湿陷黄土铁路路基浸水试验研究.doc

湿陷性黄土铁路路基原位浸水试验研究摘 要：在湿陷性黄土铁路路基试验段，运用大型原位浸水试验，研究路基浸水后柱锤冲扩桩和挤密桩地基的浸水规律以及地基土湿陷对路基沉降的影响。研究结果表明：柱锤冲扩桩和挤密桩地基分别在浸水60 和50d 时，浸水附加沉降发生突变；浸水约19 d 浸润角达到最大， 因此路基坡脚附近因降雨或其他原因形成的积水滞留时间不应超过19 d； 浸水87 d 柱锤冲扩桩路堤的沉降量为1.7 5.1 mm，挤密桩为26.2 51.3 mm；长时间持续浸水后柱锤冲扩桩路堤的总沉降量仅为3.8 7.4 mm，而挤密桩路堤的总沉降量则高达62.3 103.1mm，因此在实际工程中，一定要加强挤密桩路段的防排水措施，避免局部积水，以保证行车安全；未处理湿陷性黄土地基的浸润角为38 42，故建议在湿陷性黄土地区修建铁路时，距路基坡脚一定范围内不能有鱼塘、水池等长期积水设施。关键词：路基；湿陷性黄土；原位浸水试验；柱锤冲扩桩；挤密桩；浸润角黄土大面积现场浸水试验始于20世纪60年代，我国电力、冶金和建筑部门结合工程建设进行了不同黄土层厚度、浸水池尺寸和形状等较多现场浸水试验1-3（最小的浸水池直径10m，最大尺寸有110m70m，黄土湿陷厚度3537m），深入研究了黄土的湿陷指数、判断湿陷等级、预测湿陷变形量等宏观的湿陷指标4。浸水过程中含水量的测试对研究湿陷性黄土入渗规律极为重要。随着测试技术的发展，通过在黄土地基不同深度处埋设含水量传感器，可实现含水量高精度的原位测试，进行黄土浸水后入渗规律测试与研究。目前湿陷性黄土铁路地基虽采取了较强的处理措施，但地基处理范围内桩间土和下卧土层的湿陷性并未完全消除，一旦路基防排水措施出现问题，水浸入到地基土中，桩间土和下卧土层会产生剩余湿陷变形，导致工后沉降增加，影响行车安全。为了研究路基浸水后地基受浸水规律和地基土湿陷对路基沉降的影响，有必要在已经建好的实体路基上进行原位的路基浸水试验研究5。本文的原位浸水试验是在某湿陷性黄土地基试验段进行的，通过87天的浸水试验，研究浸水全过程湿陷性黄土地基浸水规律及路基沉降变形规律。1 湿陷性黄土铁路路基浸水试验概况湿陷性黄土铁路路基的原位浸水试验是在填筑路基一侧设置与路基纵向等长的浸水试坑中进行的。本次大型原位浸水试验在国内外是首次。试验段长140m，宽40m，自东向西分为3个试验区，每个分区长40m，分区之间设10 m的分隔带。3个分区的地基采用了柱锤冲扩桩（桩长22m，桩径0.6m，桩间距1.05m，正三角形布置）、水泥土挤密桩（桩长15m，桩径0.5m，桩间距1m，正三角形布置）和强夯（处理深度68m，三种夯击能3000kNm；3500kNm；4000kNm）3种地基处理方法，路基横断面如图 1所示。本文主要分析柱锤冲扩桩和水泥土挤密桩方法的浸水及其沉降规律。图 1 试验段路基横断面图场地地下水位深度为40.5m；场地湿陷性黄土厚度约为22m，勘探深度内地基土由砂质黄土、黑垆土、古土壤、粉质粘土及砂层组成。整个场地最大湿陷系数为0.076，最大自重湿陷系数为0.076，计算自重湿陷量为418577mm，计算总湿陷量一般为793940mm。试验段属自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为IV级（很严重）。试验场地天然黄土地基的基本承载力为90kPa。地质雷达测试显示，地基处理前的所有的雷达剖面在6.5m深度处，都有一连续反射强烈雷达波组，反应该深度处有一明显的岩性界面，而且该界面在整个区域分布均匀。在试验场地22m深度范围内，剪切波波速平均值分别为200.0 ms-1。在路基南侧离路基坡脚4.5m ，对应3种地基处理方法设置3 个5m40m 的浸水池，池的南侧为天然地基。浸水池的水头保持0.3m。在每个浸水池与路基坡脚之间不同深度范围处埋设了8个FDS（Frequency Domain Sensor）水分传感器、3根含水量测管，如图 2所示，浸水试验场地全貌如图 3所示。图 2 浸水试验元器件埋设示意图（单位：m）图 3 铁路路基浸水试验路基浸水试验工作共经历三个阶段：浸水池准备阶段，历时7d；浸水观测阶段，总共浸水时间87d；停水后继续观测，历时72d。浸水过程中含水量的监测采用了无线远程自动化监测设备（专利号：200820127556.7），实现无人值守条件下全天候的连续自动化采集与控制。2 路基浸水试验结果及分析2.1 浸水量试验过程中，浸水量与浸水时间的关系呈现“大缓稳”的变化规律，浸水10 d 左右日耗水量较大，平均为90.4m3d-1， 后期每天浸水量有下降趋势，平均为20 m3d-1。累计浸水量呈上升趋势，40 d 后随着入渗速率的降低浸水量增加趋势有所减缓。现场测量的总降雨量和蒸发量分别为260.5 和254.0 mL， 蒸发量和降雨量基本持平，而且蒸发量和降雨量相对于浸水量很小，因此可以认为试验段气候变化对浸水池水位的影响不大，可以不予考虑。浸水87 d，柱锤冲扩桩和挤密桩加固区断面的总浸水量分别为1 571.6 和1 652.4 m3。2.2 路基浸水规律各浸水断面水分传感器埋设位置如图2 所示，1 8 号传感器的埋设深度分别为1，2，3，2.7，3.7，4.7，4. 5 和5.5 m。柱锤冲扩桩和挤密桩断面含水率随浸水时间变化规律如图4 和图5 所示。图 4 柱锤冲扩桩断面含水量随浸水时间变化曲线图 5 挤密桩断面含水量随浸水时间变化曲线2.2.1 浸水期间路基浸水规律浸水期间断面含水率变化沿土体深度经历了天然非饱和状态、非饱和入渗状态和饱和入渗状态。入渗锋面向下运动的速度随着入渗深度的增大而减小。由于黄土的垂直渗透系数往往是水平渗透系数的23倍6，在其受水浸润时，以压倒的优势向深度方向渗透，直至遇见地下水位或隔水性较强的土层后，侧向浸润才能加强 7。柱锤冲扩桩断面浸水期间，地基不同深度处的含水率在15% 30% 之间变化，在浸水过程中含水率增加1. 8% 9. 6%，平均增加4. 2%。距水池水平距离0. 5 m 处各测点位置含水率迅速增加，并于浸水36 h 后趋于稳定，随后含水率缓慢增加，在浸水过程中含水率增加1. 9% 2. 7% 。距水池水平距离为1. 5 和2. 5 m 时，在相同水平距离条件下，深度越深，含水率稳定时间越长，分别为60240 和360 600 h，含水率增长率越大，分别增加1. 8% 5. 4%和5. 4% 9. 6%。挤密桩断面浸水期间，地基不同深度的含水率在20% 35%之间变化，含水率平均增加7. 6% ,稳定时间和含水率增长的趋势与柱锤冲扩桩断面基本一致，但量值相比略大，距水池水平距离为1. 5m 时，稳定时间为360 480 h，含水率增加7. 0% 9. 4%。浸水25d后，含水量传感器测试结果表明，浸水水平影响范围小于4m，竖向影响深度超过7.5m。地基处理不同深度范围内1m5.5m之间，所有的含水量水分传感器测试的含水量在15%30%之间变化。受到雨季的影响埋设期间后期到浸水前各水分传感器含水量增加了2.1%7.2%，埋设深度浅的含水量水分传感器增加量比埋设浅的水分传感器大。浸水期间，距离水池0.5m，埋设深度浅的01（1m）、11（2m）、03（3m）水分传感器含水量浸水开始后不久迅速增加，并于浸水36小时后趋于稳定，随着浸水进度含水量缓慢增加，在浸水过程中含水量增加1.9%2.7%，但是离水池距离2.5m和4.5m埋设深度深的水分传感器含水量发生了较大的增加，并于浸水60600小时后趋于稳定，在浸水过程中含水量增加1.8%9.6%，平均增加4.2%，并且埋设深度大水分传感器含水量增加量大。这是由于埋设深度浅的水分传感器在浸水前雨水的浸入含水量已经增加，埋设深度深的水分传感器受到雨水的影响较小。因此浸水期间埋设深度大的水分传感器含水量增加量大。不同水分传感器含水量趋于稳定的时间存在一定的差距，离水池近埋设深度浅的水分传感器先趋于稳定，说明水是斜向下方向逐渐浸入到土体中，这与水在黄土地基中渗透方向有关系，停止浸水后各水分传感器含水量逐渐将降低，并逐渐趋于稳定。停水期间含水减少1.3%3.6%。从埋设到浸水结束含水量增加5.3%11.3%，平均增加8.5%。2.2.2 停住浸水后路基浸水规律停水后，由于供水条件不足，土体孔隙中的水在重力作用下向下运动，含水率逐渐降低，并逐渐趋于稳定，含水率从浸水期间的饱和入渗状态转入到停水后的非饱和入渗状态。其后，含水率不断降低，直到含水率保持动态平衡状态，此时土体的饱和度也就是滞留饱和度。从测试结果可以看出，停水期间柱锤冲扩桩断面含水减少1. 3% 3. 6% ,挤密桩断面减少2. 6% 5. 4%。2.3 路基沉降变形规律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6 和图7 所示。图6 桩锤冲扩桩断面总沉降量随时间的变化曲线图7 挤密桩断面总沉降量随时间的变化曲线分析图6 和图7 可知：( 1) 柱锤冲扩桩和挤密桩断面地基分别浸水60 和50 d 后，沉降发生突变。浸水87 d，路堤总沉降量分别为1. 7 5. 1 和26. 2 51. 3 mm。( 2) 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. 4 mm； 挤密桩区段路堤的总沉降量为62. 3 103. 1 mm。( 3) 在实际工程应用中，对于柱锤冲扩桩处理路段，只要防水措施设置得当，即使在暴雨、路堤外局部积水等条件下，地基也不会出现大的沉降，而挤密桩地基在浸水初期便出现较大沉降。所以在实际工程应用中，对于挤密桩路段( 湿陷性黄土尚未处理完) 一定要加强防排水，以避免局部积水，出现较大的沉降变形影响行车安全。2. 4 原状湿陷性黄土地基浸水规律原状湿陷性黄土地基试验在柱锤冲扩桩处理区段浸水池南侧进行。在浸水过程中，采用洛阳铲取土测试不同浸水时间的含水率，并同时进行小标贯试验，取土及小标贯试验位置如图8 所示。2. 4. 1 含水量从浸水开始到浸水结束一共进行了11 个不同时间点的含水率测试，结果如图9-图11 所示。图8. 洛阳铲取土和小标贯试验位置示意图( 单位: m)图9 . 取样孔不同深度处含水量变化曲线( 距1 m)图10. 取样孔不同深度处含水量变化曲线( 距2 m)图11. 取样孔不同深度处含水量变化曲线( 距3 m)离浸水池水平距离1 m 的地基土含水率增加最快，浸水7 d 内土体含水率接近饱和，后期浸水过程含水率缓慢增加，直到土体饱和含水率基本稳定，0 6 m 深度范围内土体的含水率由10% 增加到25. 5%。离浸水池水平距离2 m 处的地基土含水率增加速度比1 m 处的低，随着浸水过程的进行，含水率均匀增加，0 6 m 深度范围内土体的含水率由10% 增加到23. 8% 。离浸水池水平距离3 m处的地基土含水率增加的幅度明显减小，0 6 m深度范围内土体的含水率由10%增加到20%。离浸水池水平不同距离地基土表层的含水率增加幅度小于底层土体，说明浸水池的水是斜向下浸入到土体中，存在1 个浸润角8 。将离浸水池不同距离不同深度处含水率增加3% 的点汇总于图12，剔除由于湿陷性黄土的毛细作用增加含水率的点，将同一浸水时间的点进行线性回归，则回归线与纵坐标的夹角即为浸润角。可见，未处理湿陷性黄土地基浸润角为22 76，平均值为42，浸水时间约19 d 时浸润角达到最大。图12 含水率浸润角分析2. 4. 2 小标贯小标贯试验分别在浸水后7，13，19，36，41，58，68 和87 d 进行，探孔深度为地面以下3. 9 m，试验前除去地表约0. 6 m 的硬层后进行小标贯试验，试验结果如图13 所示。由图13 可见，浸水前，1# 6# 小标贯击数接近，表明试验场地地面以下4. 2 m 范围内地基土的基本承载力接近； 浸水过程中，随着浸水时间的增加，各探孔的小标贯击数逐渐减少，直至接近,且探孔越深，小标贯击数下降的幅度越大，说明浸水坑的水由近及远、由浅入深逐渐渗透到地基土中，致使整个试验场地的地基基本承载力下降。由图13 还可以看到，浅层地基土击数随着浸水时间的增加也有一定程度的减少。这是由于湿陷性黄土存在一定的吸力，使深层土的水通过毛细作用上升到浅层土中，导致土体变软，击数下降。将不同浸水时间小标贯击数减少10 击的点汇总于图14。考虑到毛细作用以及水在湿陷性黄土中的渗透规律，剔除由于毛细水作用引起击数减少的点，对同一浸水时间点进行线性回归，得到回归线与纵坐标的夹角即小标贯浸湿角，见图14。图13 小标贯试验曲线图14 小标贯浸润角分析可见，未处理湿陷性黄土地基浸润角为1859，平均值为38，且浸水约19 d 时的浸润角达到最大59。这与含水率试验确定的浸润角一致。3 结论( 1) 浸水试验87 d，柱锤冲扩桩和挤密桩加固地基浸水量分别为1 571. 6 和1 652. 4 m3 ，地基不同深度的含水率平均增加量为4. 2%和7. 6%。( 2) 本次试验原状土浸润角为38 42，湿陷性黄土地基经加固处理后，受水的浸润影响减小。因此对本文研究的厚度为22 m 湿陷性黄土地基，距路基坡脚20 m 范围内不应修建鱼塘、水池等长期性积水设施。( 3) 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50 d 时附加沉降发生突变，表明路基坡脚积水不宜超过50 d； 由于浸水时间约为19 d 时浸润角达到最大，因此路基坡脚附近积水时间不宜超过19 d，遇到长时间大雨天气时，应在19 d 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。( 4) 浸水期间，柱锤冲扩桩路堤的总沉降量为1. 7 5. 1 mm，挤密桩为26. 2 51. 3 mm。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. 4 mm。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 中华人民共和国建设部. GB500252004 湿陷性黄土地区建筑规范S.北京:中国建筑工业出版社,2004.2 刘明振. 湿陷性黄土间歇性浸水试验J. 岩土工程学报,1985,7(1):47 54.(LIU Ming-zhen. Intermittence immersion test of collapsed loess J. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1985,7(1):4754.) 3 李大展,何颐华,隋国秀.Q2 黄土大面积浸水试验研究J.岩土工程学报,1993,15(2):111. (Li Da-zhan，He Yi-hua，Sui Guo-xiu. A large area field immersion test research on loess Q2 J. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1993,15(2):111.)4 黄雪峰，陈正汉，哈双，薛塞光，孙树勋，徐毅明，金学