王 拓

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

近年来，随着国内高速铁路速度的提高，对地基沉降的要求越来越高。膨润土作为一种强吸水性、高胀缩性土体，在其遇水时，会产生显著的膨胀性；在其失水时，会产生较大的收缩性。干湿循环下，会产生明显的胀缩效应，对铁路路基造成不利影响。

国内外学者对膨润土进行了大量的研究，胡桂阳等[1]对膨润土混合物进行膨胀变形试验，探究不同初始含水率对膨润土变形的影响；王志俭等研究不同含水率和干密度对膨润土混合物膨胀特性的影响[2]；孙德安等建立了膨润土膨胀变形的计算模型[3]；王东伟等开展了一系列室内干燥试验，研究膨胀土干缩变形特性，测定了膨胀土的收缩特征曲线[4]。目前，相关研究多集中在膨润土膨胀特性[5-6]以及其他膨胀土地基方面[7-10]，针对膨润土地基的研究较少。

以潍坊至莱西高速铁路(以下简称潍莱铁路)工程为依托，在潍莱铁路膨润土试验段进行填筑期内的现场监测[11]，通过对监测数据的采集和处理分析，研究路基填筑过程中膨润土地基的变形特性。

1 现场概况及监测方案

潍莱铁路为设计速度350 km/h双线无砟高速铁路，线间距为5.0 m，最小曲线半径为7 000 m，最大坡度为20‰。

1.1 现场概况

膨润土试验段地势平坦，地表大多为耕地，局部有膨润土分布，其主要成分为凝灰质角砾岩和膨润土化凝灰岩，工程性质较差。

试验段范围内表层覆盖全新统人工堆积层杂填土、素填土，层厚0～4.8 m；第四系全新统冲洪积粉质黏土；下伏白垩系下统青山组凝灰岩、凝灰质角砾岩、膨润土化凝灰岩及膨润土化凝灰质角砾岩[12]。

其中，沿线分布的膨润土化凝灰岩及膨润土化凝灰质角砾岩，遇水膨胀性强。根据取样后的膨胀性试验数据，其自由膨胀率Fs=25%～41%，蒙脱石含量M=21.35%～41.85%，阳离子交换量CEC(NH4+)=200.97～531.35 mmol/kg，依据《铁路工程特殊岩土勘察规程》中有关内容，判定其具有中等-强膨胀性。

试验段属温带亚湿润气候，春秋干旱少雨，夏季炎热多雨，季节分明。年平均降水量约600 mm，土壤最大冻结深度为0.51 m。地下水为基岩裂隙水，地下水位埋深为2.6～5.4 m，地下水位季节变化幅度为2～4 m。

1.2 监测方案

试验段为路堤，监测断面填高约为8.5 m。该监测断面上覆粉质黏土，下伏全风化膨润土化凝灰质角砾岩、强风化膨润土化凝灰质角砾岩，路堤两侧边坡自基床表层以下至坡脚处每隔0.6 m铺设1层双向土工格栅，宽3 m，每隔1.2 m通铺1层单向土工格栅。路基基底采用钻孔灌注桩加固，正方形布置，桩径0.8 m，桩间距6.0 m，桩长8～10 m，桩顶处由下至上分别设置0.5 m厚三七灰土垫层、0.2 m厚碎石垫层以及0.05 m厚C20素混凝土垫层，垫层顶设置厚0.8 m的C40钢筋混凝土板。

现场监测主要通过多点位移计、柔性位移计以及孔隙水压力计进行。在膨润土地基中布设3组多点位移计，分别位于路基左侧坡脚、路基中心位置及路基右侧坡脚处。每组设置4通道多点位移计，最上端锚头设置于路基基底桩顶，其余3处锚头分别布设至距桩顶2.67 m、5.33 m以及8.0 m深度处。

柔性位移计布设于钢筋混凝土板顶部第1层通铺土工格栅处，横向等间距布置，数量为6组。

孔隙水压力计布设于膨润土地基中，布置深度分别为15 m、17 m、19 m、21 m、23 m、25 m，沿线路纵向方向间距为2 m。

路堤形式及各处监测元器件的布设位置如图1所示。

现场监测自开工之日开始，整个监测过程持续约40 d，其中前30 d为路基填筑期。现场监测采用多点位移计观测地基沉降，柔性应变计观测土工格栅变形，孔隙水压力计观测土体孔隙水压力。

2 现场监测结果及分析

2.1 多点位移计结果及分析

图1 监测元器件布置示意(单位：m)

分别提取路基中心及坡脚以下地基多点位移计的监测数据，得到地基分层沉降数据，如图2、图3所示。

图2 路基中心处地基沉降曲线

图3 坡脚处地基沉降曲线

由图2、图3可知，在路基填筑过程中，路基中心处地基沉降发生变化，初始沉降均为0，埋深2.67 m处沉降增至5 mm，埋深5.33 m处沉降增至10 mm，埋深8.0 m处沉降增至15 mm，3组分层沉降基本均匀。在16 d时，3组多点位移计的数据分别为3.514 mm、7.220 mm、10.99 mm，占填筑期地基总沉降的70%左右，此时路基填筑高度为6.3 m，地基沉降由开始时短时间内的快速增长逐渐趋于缓慢增长至收敛。

随着路基填筑的进行，上覆荷载增加，地基沉降逐渐增大。沉降没有随着上覆荷载的增加呈线性增长，而是存在1个较为明显的拐点。由此说明，上覆荷载对膨润土地基沉降具有一定的影响，在填高达到一定高度后，地基沉降增长速率降低且随着时间逐渐趋于稳定。上覆荷载较小(即填高较低)时，地基沉降增长速率较快。

地基分层沉降并没有显示出明显的差异，即每层沉降较为均匀。这是由于本试验段采用桩板结构加固[13]，加固区内的地基附加应力传递到桩身，并由桩身传递到桩端。即使是历经干湿循环，加固区内的地基并未显示出明显的胀缩特性。

路基坡脚处与中心处地基沉降趋势大体相同，初始沉降均为0，埋深2.67 m处沉降增至4 mm，埋深5.33 m处沉降增至8 mm，埋深8.0 m处沉降增至12 mm，3组分层沉降基本均匀。但坡脚处沉降变化速率及沉降值均较中心处略小，地基沉降呈现出两端小中心大的现象，路基中心位置处上覆荷载最大，坡脚处最小，说明膨润土地基沉降受上覆荷载影响较大[14-15]。且由于膨润土地基的胀缩特性，坡脚处地基在路基填筑时更容易与水接触，使得膨润土遇水膨胀，出现了上拱现象，导致地基沉降有所减小。

2.2 柔性位移计结果及分析

通过钢筋混凝土板顶部土工格栅处柔性位移计的监测，得到各处土工格栅柔性位移，如图4所示。

图4 土工格栅柔性位移曲线

土工格栅柔性位移初始均为0，在路基填筑过程中，③、④号土工格栅柔性位移增至约1.1 mm，②、⑤号土工格栅柔性位移增至约0.8 mm，①、⑥号土工格栅柔性位移增至约0.6 mm，6组土工格栅柔性位移大体呈线性增长趋势，并未出现突变增长期，且在填筑结束后达到稳定状态。

填筑初期，土工格栅变形与地基沉降有着相似的变化趋势，即随着上覆荷载的增加，格栅变形逐渐增大。但当地基沉降达到拐点后，格栅沉降并未出现拐点，而是继续以较为均匀的变形直至填筑结束。

这说明钢筋混凝土板顶部处的土工格栅为持续受拉状态，并随着路基填筑的进行，柔性位移逐渐增大。与地基变形不同，土工格栅产生了较为均匀的变形，说明桩板结构的刚性加固方式消除了膨润土地基变形对路基本体的影响，土工格栅的变形随荷载的增加而增大，同时这也使得路基荷载均匀的作用在地基上。

由于路基中心位置荷载最大，且荷载由中心向两侧递减，土工格栅变形显示出自路基中心向两侧逐渐衰减的现象。

2.3 孔隙水压力计结果及分析

通过地基土的孔隙水压力计的监测，得到不同深度孔隙水压力的变化情况，如图5所示。

图5 地基孔隙水压力

填筑过程中，孔隙水压力由初始值110～210 kPa逐渐增大，初始增长较快，随后增长率逐渐变缓，20 d时，埋深15～25 m处的孔隙水压力最大值可达115～215 kPa。40 d时，孔隙水压力逐渐出现稳定趋势。孔隙水压力随埋深增加而增大，且基本与埋深成正比例。各埋深处孔隙水压力随路基填筑的变化规律基本相同。

填筑初期，孔隙水压力随着填筑的进行呈现逐渐增大趋势，说明由于上覆荷载的增大，导致膨润土土体受到挤压，微孔隙减小，孔隙水压力增大，此时孔隙水压力增长较快。但随后孔隙水压力增长速率逐渐放缓，在此阶段地基沉降速率也逐渐变缓，这说明膨润土地基沉降与孔隙水压力密切相关，孔隙水压力的变化反映出膨润土地基沉降的变化情况。

随着填筑的进行，孔隙水压力增大速率减小，这时膨润土地基沉降速率明显降低。当孔隙水压力稳定后，地基沉降也趋于收敛。由此可见，膨润土地基排水固结为地基沉降的主要过程，孔隙水压力的逐渐收敛使得地基沉降逐渐趋于稳定。

3 结语

(1)潍莱铁路试验段通过桩板加固等措施，对膨润土地基沉降控制较好，加固效果明显。随着路基填筑荷载的增加，地基沉降逐渐增大，填筑高度6 m后，地基沉降增加速率明显降低。

(2)钢筋混凝土板顶部土工格栅柔性变形均匀，呈现出由路基中心向两侧逐渐衰减的趋势。桩板结构削弱了地基沉降对路基本体的影响。

(3)膨润土地基沉降过程和孔隙水压力变化过程密切相关，当孔隙水压力稳定时，地基沉降也趋于收敛。加强防水排水可有效控制膨润土地基沉降变形。