铁路路基下膨胀土地基浸水响应现场试验
  摘要：对高速铁路无砟轨道路基而言，膨胀土的胀缩变形可能加剧线路志的不平顺性，影响高速铁路的正常运营。为研究铁路路基荷载下非饱和膨胀土土层在人工浸水后的变形特征，结合云桂铁路建设，设计并开展了铁路原型路基荷载下膨胀土地基现场浸水试验，并监测了从路基填筑开始到人工浸水结束时膨胀土地基与路基本体变形及浅层土水分的时程变化。试验结果揭示了膨胀土地基浸水饱和后的极限相对膨胀量、膨胀变形沿路基横向与地基深度的分布规律以及地基表面膨胀变形沿路基本体的衰减特征。基于试验成果，初步提出了以路基表面膨胀变形为0作为控制标准确定路基临界填高的设计思路。现场试验的设计原则与实施方法也可为今后研究铁路路基下膨胀土地基胀缩特性提供参考。
  关键词：铁路路基；膨胀土地基；现场浸水试验；
 
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  对一般铁路工程而言，膨胀土地基的胀缩变形对路基影响较小，常忽略不计，而高速铁路无砟轨道路基技术标准高，对工后变形控制严格[12]，因此，在高速铁路工程设计中，膨胀土地基的胀缩变形就必须加以考虑。目前，国内外针对铁路路基荷载下膨胀土地基湿化变形
的研究成果尚不多见。结合云桂铁路建设，在现场进行了铁路路基下膨胀土地基现场浸水试验，通过人工浸水方式对非饱和膨胀土地基进行湿化饱和，研究膨胀土地基与路基本体的变形响应及土层的水分变化规律。
  一、现场浸水试验概况
  1.1试验场地地质条件
  试验场地位于弥勒断陷盆地内，由地质勘查报告可知，大部分膨胀土为颜交混的斑状黏土，主要是由第三系泥岩、泥灰岩和黏土岩经风化淋滤后，被水流搬运而形成的冲积–湖积膨胀土，黏土切面光滑，黏性强，局部可见钙质结核，裂隙发育，有的地方层理清晰，下伏基岩为三叠系个旧组白云岩，试验场地的初始地下水位为5.0～5.8m。弥勒膨胀土的基本物理性质：重度为18.49～20.98kN/m3，比重为2.646～2.745，液限为40.84%～80.62%，塑限为24.20%～44.83%，塑限指数为21.86～35.79，自由膨胀率为48%～51%，膨胀势判别中—强膨胀。其中膨胀势是根据Willams等黏土膨胀势判别法判定。
  1.2路基下膨胀土地基变形定性研究
  本文变形正值代表地基产生膨胀隆起，负值代表地基产生压缩或收缩变形。膨胀土地基变形S可分为两个方面：①外加荷载作用下的压缩变形Sc；②外加荷载与水分入渗或浸水共
同作用下的湿膨胀、湿化变形Se，或外加荷载与蒸发、风干及地下水位下降而产生的收缩变形Ss。膨胀土地基任意时刻t的变形可表示为在路基加载、稳载及人工浸水条件下，膨胀土地基变形–时间关系曲线可定性描述为。若不考虑地基土水分蒸发、大气降雨且地下水位保持不变，膨胀土地基在路基加载、稳载作用下呈压缩变形，且变形逐渐趋于稳定的理想压缩曲线。然而，在野外开展路基填筑试验，难免受外界气候环境影响，膨胀土地基变形也就包括了压缩变形、膨胀或收缩变形，在路基填土期及稳载前期，地基在外加荷载作用下主要表现为压缩变形；随着地基压缩变形趋于稳定，外界气候影响逐渐起主导作用，地基呈胀缩趋势。
  1.3浸水方案及测试仪器布置
  试验段路基填高为2.7m，仅考虑CRTSⅠ型板式无砟轨道荷载不计列车荷载，结合现场A、B组填料重度（20kN/m3）与换算土柱法，可将轨道荷载换算为分布宽度3.0m，高度0.8m的土柱，并通过填筑A、B组填料模拟轨道荷载。膨胀土地基浸水湿化主要以人工浸水方式进行，为确保水分入渗顺利，节约试验时间，试验设计了砂孔、砂槽与砂垫层等多面浸水，即在路基中心及左右路肩下钻孔填砂（孔深6m、孔径127mm），沿路基纵向孔间距0.6m，孔口设置截面为0.3m×0.3m砂槽，路基底部铺设10cm粗砂垫层，在路基坡脚外0.8
m处修筑蓄水沟渠以便人工浸水。此外，在砂垫层及路基边坡上铺设复合土工膜，避免路基本体被水浸泡软化。
  为了研究土质路基荷载下浸水饱和后膨胀土地基与路基本体的变形响应特征及土壤水分变化规律。试验采用沉降板、位移观测桩、分层沉降计、剖面沉降管测试膨胀土地基变形；在路基高度h=0.9m，h=1.9m及h=2.7m处布置沉降板测试路基本体变形；采用德国IMKO公司生产的TRIME-PICO-IPHTDR土壤剖面水分测量仪测试浅层地基土水分变化，TDR传感器基本技术指标：测量范围为0～40cm3/cm3时，测量精度为±2cm3/cm3，测量范围为40～70cm3/cm3时，测量精度为±3cm3/cm3，测量管长度3m。
  二、试验方法与过程
  （1）开挖试坑。按深度1.0m，坡度1∶1.5开挖试坑，沿试坑底部四周设置截水沟渠，并用平地机整平试坑底部。
  （2）钻孔填砂与砌筑砂槽。通过液压钻机钻孔填砂，钻孔时必须保证孔的垂直度，成孔后立即用中、粗砂填满捣实。砂槽开挖尺寸图纸实施，开挖时应确保砂孔位于砂槽中线位置，砂槽两侧砌砖，槽内填满中、粗砂。
  （3）安装与埋设测试仪器。仪器布置要求，安装与埋设沉降板、位移观测桩、分层沉降
计、剖面沉降管及TDR剖面土壤含水率测量系统。限于TDR测量管长度，采用IMKO土钻钻孔取土与烘干法，测定路基填土初期、人工浸水前、后地基土含水率。
  （4）填筑路基。①用压路机对试验区进行静压，之后铺设厚10cm的粗砂垫层与复合土工膜；②用A，B组填料配合装载机、平地机、压路机、小夯机等机械设备分层填筑路基，压实度标准按规定执行；③用小挖机按坡度1∶1.5对路基边坡进行刷坡，再用复合土工膜反包路基边坡。路基填高及降雨量与时间关系。
  （5）人工浸水。地基压缩变形稳定后即可通过浸水沟渠进行人工浸水，变形稳定标准为变形速率小于0.05mm/h。本次人工浸水历时为92d，蓄水沟渠水头保持在40cm以上。浸水初期变形观测频率为1d/次，1个月之后改为2d/次，2个月之后膨胀变形趋于稳定则改为3d/次。
  三、通过上述分析得出以下结论：
  （1）从路基填土开始到人工浸水结束，地基表面、浅层土及路基本体的变形曲线均呈“S”型变化，较深土层的变形曲线呈似“直线”型变化。
  （2）2.7m铁路路基下线路中心、边坡中心、坡脚地基表面的相对膨胀量分别为8.14，8.93，15.53mm；在路基高度0.9，1.9，2.7m处，路基中心的相对膨胀量分别为7.20，6.2
0，5.80mm，路肩的相对膨胀量分别为7.26，6.43，5.93mm。
  （3）沿路基横向，地基表面的相对膨胀量呈“锅底形”分布，路基本体的相对膨胀量呈“V形”分布，随着路基高度的增加，“V”形分布特征越明显；沿地基深度方向，相对膨胀率随深度的增加呈衰减变化，在深度0～2.0m范围内相对膨胀率的衰减幅度为59.2%～62.8%。
  （4）浅层地基土水分变化规律基本相同，水分入渗扩散速率与膨胀土变形及土体结构变化密切相关。
  （5）地基表面的相对膨胀量沿路基本体呈衰减变化，有利于以控制变形为主的高速铁路建设；基于试验结果，初步提出了以路基表面膨胀变形为0作为控制标准确定路基临界填高的设计思路。
  （6）通过人工浸水促使非饱和膨胀土地基湿化饱和，得到了膨胀土地基极限状态下的相对膨胀量，而大气降雨引起土层含水率变化幅度小于试验值，在工程设计中可依据相对膨胀量极限值加以修正应用。试验方法还可为今后铁路路基膨胀土地基浸水试验提供参考。
 
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