降雨入滲條件下客土覆蓋膨脹土變形計(jì)算研究

馬艷秋

南寧軌道交通建設(shè)有限公司 廣西 南寧 530000

膨脹土是富含親水性礦物的特殊土，呈現(xiàn)出吸水顯著膨脹軟化、失水迅速收縮開裂等特征[1]，大量工程實(shí)踐表明，由于膨脹土的膨脹變形或差異變形過大，上部構(gòu)筑物易發(fā)生變形破壞[2]。封閉包蓋法是一種常用的處理膨脹土路基方法，已具有較多成功應(yīng)用案例[3-5]。該方法采用非膨脹土或加筋膨脹土將填芯膨脹土四周封閉，阻隔外界干濕循環(huán)對(duì)堤芯填土的作用，控制膨脹土的濕度變化范圍，進(jìn)而保持其強(qiáng)度且不產(chǎn)生過大變形。

許多學(xué)者針對(duì)包蓋法的包邊厚度和處理效果進(jìn)行了研究，楊和平等[6]通過研究采用包蓋法處理的路堤內(nèi)膨脹土含水量、位移等實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了包蓋法包邊厚度的確定方法。賀迎喜[7]基于膨脹土的物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)采用包蓋法處理的路堤進(jìn)行長期觀測，分析路堤位移和變形特征，認(rèn)為包蓋法可有效減小路堤的膨脹變形。文獻(xiàn)[8]規(guī)定采用非裂土包蓋裂土(膨脹土)填筑路堤時(shí)，包邊的垂直厚度應(yīng)不小于1m。包蓋法是利用非膨脹性覆蓋土的隔濕作用，這種隔絕作用與蓋土的性質(zhì)、厚度以及降雨強(qiáng)度等有關(guān)。本文結(jié)合改進(jìn)的Green-Ampt入滲模型和膨脹土變形經(jīng)驗(yàn)公式，建立了客土覆蓋條件下膨脹土變形的計(jì)算方法，研究了積水厚度、客土覆蓋厚度、入滲時(shí)間對(duì)膨脹土變形的影響，并將計(jì)算方法在實(shí)際工程進(jìn)行了應(yīng)用。

1 計(jì)算模型建立

1.1 降雨入滲模型

Green-Ampt入滲模型[9]是W.H Green和G.A.Ampt根據(jù)毛管理論提出了近似的積水入滲模型。該模型假設(shè)入滲過程中濕潤鋒面始終為一個(gè)干濕截然分開的界面，濕潤峰內(nèi)土體處于飽和狀態(tài)，濕潤鋒前土體保持初始含水量，沒有考慮干濕過度區(qū)的作用。文獻(xiàn)[10]根據(jù)實(shí)測資料和積水入滲的土壤水分剖面變化特征，假定濕潤區(qū)的范圍近似等于實(shí)際濕潤鋒深度L的一半。修正后的入滲模型如下式所示：

1.2 土體吸力

上述入滲模型還需土體吸力參數(shù)，土體吸力可通過現(xiàn)場或室內(nèi)壓力板試驗(yàn)測得。在缺少試驗(yàn)條件時(shí)，可利用已有的土-水特征曲線（SWCC）中獲得。土-水特征曲線主要是描述土體的含水率（飽和度）與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，它能夠反映出不同基質(zhì)吸力下土體的持水特性和水穩(wěn)能力。不同類型土的土-水特征曲線擬合或預(yù)測模型較多，文獻(xiàn)[11]取現(xiàn)場土體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)于VG土-水特征曲線模型進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。本文將此模型應(yīng)用于覆蓋土吸力計(jì)算中，如式（2）所示。

式中：a、m、n均為擬合參數(shù)；為殘余體積含水率。對(duì)于膨脹土吸力，文獻(xiàn)[12]通過室內(nèi)和野外吸力量測，對(duì)土-水特征曲線進(jìn)行擬合和比較，建立了冪函數(shù)模型，如式（3）所示：

式中：A、β均為擬合參數(shù)。

1.3 膨脹變形計(jì)算方法

膨脹土吸水變形與土體的初始干密度、初始含水率和所受壓力等有關(guān)，文獻(xiàn)通過[13]膨脹變形試驗(yàn)，建立了南寧膨脹土膨脹率的三元回歸方程,并通過某大型模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方程的正確性與實(shí)用性。本文應(yīng)用此方程計(jì)算膨脹土的膨脹變形，如式（4）所示，此處計(jì)算的是膨脹土最終膨脹變形，積水入滲停止后，膨脹變形仍然持續(xù)。

1.4 計(jì)算步驟

本文計(jì)算采用包蓋法處理的膨脹土路基變形時(shí)，不考慮非膨脹性的覆蓋土的吸水變形。計(jì)算步驟如下：①利用式（2）和式（3）分別計(jì)算覆蓋土和膨脹土在天然含水率下的土體吸力；②對(duì)式（1）進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算在指定入滲時(shí)間濕潤峰的深度，積分時(shí)不同土體采用不同土體參數(shù)；③濕潤峰深度范圍內(nèi)的膨脹土利用式（4）計(jì)算獲得土體的膨脹變形量。

2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算所需土體參數(shù)和擬合參數(shù)如表1所示，計(jì)算簡圖如圖1所示，下文將分別從積水深度（降雨強(qiáng)度）、包蓋厚度及入滲時(shí)長對(duì)膨脹土體變形的影響。

圖1 計(jì)算簡圖

表1 土體參數(shù)表

2.1 積水深度（降雨強(qiáng)度）

為了研究積水深度與膨脹變形的關(guān)系，設(shè)置覆蓋土厚度為1m，入滲時(shí)間為7d，積水深度的變化范圍為0～0.2m。隨著積水深度的增加，膨脹變形不斷增加，且呈顯著的線性關(guān)系（如圖2所示）。積水深度為0時(shí)（無積水），仍存在明顯的膨脹變形，非飽和土吸力引起降雨入滲引起膨脹變形量較大，因此膨脹土路基處理需以控水防滲措施為主。

圖2 積水深度與膨脹土變形關(guān)系圖

2.2 覆蓋土厚度

為了研究覆蓋土厚度與膨脹土變形之間的關(guān)系，設(shè)置積水深度為0.02m，入滲時(shí)間為7d，覆蓋土厚度變化范圍為0～3m。隨著覆蓋土的厚度增加，膨脹變形量逐漸減小，且減小趨勢逐漸降低，當(dāng)覆蓋土厚度達(dá)到3m時(shí)，膨脹土變形量接近于0（如圖3所示）。覆蓋土的控水防滲作用可以有效減小膨脹土的膨脹變形，但覆蓋土的設(shè)置厚度與其自身的滲透性、含水量、土體吸力等有關(guān)，需根據(jù)不同的土體參數(shù)計(jì)算合適覆蓋土厚度。

圖3 覆蓋土厚度與膨脹變形關(guān)系圖

2.3 入滲時(shí)長

為了研究入滲時(shí)間與膨脹土變形之間的關(guān)系，設(shè)置覆蓋土厚度為1m，積水深度為0.02m，入滲時(shí)間變化范圍為0～40d。膨脹變形隨入滲時(shí)間的增加不斷增加，且入滲開始時(shí)膨脹變形增加較大，隨著時(shí)間增加，變形增加趨勢逐漸放緩（如圖4所示）。降雨入滲初期是膨脹變形增加最快的時(shí)期，對(duì)于有變形控制的膨脹路堤和邊坡等工程，需加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)防措施。

圖4 入滲時(shí)間與膨脹變形關(guān)系圖

3 工程應(yīng)用

某發(fā)電廠項(xiàng)擬建于寧明縣縣城西部工業(yè)園區(qū)內(nèi)，擬選場地面積約180畝，主要位于丘包上，場地中部發(fā)育一條近東西走向的丘脊，由此丘脊走向?qū)?yīng)的由西至東地勢較高，北側(cè)及南側(cè)丘溝地段地勢相對(duì)較低。場地范圍地面高程140m～169m，最大相對(duì)高差28m，坡度2°～15°，總體地形較平緩。以東西向丘脊為界，廠區(qū)北側(cè)初步按149～154m標(biāo)高平整，南側(cè)按156～160m標(biāo)高平整。根據(jù)鉆孔揭露及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，廠址區(qū)的上覆土層為第四系人工堆積層（Qs）、殘積層（Qel）黏土、下伏基巖為古近系始新統(tǒng)～新近系上新統(tǒng)邕寧群（E2-Ny）泥巖。各巖土層參數(shù)如表3所示。

表3 各巖土層參數(shù)表

場區(qū)內(nèi)巖土層主要接受大氣降水補(bǔ)給，受季節(jié)影響明顯，水位變幅大，沒有統(tǒng)一地下水位，由于表層土層及表層全風(fēng)化泥巖層含水量較大，鉆孔內(nèi)見明顯的滲水水位。場區(qū)運(yùn)行期間地表水下滲使得土體膨脹從而可能導(dǎo)致邊坡坡面、硬化路面出現(xiàn)開裂、不均勻沉陷等問題。因此，在場區(qū)地面平整時(shí)填方區(qū)域采用非膨脹土或改性膨脹土，對(duì)于挖方區(qū)域采用先超挖在回填非膨脹土或改性膨脹土的措施，需計(jì)算合理的覆蓋厚度。

非膨脹土或改性膨脹土相關(guān)參數(shù)按照本文第二小節(jié)中覆蓋土取值。場區(qū)地表排水條件較好，暴雨條件下地面積水厚度取為0.02m，考慮連續(xù)7天積水工況下，膨脹土的膨脹變形。為了防止場區(qū)坡面和地面開裂或不均勻沉降，將膨脹變形控制在5mm內(nèi)。根據(jù)本文所提出的計(jì)算方法，將地面膨脹變形場區(qū)內(nèi)膨脹性粘土和全風(fēng)化泥巖的覆蓋層厚度分別取為2.2m和1.5m。

4 結(jié)論

（1）提出了客土覆蓋下膨脹土變形計(jì)算方法，采用改進(jìn)的Green-Ampt入滲模型計(jì)算濕潤峰的深度，濕潤峰深度范圍內(nèi)的膨脹土利用經(jīng)驗(yàn)公式獲得土體的膨脹變形量。

（2）研究了積水厚度、客土覆蓋厚度、入滲時(shí)間對(duì)膨脹土變形的影響。隨著積水深度和入滲時(shí)間的增加，膨脹土膨脹變形逐漸增大，而隨著覆蓋厚度增加，變形逐漸減小。

（3）將客土覆蓋下膨脹土變形計(jì)算方法應(yīng)用于南寧寧明縣某場區(qū)的地面平整計(jì)算中，確定了采用換填法時(shí)不同膨脹土層的覆蓋層厚度。