宝兰客运专线强湿陷性黄土水稳性试验研究

叶朝良,刘尧军,李　青,白金州

(1.石家庄铁道大学土木工程学院, 石家庄　0500432； 2.河海大学土木与交通学院, 南京　210098)



宝兰客运专线强湿陷性黄土水稳性试验研究

叶朝良1,刘尧军1,李青1,白金州2

(1.石家庄铁道大学土木工程学院, 石家庄0500432； 2.河海大学土木与交通学院, 南京210098)

摘要：通过自行设计的崩解试验和饱和前后的无侧限抗压强度试验,对宝兰客运专线强湿陷性黄土水稳性进行试验研究,试验结果表明：宝兰强湿陷性黄土遇水前后抗压强度衰减显著,水稳性很差。压实度在100%的试样崩解时间仅为35～40 min；相同时间下,压实度提高可以降低毛细水的上升高度,减缓其崩解速度,有效提高其抗渗性。饱和前后土样的应力应变关系均呈应变软化型变化规律；饱和前后土样的无侧限抗压强度差值达到295.0 kPa,强度衰减约77.1%。

关键词：宝兰客运专线；黄土；水稳性；压实度；崩解试验

1概述

近年来，关于岩土材料水稳性的试验研究成果较多，主要集中在路基与土石坝的湿化变形[1-5]、改良土强度[6-9]和土的崩解[10-12]等方面。从上述研究成果看，目前的研究均主要集中于强度影响方面，但岩土材料的水稳性一般是指岩土材料受水的影响程度，应从变形和强度两个方面来综合考虑。

宝兰客运专线位于我国湿陷性黄土发育最强烈的陇西地区，分布在这里的黄土碳酸盐矿物含量较多，颗粒之间结合不紧密，疏松、多孔隙，垂直节理发育，且有许多可溶性物质，透水性较强，水稳性极差。在浸水后或干湿循环作用下，强度衰减，导致工程地质问题十分严重。为了确保工后线路安全运营，在宝兰客运专线建设过程中，对击实黄土的水稳性进行室内试验研究，为建设和防治黄土水毁灾害具有非常重要的理论和实践价值。

2崩解试验

2.1宝兰黄土的物理性质

土样取自宝兰客运专线天水南站，通过室内常规试验得到宝兰黄土天然密度在1.33～1.49 g/cm3，颗粒比重为2.691；塑限为17.8%，液限为25.6%，塑性指数为7.8，定名该黄土为低液限粉土；通过击实试验测定最优含水率为12.8%，最大干密度为1.86 g/cm3；黄土湿陷性系数最大达0.118，自重湿陷性系数最大达0.059。

2.2崩解试验的设计

根据表1，在最优含水率下，用击实法制5组试件，每组3个试样，试验前试样的高度为8 cm，直径为3.91 cm，然后放入保湿器中进行养护，崩解试验步骤如下。

表1　最优含水率下不同干密度的土样配制

(1)在试验室水槽中铺设毛玻璃片，保持水槽平稳，然后将每组试件置于其上。先往水槽中加入清水，直至液面与试件底面平齐，按(2)中要求记录试验现象和数据。然后，继续加入清水，直至液面到达试件高度1/2处，按(3)中要求观察试验现象并记录试验数据。

(2)注水后，由于毛细作用，试件从水槽中吸水，观察其物理现象。同时根据试样颜色的变化，测记毛细水上升高度，准确至0.1 cm。测记时间为1、2、3、5、10、15、20、25、30、35 min……直至上升高度不变或试样破坏为止。

(3)当试件的毛细水上升高度稳定后，按(1)中液面高度要求，继续向水槽中慢慢注入清水，观察土样的崩解现象和变形情况。

2.3土样崩解过程分析

初始时，土样的毛细水高度上升较快，由于土样表面细小分散颗粒浸入水中，土样周围水体立即变浑浊，有气泡出现，土样吸水增重，但未发生明显的崩解和变形(图1(a))。一段时间后，土样的毛细水上升速度开始减缓(图1(b))，但崩解速率却开始缓慢增加，水变得愈加浑浊，土样浸水端开始变松变软，出现裙状变形(图1(c))，并且变形越来越明显。待土样毛细水高度上升稳定后，继续向水槽中缓慢注入清水，此时土样表面开始大量破裂脱落，发生剧烈的崩解现象，崩解体以鳞片状为主，出现大量气泡，水体变得非常浑浊，整个土样变形很大(图1(d))。继续加水，在液面未到达土样中部前，试样全部发生崩解破坏。取出已破坏的土样部分，发现土体已经变得非常松软，多呈流塑或软塑状态，土样崩解体呈明显的锥体状(图1(e))。水槽中残留的崩解物天然坡脚堆积(图1(f))。

图1　土样浸水后的变化过程

崩解试验发现：压实度为100%的试样，崩解时间为35～40 min；压实度95%的试样，崩解时间为25～30 min；压实度90%的试样，土样崩解时间为22～27 min；压实度为85%的试样，崩解时间为17 min；压实度为75%的试样在短时间内毛细水高度就到达试样顶部，并发生崩解破坏，崩解时间为7 min左右。

试件浸水后，都存在着明显的毛细现象、崩解和变形，并且压实度越大，毛细现象就越缓慢，变形就越小，崩解速率也越缓慢。造成该现象的原因主要有以下几个方面。

(1)黄土中含有许多可溶性物质，如碳酸盐和石膏等易溶盐类，遇水后极易溶解，从而使颗粒之间的胶结作用力减弱，土粒发生软化，会导致土样发生崩解和湿陷变形。

(2)土样浸水后，毛细水高度不断升高，土样浸水部分的自重不断增加，当土样底部无法承受其上部自重时，就会产生一定的变形。此外，毛细水高度不断升高会导致土体基质吸力降低，黏聚力减小，从而引起土样产生变形和崩解。

(3)压实度越大，土颗粒间就越密实，土体的孔隙率就越小，有些孔隙甚至成为封闭孔隙，水在试样中的渗透阻力增加，导致毛细现象速度减慢，致使其崩解时间变长。

(4)由于外部土颗粒浸水时间较内部长，颗粒之间的胶结力减小的更弱，更易造成颗粒集合体崩散而脱离母体，而内部黄土颗粒受水影响较迟缓，崩解量较小，所以土样破坏端的形状多呈椎体状。

2.4数据分析

(1)不同压实度下毛细水上升速度

将观测数据汇于图2可以看出，试样浸水后，刚开始毛细水上升速度很快，之后又逐渐变缓慢；压实度越大，曲线的斜率就越小，试样的毛细水上升速度就越慢；相同时间下压实度越大，其毛细水上升高度也越低，说明压实度的提高可以有效提高抗渗性。

(2)相同时间下压实度对毛细水上升高度的影响

由图3可看出，相同时间下毛细水稳定高度随压实度的增大而减小，压实度为100%的试样毛细水稳定高度最小，约为4.5 cm，压实度为95%、90%和85%的试样毛细水稳定高度分别为4.9、6.4 cm和7.7 cm，较100%的试样，分别增大了8.9%、42.2%和71.1%。

图2　40 min内毛细水高度随时间的变化规律

由图3中曲线的各段斜率和拐弯点可知，当压实度超过95%后，毛细水上升速率就会明显减缓，这说明，K=95%的压实效果就已经能很好地减缓黄土的毛细水上升。

图3　相同时间下毛细水稳定高度和压实度的关系

3无侧限抗压强度试验

图4　TSY10-B型台式三轴仪加载台

图5　真空饱和器

根据表1，在最优含水率下用击实法制10组试样(每组3个)，其中5组试样放入真空饱和器中饱和，利用TSY10-B型台式三轴仪做无侧限抗压强度试验。在无侧限抗压强度试验中，饱和前土样多会发生鼓胀破坏，破坏时表面有许多裂纹出现，而饱和样破坏时表面没有出现明显的裂纹和鼓胀现象，见图4～图6。

图6　破坏后的三轴试样

3.1饱和前后的应力变形关系

图7为未饱和土样的应力-应变关系曲线，可以看出，压实度越大，轴向应力峰值就越高，试样的无侧向抗压强度就越大，对应的轴向应变也整体上呈增大趋势。具体表现为压实度为100%的试样抗压强度最大，为424.2 kPa，对应的轴向应变为1.5%；压实度为 95%的试样抗压强度为315.2 kPa，对应的轴向应变为1.5%；压实度为 90%的试样抗压强度为153.9 kPa，对应的轴向应变为1.0%；压实度为85%的试样抗压强度为107.7 kPa，对应的轴向应变为1.0%；压实度为75%的试样抗压强度为24.3 kPa，对应的轴向应变为1.0%。

图7　饱和前土样的轴向应力-应变关系曲线

图8为饱和后试样的应力-应变关系曲线，各曲线对比表明，曲线变化规律与未饱和时相同，均呈应变软化型；压实度越大，峰值强度越高，但比未饱和状态下的峰值强度低很多。

图8　饱和样的轴向应力-应变关系曲线

3.2压实度对强度的影响

由图9可知，2条曲线均随压实系数的增大而呈上升趋势，饱和前后试样的无侧限抗压强度均随压实度的增大而增大。具体表现为，饱和前土样中压实度为100%的试样抗压强度值最大，为424.2 kPa。压实度为95%、90%、85%、75%的试样，无侧限抗压强度值分别为315.2、153.92、107.7、24.3 kPa。与100%的试样相比，抗压强度分别减少了25.7%、63.7%、74.6%和94.3%；饱和后压实度为100%的试样抗压强度仍最大，为129.2 kPa。压实度为95%、90%、85%的试样，无侧限抗压强度值分别为95.2、36.5、29.5 kPa。与100%的试样相比，抗压强度分别减小了26.3%、71.8%、77.1%，压实度为75%的试样饱和后几乎无强度。

图9　无侧限抗压强度与压实度的关系曲线

两条曲线相互对比可知，与饱和前土样相比，饱和后土样的无侧限抗压强度明显降低，但相应的轴向应变却有所增大。这说明，土样受水影响后抗压强度衰减很大，发生破坏时的变形也相对增大。随着压实度的增大，饱和前后试样的抗压强度差值也逐渐增大，具体为：压实度为100%、95%、90%、85%的试样抗压强度差值分别为295.0、220.0、117.4、78.1 kPa和24.3 kPa。饱和前后，压实度为100%、95%、90%、85%、75%的土样抗压强度百分数分别为69.5%、 69.8%、76.3%、、72.6%；压实度为75%的土样饱和后几乎无强度。

以上数据说明，对于宝兰黄土这一特殊的湿陷性土来说，压实度越大，其无侧限抗压强度也越大，但其受水后的强度衰减也更为显著，说明宝兰黄土的水稳性很差。将其直接用于路基填料应进行改良处理，提高其水稳性。

4结论

(1)崩解试验表明，宝兰黄土的水稳定性很差。压实度100%的试样崩解时间在35～40 min；压实度为85%的试样，崩解时间大约为17 min；压实度为75%的试样，崩解时间为7 min左右。相同时间下，压实度提高可以降低毛细水的上升高度，减缓其崩解速度，有效提高其抗渗性。

(2)饱和前后土样的无侧限抗压强度试验表明，二者的应力应变关系呈应变软化型变化规律；饱和前的强度远大于饱和后的；饱和前土样的无侧限抗压强度最大值不超过424.2 kPa，浸水饱和后，无侧限抗压强度最大值不超过129.2 kPa，饱和前后土样的强度差值最大达到295.0 kPa。由此可见，湿陷性黄土遇水后抗压强度会迅速下降，水稳性很差。

由于宝兰黄土受水后强度衰减很大，崩解速度快，水稳性很差，在线路修建时应采取积极措施做好防水排水工作，如路基的边沟以及路面等的排水，及时修复和完善各种设施，防止路基基底土体等发生湿化现象，如采用该黄土作为路基填料应进行改良，以便控制路基沉降变形，确保施工运营的安全。

参考文献：

[1]刘祖德.土石坝计算的若干问题[J].岩土工程学报，1983，5(1)：1-13.

[2]张秀成，等.不同应力路径下某高速公路路基粘性土湿化变形试验研究[J].岩土力学，2010，31(6)：1791-1796.

[3]王强，等.路基砂土湿化变形的试验研究[J].铁道科学与工程学报，2005，2(4)：21-25.

[4]周德泉，等.循环荷载作用下花岗岩残积土累积变形与湿化特性试验研究[J].中南大学学报：自然科学版，2013，44(4)：1657-1665.

[5]王立军，等.铁路路基土体湿化性能的试验研究[J].铁道建筑，2012(7)：100-102.

[6]凌建明，等.水泥-石灰土水稳性的试验研究[J].同济大学学报，2001，29(6)：733-737.

[7]乐金朝，等.石灰钢渣稳定性土的水稳性试验[J].建筑材料学报，2010，13(6)：773-778.

[8]焦永健.石灰-钢渣稳定土的水稳性试验研究[J].科学与生活，2010(17)：140-141.

[9]刘忠玉，等.小剂量石灰稳定土的水稳性试验研究[J].郑州大学学报：工学版，2012，33(3)：15-18.

[10]李喜安，等.黄土崩解性试验研究[J].岩土力学与工程学报，2009，28(S1)：3207-321.

[11]陈发根，等.不同风化程度泥岩填料崩解特性试验研究[J].道路工程，2013(9)：21-23.

[12]蒋志明，等.膨胀性凝灰岩浸水崩解特性试验研究[J].路基工程，2013(1)：97-100.

The Study of Water Stability of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated RailwayYe Chao-liang1, Liu Yao-jun1, Li Qing1, Bai Jin-zhou2

(1.College of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;

2.College of Civil and Transportation Engineering, Hehai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：The water stability of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated Line is studied with disintegration test and unconfined compressive strength test. The results show that the compressive strength of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated line is declined rapidly with poor water stability. When the compactness of soil samples is about 100%, the time of disintegration is only 35～40min, meanwhile, with the increasing of the compaction, the height of capillary water is increased which accelerates the rate of disintegration and improves the permeating-resisting performance. The stress-strain curve of the soil samples before and after saturation demonstrates strain softening. The difference of the unconfined compressive strength of the soil samples before and after saturation reaches 295.0 kPa, and the strength attenuates about 77.1%.

Key words：Baoji-Lanzhou passenger-dedicated railway; Loess; Water stability; Compactness; Disintegration test

中图分类号：U238; U213.1+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.006

文章编号：1004-2954(2015)02-0023-04

作者简介：叶朝良(1969—)，男，教授，工学博士，E-mail:yechl001@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(50978172)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G018-B-4)

收稿日期：2014-05-14； 修回日期：2014-06-24