湿陷性黄土铁路路基原位试验研究

湿陷性黄土铁路路基原位试验研究

【摘 要】湿陷性黄土地质上修建铁路，铁路路基竣工后要求沉降在一定的范围内，为满足设计要求，需开展相关试验研究，确定湿陷性黄土地基处理方法。本文以某客运专线为例，探讨了浸水原位试验方法，望对类似工程有所帮助。

【关键词】湿陷性黄土；铁路路基；原位试验

一、湿陷性黄土铁路路基原位试验的意义

黄土的湿陷性是指黄土在天然低湿度下往往具有明显的高强度和低压缩性，但遇水浸湿后会发生变形大幅度突增和强度也随之迅速降低的现象。

随着西部开发和能源基地的建设，中西部地区大中型工程逐渐增多，大中型工程的建设需要具有较高的承载力和较小变形的地基，然而中西部地区大多土地为湿陷性黄土，黄土在浸水的情况下，极易发生大幅度的下沉或不均匀沉降的现象，从而造成建筑物地基变形，给工程带来巨大的损失。实际工程建设中，由于黄土浸水造成的工程事故屡见不鲜。特别是在铁路建设中，黄土浸水造成的危害性态和对其处治的原则与工业和民用建筑方面的要求存在很大差别，如建筑规范对黄土湿陷的处治已由以防为主转为以治为主，而按此处治原则，铁路建设中的投资则无法承受，考虑到铁路构造物和路基的不同要求，研究其浸水特性，提出适用铁路建设特点的黄土处治原则与处治技术，在西部铁路建设中具有极其重要的作用。

对黄土湿陷性的研究，主要侧重于湿陷机理、影响因素、指标选择、评价方法以及工程应用诸方面。近年来，黄土工程性质的研究出现了由侧限压缩到三轴压缩，由常规三轴应力路径到多种复杂应力路径，由浸水湿陷量到湿陷敏感性，由狭义的浸水（饱和）湿陷到广义的增湿湿陷，由单调的增湿变形到增、减湿和间歇性的湿陷变形，由增（减）湿路径到增（减）湿路径与加（卸）荷路径的祸合，由湿陷性到湿剪性以及由宏观特性分析到宏、微观结合的力学特性分析等诸多方面的发展，丰富了对黄土湿陷性的认识，缩短了黄土湿陷性与工程实际应用之间的距离。

原位测试包括静力触探、动力触探、标准贯入试验、十字板剪切、旁压试验、静载试验、扁板侧胀试验、应力铲试验、现场直剪试验、岩体应力试验、岩土波速测试等。湿陷性黄土铁路路基原位试验应用较多的是浸水试验，主要研究内容：（1）研究黄土浸水的入渗规律，定量评估黄土浸水所造成的危害。（2）研究黄土浸水的强度与变形特性，探寻黄土增湿过程中的变形规律，开展典型黄土增湿强度的研究。（3）进行黄土浸水性状的力学描述和仿真分析研究，为定量分析黄土浸水后非均匀湿陷及影响作用奠定基础。（4）进行黄土浸水对公路路基与边坡等构筑物的影响评价研究，定量讨论其对路基、边坡等构造物的影响程度，为研究成果的工程应用铺平道路。

关键技术问题包括：含水量原位量测技术；不同增湿状态的室内土样制备增湿技术；黄土浸水性状的力学描述和数值仿真技术。

二、湿陷性黄土铁路路基原位试验

（一）试验概况

某客运专线DK355+200的正线路基左侧外150m处选择了一试验场地，进行了湿陷性黄土地基的浸水试验。该场地属渭河II级阶地，地层上部为厚约22m的Ⅳ级（很严重）自重湿陷性黄土，总湿陷量的计算值为800～940mm，下部为砂层。该研究围绕长为160m、高为5m的实体路堤为核心，将160m长的实体路堤的地基平分为3个区，分别采用“预钻孔柱锤冲扩水泥土挤密桩”、“沉管水泥土挤密桩”和“强夯”3种地基处理措施。其中“预钻孔柱锤冲扩水泥土挤密桩”的处理深度与湿陷性黄土的厚度相同，以消除全部湿陷性为目的；“沉管水泥土挤密桩”和“强夯”的处理深度分别约为湿陷性黄土厚度的2/3、l/3，消除了部分湿陷性。

（二）工程地质条件

黄土状粉质粘土（Qdl+pl3）：褐黄色、灰黄色，稍湿，硬塑，土质均匀，可见针状孔隙及白色钙质条纹。该层厚度为10.4m～10.7m。

圆砾混土（Qdl+pl3）：灰色，稍湿，中密状态，一般粒径5mm～10mm，最大粒径5cm～8cm，摩圆中等，分选差，混粉土或沙土约10%～15%。呈透镜体状，分布不均。一般厚度0.4m～1.7m。砂岩（J3t）：紫红色，泥质胶结，碎屑结构，层状构造，全风化状态，呈硬土状。

（三）试坑设计和测点布设原则

1.浸水试坑宜挖成圆形，其直径不小于湿陷性黄土层的厚度，并不应小于10m，试坑深度宜为0.5m，最深不大于0.8m，在试坑底部铺设10cm厚的砂砾石。

2.在坑底中部及其它部位，对称设置观测自重湿陷的深标点，设置深度及数量按照各湿陷性黄土层顶面深度及分层数确定。在试坑底部，由中心向坑边以3个方向均匀布设观测自重湿陷的浅标点；在试坑外沿浅标点方向10-20m范围内设置地面观测标点，观测精度为±0.10mm。浅标点和深标点的布设分别满足地表自重湿陷量和分层自重湿陷测量的需要，能够准确捕捉到试坑浸水总湿陷量和湿陷土层下陷深度。

3.试坑内的水头高度不宜小于300mm，在浸水过程中，应观测湿陷量、耗水量、浸湿范围和地面裂缝。湿陷稳定可停止浸水，其稳定标准为最后5d的平均湿陷量小于1mm/d。

4.设置观测标点前，为了保证湿陷性黄土地基充分受水浸湿饱和，使黄土地基的湿陷性充分发挥，在坑底打一定数量及深度的渗水孔，孔内填满砂砾。

5.试坑内停止浸水后，应继续观测不少于10d，且连续5d的平均下沉量不大于1mm/d，试验终止。

该线路为客运专线，设计等级很高，因此对路基的沉降变形要求严格。依据勘察资料，考虑到路基浸水湿陷沉降变形情况、钻探揭露地层情况及室内土工试验资料，试坑设计为直径为25m的圆形，深度0.5m，共布设测点111个，其中试坑内地表设浅标点21个，试坑外的地表浅标点48个，最远的浅标点设计在坑外25m处；试坑内设深标点42个，最深的深标点设置25m。在试坑内均匀布设12个渗水孔，孔径127mm，孔深25m，孔内充填砂砾石。在深度方向上，分为10m以内、10～20m和20m以下3个部分布设，每组布设2个相同深度的深标点。试坑及标点平面布置如图1所示。浸水过程分为两个阶段，第一阶段注入当地年平均降水量（以680mm计算）的水量，历时11天，共注入水量333m3；第二阶段为饱和浸水，是在第一阶段变形稳定后开始浸水，历时33天，注入水量9185.2m3，直到饱和，然后对两阶段浸水过程中的沉降标点、裂缝发展和影响范围进行观测。注水方式采用机井抽水，机井出水量约30m3/h，单日注水量保证坑内 水头高度稳定在 300～400 mm。

（四）试验结果

整个浸水过程柱锤冲扩桩和挤密桩典型断面在坡脚、边坡中部、左侧路肩、路基中心以及右侧轨道部位的总沉降量随时间变化曲线如图2和图3所示。

分析图2和图3可知：

柱锤冲扩桩和挤密桩断面地基分别浸水60和50d后，沉降发生突变。浸水87d，路堤总沉降量分别为1.7～5.1和26.2～51.3mm。长时间持续浸水后，柱锤冲扩桩区段路堤的总沉降量（包含浸水期间和停止浸水后路堤总沉降量）仅有3.8～7.4mm；挤密桩区段路堤的总沉降量为62.3～103.1mm。

三、结论

浸水过程中，柱锤冲扩桩和挤密桩地基分别在浸水进行到约60和50d时附加沉降发生突变，表明路基坡脚积水不宜超过50d；由于浸水时间约为19d时浸润角达到最大，因此路基坡脚附近积水时间不宜超过19d，遇到长时间大雨天气时，应在19d内及时将积水排除，以免造成湿陷性黄土路基附加沉降，影响行车安全。浸水期间，柱锤冲扩桩路堤的总沉降量为1.7～5.1mm，挤密桩为26.2～51.3mm。长时间持续浸水后，柱锤冲扩桩路堤的总沉降量仅有3.8～7.4mm。因此，在实际工程应用中，只要防水措施得当，即使在暴雨或路堤外局部积水等不利条件下，柱锤冲扩桩处理路段也不会出现大的沉降。挤密桩路堤的总沉降量达到了62.3～103.1mm，从浸水后沉降发生的过程来看，在浸水初期路堤便出现了较大的沉降，所以实际工程应用中，挤密桩路段（湿陷性黄土未处理完）一定要加强防排水措施，避免局部积水，以保证行车安全。

参考文献：

[1]邢义川.湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究[J].水利学报，2007年5期.

[2]李振.郑西客专陕西段路基湿陷性黄土地基处理简介[J].岩土力学，2009年z2期.