姜 祺

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着高速铁路的发展，路基的变形及稳定控制已成为客运专线铁路设计中的难点和重点。软土具有高含水量、高孔隙比、高压缩性和低强度等特点，是影响路基设计稳定性的重要因素。 我国东北地区的软土多为冻胀敏感性土[1，2]，进入冬季土壤冻结膨胀，易造成轨面不规则抬升；春融期后地面解冻，易引发路基的下沉破坏，影响铁路正常运营。

关于严寒地区的软土，前人进行了许多研究，如由国华等[3]对哈尔滨地区软土的特性进行了研究；程培峰等[4]对严寒地区软土的固结变形特性进行了分析；刘红军等[5]对严寒地区软土地基沉降预测问题进行探讨；陶夏新等[6]对严寒地区软土的抗剪强度特性进行研究；崔伯民等[7]针对严寒地区软土路基进行了相关试验，并对试验结果进行了分析研究。

结合既有工程项目，针对严寒地区软土勘察的特点，采用原位测试、钻探取样及室内试验相结合的综合勘探方法，得到准确的勘察成果，并与非严寒地区软土试验资料进行比较，分析总结其工程特征，为严寒地区软土路基设计提供依据。

1 工程概况

1.1 地理位置

新建牡丹江至佳木斯客运专线地处黑龙江省东部，其中DK63+294.73～DK64+603.00段路基位于低山丘陵区，该段线位大部分处于冲洪积形成的洼地内，地形平坦，略有起伏，大部分为荒地及林地，软土分布广泛。

1.2 气象资料

该工点所属区域为中温带大陆湿润性气候区，冬季受极地大陆气团控制，严寒干燥；夏季受副热带海洋气团的影响，炎热多雨；春秋两季因冬夏季风交替，气候多变；春季多大风，降水少蒸发快，易发生干旱，秋季多寒潮侵袭，降温急剧，易发生冻害，属严寒地区。根据收集的气象资料，该段区域最大冻结深度为2.12 m。

1.3 孔位布置原则

本次勘察阶段为定测，考虑到本次路基工点涉及填挖方段落交错间隔，且初测地层揭示不够充分，勘探孔间距控制在15～30 m，横断面勘探孔间距控制在50 m左右。

2 严寒地区软土综合勘探

图1 软土路基代表性剖面

钻探取芯能够较为直观地反映地层的分布，但在严寒地区的软土勘探中(特别是软黏性土夹层)，若在钻探取样过程中用水或温度控制不当，很容易造成局部融区或孔内冻结，使得软黏土夹层受到人为机械扰动，加之土中含粉粒 、粉砂，其固结较差，取得的样品难以反映真实的地层情况。静力触探试验能反映宏观结构对岩土性质的影响，尤其对采样困难的软弱夹层反应灵敏，容易发现不稳定层次的变化及薄层软黏性土。

针对严寒地区软土地层的特点，采用钻探结合触探的方法。对于需要进行触探的孔，在冻土层采用钻探的方式(同时起到为触探引孔的作用)；冻层以下采用双桥触探试验；待达到下伏基岩深度时再改为钻探，钻进至设计孔深。二者互为验证与补充，辅以标准贯入试验和剪切波速试验，从侧面验证地层性状，配合室内试验进行定性分析。

3 勘探成果分析

3.1 地层岩性

该段区域地下水埋深较浅，勘测期间地下水位埋深0～2.2 m，为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，主要由大气降水补给，水位季节变化幅度为2.0～3.0 m。地层从上至下为第四系全新统人工填土层、第四系全新统冲洪积层、元古代花岗岩。地层分布见表1，代表性剖面见图1。

表1 地层岩性特征 m

软土主要为②15淤泥质黏土和②25淤泥质粉质黏土，详细特征如下。

②15淤泥质黏土：黑灰色，褐灰色，流塑状，土质不均，含腐殖质，略具腥臭味，该层在场地范围内局部以透镜体形式分布。

②25淤泥质粉质黏土：黑灰色，褐灰色，灰黑色，流塑状，土质不均，含腐殖物，略有腥臭味，该层在场地范围内多处分布，部分地段呈连续分布状态。

3.2 指标统计分析

该路基段软土层共完成钻探取样16组，进行了天然密度、天然含水量、孔隙比、液性指数、塑性指数、天然快剪、有机质含量和压缩系数等试验，其物理指标统计见表2。与其他地区软土指标的对比见表3[8-11]，总结出该段严寒地区软土存在如下特征。

(1)含水量较高

该段软土的含水量大于38%，同时液性指数(IL)标准值大于0.9，表明其天然含水率较高且接近液限。将本次勘察与其他地区软土含水量进行对比(见图2)，有如下特点：

①该段严寒地区软土的含水量平均值相较于非严寒北方地区软土差异不明显，但相较于南方地区软土，其含水量要低得多。

②通过图2中各地区软土含水量最小值及最大值的比较，该段严寒地区软土的含水量变化幅值小于北方非严寒地区，南方地区软土含水量变化幅值均大于北方地区，这说明相较于北方地区，南方地区软土的孔隙更发育。

图2 各地区软土含水量柱状图

(2)压缩性高

该段软土的孔隙比e>1，同时压缩系数α0.1-0.2>0.5 MPa-1，表明其属于高压缩性土，在承受上部荷载的过程中易产生较大沉降。该段软土与其他地区软土压缩指标的比较分析如图3，可得出：

①相较于其他地区，该段严寒地区软土的α0.1-0.2较小， 压缩模量Es0.1-0.2较大，表明其压缩性低于其他非严寒地区软土。

②北方地区的软土压缩指标相较于南方地区，α0.1-0.2更低，Es0.1-0.2更大，说明南方地区软土的压缩性更高。

由图4及图5可知，该段软土的孔隙比e与压缩系数α0.1-0.2及压缩模量Es0.1-0.2具有较好的相关性：

①孔隙比e与Es0.1-0.2呈幂相关，相关指数R2为0.795，回归方程为

Es=3.446e-0.523

(1)

②孔隙比e与α0.1-0.2呈线性关系，相关指数R2为0.765，回归方程为

α=0.568e+0.013 5

(2)

图3 各地区软土压缩指标关系

图4 本次勘察软土孔隙比与压缩模量关系

图5 本次勘察软土孔隙比与压缩系数关系

(3)抗剪强度低

该段软土的内摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，其抗剪切能力较差，在路基施工及运行过程中易造成滑移失稳及不均匀沉降。该段软土与其他地区软土的剪切指标见图6，经比较可以得出：该严寒地区淤泥质黏土的黏聚力Cq大于其他地区，北方地区软土的Cq值较之南方地区普遍更大，表明其强度更高。

图6 各地区软土剪切指标

由图7及图8可知，该段软土的液性指数IL与内摩擦角Φq及黏聚力Cq的对数存在一定的相关性，其关系式为

lg(Φq)=1.148IL-0.307

(3)

lg(Cq)=0.353IL+0.888

(4)

图7 本次勘察软土液性指数与内摩擦角关系

图8 本次勘察软土液性指数与黏聚力关系

表2 软土地层物理指标统计

表3 其他地区软土地层物理指标统计

(4)有机质含量高

该段软土的有机质含量为8.27%～19.83%，属高有机质土及泥炭土。较高的有机质含量会使土体抗压强度下降，产生较大沉降。

(5)强冻胀性

经过试验判别，该段软土表层淤泥质粉质黏土具Ⅳ级强冻胀性～Ⅴ级特强冻胀性，表层淤泥质黏土具Ⅳ级强冻胀性。

3.3 原位测试成果

(1)标准贯入试验

该软土路基段共完成标准贯入试验252次，其中淤泥质土层范围内20次，其标准贯入击数指标见表4。从统计结果可以看出，严寒地区软土层的标贯击数偏大，分析其原因，可能为土层中存在砂土薄层，致使土层不均，加之勘探时间为初冬，受土壤冻结影响所致。

表4 标准贯入指标统计

(2)静力触探试验

该段共选取12孔进行双桥静力触探，淤泥质土层指标见表5。由表5可以看出，两层土的触探锥尖阻力qc<0.7 MPa，根据规范判定为软土，触探试验也验证了该软土的分布。

表5 软土地层触探指标统计

3.4 地层承载力

通过室内试验、标准贯入试验、静力触探试验等多种方式计算严寒地区软土地层承载力特征值。

(1)室内试验法

室内试验得到的孔隙比e及液性指数IL，根据《岩土工程勘察规范》中承载力推荐表，采用内插法计算[12]。

(2)标准贯入法

对标准贯入击数N进行修正，再根据《建筑地基基础设计规范》计算[13]

fak=105+20(Nc-3)

(5)

(3)静力触探法

按照《软土地区岩土工程勘察规范》，对于黏性土、粉土和砂土，无当地经验时可以采用式(6)估算[14]

fak=29+0.072qc

(6)

采用以上方法计算地层承载力特征值的结果见表6，由表6可知，本次严寒地区软土承载力推荐范围为62.1～118 kPa。由于土层中存在砂土薄层及季节影响，使得本次标贯击数偏大；土样在取样及运输过程中受到扰动，存在部分失水，导致室内试验含水量偏低，使得地层承载力特征值偏大。静力触探过程中土样受到的扰动较小，得到的地层承载力特征值较为真实合理。综合考虑，建议本段软土承载力特征值可取为70 kPa。

表6 地层承载力特征值计算 kPa

4 建议处理方案

对沿线分布的软土进行综合勘探分析，确定了其分布范围、埋深及相关设计参数指标。严寒地区软土路基的施工处理过程中，需特别考虑冻胀及冻融问题，防止因冻胀而导致轨道抬升或因冻融导致的不规则沉降。结合相关工程经验[15-18]，对处理方案提出如下建议：

(1)对于埋深小于3 m的软土层，应采用挖除换填加固的处理措施。挖除软土前应提前挖好排水沟，排除地表水以及尽可能的降低地下水位；若降水效果不理想，可在挖除软弱土至透水性好的砂土层后，基底先采用50 cm毛石填筑，压实后再采用砂砾分层填筑。换填至地面高程后压实，再铺设一层土工格栅。

(2)对于埋深大于3 m的软土层，选用CFG桩加固的处理措施，桩径为0.5 m，桩间距控制在2 m以内，正方形布置。桩顶设置C35钢筋混凝土桩帽，桩帽上铺设0.5 m厚碎石垫层，垫层内加铺一层土工格栅(100 kN/m)。

(3)路堤基床表层取0.7 m，采用级配碎石掺5%水泥填筑，基床底层厚度取2.3 m，上部1.8 m 采用非冻胀A、B组土填筑，其下0.5 m采用A、B组土填筑。基床以下填筑A，B组和C组碎石、砾石类填料。

(4)路堤边坡坡度建议为1∶1.50，路堑边坡坡度建议为1∶1.75。线路单侧或两侧设置C35钢筋混凝土矩形侧沟，在沟下设置上覆保温板的渗水盲沟并设置保温出口，渗水盲沟每隔25 m设置一处检查井。

(5)施工应避开雨季和季节性冻土期，根据气象资料，施工宜在9月份至10月中旬期间实施。

5 结论

(1)为了研究严寒地区软土的特殊工程性质，采用工程地质测绘、原位测试、钻探取样及室内试验相结合的综合勘探方法。

(2)该地区软土含水量ω>38%，孔隙比e>1，压缩系数α0.1-0.2>0.5 MPa-1、有机质含量为8.27%～19.83%，冻胀性为Ⅳ～Ⅴ级。说明其除具有一般软土的高含水率、高压缩性、低强度和高有机质含量等特点外，还具有严寒地区特有的强冻胀性。

(3)通过分析，该地区软土的孔隙比e与压缩系数α0.1-0.2呈幂相关，与压缩模量Es0.1-0.2呈线性相关；液性指数IL与内摩擦角Φq及黏聚力Cq的对数呈线性相关。

(4)通过与非严寒地区软土比较得出，该地区软土的含水量平均值比南方地区低24%～49%，含水量变化幅值小于其他地区；压缩系数较南方地区低35%～73%，具有更低的压缩性；该段软土内摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，抗剪强度较之南方地区软土更高。