán)后飽和快剪τf～σ關(guān)系

圖12 100 kPa上覆壓力下經(jīng)6次干濕循環(huán)后飽和快剪τf～σ關(guān)系

4 路堤模型計(jì)算分析

路堤高度>8 m時(shí)，上部0～8 m按照1∶1.5坡率設(shè)計(jì)，>8 m部分按照1∶1.75的坡率設(shè)計(jì)，8 m處設(shè)2.0 m寬護(hù)道平臺(tái)。路堤邊坡穩(wěn)定性模型的計(jì)算條件如下：①土條及接觸情況采用瑞典條分法；②地震烈度按照6度設(shè)防；③路基面施加列車荷載和軌道自重荷載，合計(jì)54 kPa，分布寬度為3.3 m。加載時(shí)，左線中心距左路肩4.2 m、線間距為4.4 m(見圖13)[11-13]。

圖13 路堤穩(wěn)定檢算模型示意

填料強(qiáng)度指標(biāo)的選取時(shí)，應(yīng)考慮到大氣影響深度范圍外的路堤填料不受干濕循環(huán)影響，若滑動(dòng)圓弧發(fā)生在該部位，則應(yīng)該使用正常指標(biāo)。建立計(jì)算模型時(shí)，可將路堤坡面向內(nèi)垂直移動(dòng)4 m，得到一個(gè)梯形核心區(qū)未受干濕循環(huán)影響的土層，該核心區(qū)土體參數(shù)取常規(guī)快剪強(qiáng)度指標(biāo)(c=17.7 kPa、φ=21.3°)；除此之外的膨脹土填料采用經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后的快剪強(qiáng)度指標(biāo)(c=10.9 kPa、φ=21.1°)，膨脹土填料重度均為19 kN/m3；1.9 m厚基床底層強(qiáng)度指標(biāo)取c=5.0 kPa、φ=35.0°，重度為21 kN/m3；0.6 m厚基床表層強(qiáng)度指標(biāo)取c=5.0 kPa、φ=40.0°，重度為22 kN/m3，具體模型參數(shù)見圖14[14]。

圖14 路堤穩(wěn)定檢算參數(shù)示意

經(jīng)路堤穩(wěn)定檢算，當(dāng)路堤邊坡高度≤8 m時(shí)，路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)>1.25，根據(jù)現(xiàn)行《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》判斷，滿足相關(guān)要求[15]；路基的邊坡高度>8 m時(shí)，其穩(wěn)定性不滿足要求，可采取放緩坡率，或者在外側(cè)加設(shè)護(hù)道等措施。

需要說明的是，未進(jìn)行坡面防護(hù)狀態(tài)下，實(shí)測路堤的大氣影響深度為4 m，劇烈影響深度在2 m以內(nèi)。即使大氣影響深度范圍內(nèi)土體受到干濕循環(huán)影響，也并非全部都經(jīng)歷過完全的干濕循環(huán)[16-17]。路堤施工完成后，頂部覆蓋2.5 m厚的基床，邊坡部位有坡面防護(hù)，路堤本體受大氣影響的程度還會(huì)有所降低。實(shí)測資料也表明，基床填筑后，路堤幾乎全部表現(xiàn)為壓縮變形。因此，以上路堤邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果偏于保守[18]。

從工程經(jīng)濟(jì)性的角度分析，對(duì)于自由膨脹率小于40%的非典型性膨脹土，若用于時(shí)速200 km以下鐵路，可以極大提高挖方利用率。按照棄土平均運(yùn)距8 km，取土平均運(yùn)距20 km，利用方運(yùn)距5 km計(jì)算，可以節(jié)約運(yùn)費(fèi)18.4元/m3，購?fù)临M(fèi)按照15元/m3計(jì)，則可節(jié)約土石方費(fèi)用約33元/m3，工程經(jīng)濟(jì)性十分顯著。

5 結(jié)論

(1)由干濕循環(huán)試驗(yàn)下膨脹土干濕循環(huán)過程中的裂隙發(fā)育、脹縮變形情況可知，膨脹土試樣在干濕循環(huán)過程中發(fā)生膨脹變形，且該部分變形有一定的不可逆性；作用在膨脹土上的壓力越大，發(fā)生的裂縫越窄，裂縫數(shù)量也越少；干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定，試樣的脹縮變形也逐漸減小，說明上覆荷載施壓和前期干濕循環(huán)均可在一定程度上減弱其膨脹性。

(2)干濕循環(huán)過程中，試樣的內(nèi)摩擦角變幅較小；黏聚力在初次干濕循環(huán)條件下降低32%～35%，但在其后的干濕循環(huán)過程中基本保持不變；干濕循環(huán)的幅度降低，試樣的剪切強(qiáng)度會(huì)有所升高(主要是黏聚力升高)，但差別不明顯；干濕循環(huán)幅度越小，試樣膨脹潛勢(shì)越明顯。

(3)地震烈度6度區(qū)，路基填高>8 m需采取放緩邊坡坡率，或在外側(cè)增加路堤平臺(tái)護(hù)道等措施；應(yīng)避免在高地震烈度區(qū)和填高10 m以上的路堤使用膨脹土填料。