湿陷性黄土对铁路工程的影响研究

湿陷性黄土对铁路工程的影响研究

宋建波

湿陷性黄土对铁路工程的影响研究

宋建波

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津300450）

作者简介：宋建波，中铁十八局集团第五工程有限公司。

摘要：黄土在天然含水率时一般呈坚硬或硬塑状态且具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，部分黄土即使在其自重作用下也会发生剧烈的沉陷，强度也随之迅速降低。本文对黄土的成因、黄土的湿陷性及敏感性、黄土的湿陷性对桩基沉降的作用、黄土湿陷处理措施以及黄土路基工后沉降评估问题进行了分析和研究。

关键词：湿陷性；黄土；铁路工程

由于黄土特殊的工程性质(水敏性、大孔性、结构性)，黄土地区的铁路工程建设常常会出现多种工程病害，如深挖方边坡的坍塌，高填方路堤的不均匀沉降，地基承载力低，高湿度黄土中隧道的塌方和既有线黄土隧道出现拱部裂缝，桩基因负摩擦作用的变形和破坏等多方面的问题。其中黄土湿陷性问题最为突出，给铁路运营和养护带来的危害也最大。天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。当黄土作为建筑物地基时，为了恰当考虑湿陷对建筑物的影响，需采取相应的措施，分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度以及地基湿陷类型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题和工程设计的基础。

1黄土的成因

黄土是一个复杂而巨大的地质系统，因此，关于黄土成因的研究，己有百余年的历史，中外学者先后提出了十多种不同成因的假说，其中主要是风成说、水成说和多成因说三大类型。一般认为，典型的、或原生的黄土主要是风成黄土。黄土状土或次生黄土多为其他成因的黄土(如冲积，洪积，坡积，湖泊沉积，冰水沉积，洪积一坡积，洪积一冲积，残积一坡积，冲积一坡积等)或经过其它营力改造过的风成黄土。

2黄土的湿陷性及敏感性

黄土的湿陷性是指黄土在天然低湿度下往往具有明显的高强度和低压缩性，但遇水浸湿后会发生变形大幅度突增和强度也随之迅速降低的现象。对黄土湿陷性的研究，主要侧重于湿陷机理、影响因素、指标选择、评价方法以及工程应用诸方面。近年来，黄土工程性质的研究出现了由侧限压缩到三轴压缩，由常规三轴应力路径到多种复杂应力路径，由浸水湿陷量到湿陷敏感性，由狭义的浸水(饱和)湿陷到广义的增湿湿陷，由单调的增湿变形到增、减湿和间歇性的湿陷变形，由增(减)湿路径到增(减)湿路径与加(卸)荷路径的祸合，由湿陷性到湿剪性以及由宏观特性分析到宏、微观结合的力学特性分析等诸多方面的发展，丰富了对黄土湿陷性的认识，缩短了黄土湿陷性与工程实际应用之间的距离。湿陷类型和湿陷等级不能完全表达湿陷性黄土的全部工程性质，对于自重湿陷性黄土，还应研究湿陷敏感性。根据敏感性指标，可将自重湿陷性黄土地基按敏感性分为:很敏感、不很敏感、不敏感三类，对湿陷量(等级)相同但敏感性不同的自重湿陷性黄土应区别对待。

3黄土的湿陷性对桩基沉降的作用

湿陷性黄土地基中单桩在竖向荷载作用下的沉降量由桩体自身的弹性压缩变形、桩底下部土体在自重应力作用下的变形以及桩底下部土体在附加应力(包括负摩擦力)作用下的变形三部分组成。影响单桩沉降的因素很多，主要因素包括桩长、桩与土的相对压缩性、土层性质、荷载大小以及荷载作用时间、桩侧桩端各自分担的荷载比及桩侧阻力沿桩身的分布图式等。一般而言，单桩沉降量随桩的长径比和桩土刚度比的减少而增大，随桩底处持力层的弹性模量与桩周土的弹性模量之比值的增大而减小。湿陷性黄土地基中的桩基由于黄土的浸水湿陷在桩体侧壁上形成负摩擦力，负摩擦力产生的下拉荷载必然加大桩基的沉降，因此，湿陷性黄土地基中单桩的沉降量除上述这些影响因素外，还有负摩擦力的影响。所以，在验算桩基沉降时需考虑负摩擦力的作用。就黄土的湿陷性对桩基沉降的影响而言，负摩擦力值越大，中性点越低，下拉荷载就越大，对桩基沉降的影响也就越显著。黄土的湿陷性对桩基沉降的主要作用有:

①湿陷性黄土层越厚，湿陷等级越高，对桩基沉降的影响越大。

②同一种黄土，当含水率较低时，负摩擦力相对较大，对桩基沉降的影响也大，随着含水率的增大，负摩擦力会减小，对桩基沉降的影响也会减少。

③桩的长径比越小，截面刚度越大，负摩擦力越大，中性点也越深，对桩基沉降的影响也越大。

④桩底持力层的刚度越大，桩受到的负摩擦力越大，中性点深度越深，对桩基沉降的影响越大。

4黄土湿陷处理措施

当黄土地基的湿陷变形、压缩变形或承载力不能满足设计要求时，要针对不同的建筑类别和黄土的湿陷特点，采用经济合理的处理措施。目前我们已经由早期的大开挖逐渐发展到后来的垫层(灰土或砂石)、强夯(表面强夯、深孔强夯、置换强夯)、挤密(灰土桩，水泥土桩，二灰桩、DDC)、沉桩(预制打入桩、钻孔灌注桩、大径扩底灌注桩、水泥搅拌桩)、化固(单液法，双液法，碱液法，水泥浆灌注法)和预湿等，这些方法与设计中基本防水，检漏防水和严格防水等不同的等级以及施工中的施工防水等防水处理措施的结合成了黄土地基设计施工中的一个重要理念。黄土一般为粉质赫土或粉土，当用黄土直接作填料用于铁路建设当中时，其压实性质、稳定性和水稳性均较难达到路基工程的要求，因此需将黄土进行改良填筑，其黄土改良方法主要是掺加水泥、石灰等掺和料，这样改良后黄土的强度、变形特征、水稳性都会有大的改善和提高。

5黄土路基工后沉降评估

路基的变形一般可分为路基的工后沉降和路基的弹性变形及塑性变形两类。工后沉降为路基竣工开始铺轨后产生的沉降，它由路基本体的压密变形和地基的沉降变形两部分组成。实测资料表明，当填料及压实度满足要求时路基填筑部分的压密沉降仅占填土高度的0.1—0.5%，且一般在一年左右即可完成，所以，路基工后沉降主要是由地基沉降引起的沉降量。工后沉降的控制是路基上铺设无碴轨道的关键，在铺设无碴轨道之前，为保证路基的工后沉降和变形符合设计要求，必须对路基变形作系统的评估。勘察设计阶段，可根据地质条件、土层物理力学参数、填土高度、地基加固措施、工期等计算总沉降量及工后沉降量，以便选择合理的地基加固措施。由于地层的不均匀性、参数选取的精度、计算方法的局限性以及施工过程等因素的影响，设计阶段的沉降计算只能是一种估算，其精度难以满足客运专线标准要求。因此，客运专线沉降控制必须根据施工期间和路基填筑完成或施加预压荷载后不少于6个月的观测期和调整期的实测沉降数据，采用数学方法对最终沉降量、沉降速率、工后沉降量进行推算，借此确定铺轨时间。

6结语

由于黄土工程地质性质的复杂性，因此需要进一步结合区域黄土的地貌特征、成因、地层结构特征、物理力学性质和湿陷性特征对浸水试验工点湿陷性结果的差异性做出合理的

解释和分析，为铁路建设的湿陷性问题提供可靠的数据支持以及处理方法。

参考文献：

［1］铁道科学研究院高速铁路技术研究总体组．高速铁路技术［M］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］周长江．高速铁路发展概况及展望［J］．建筑设计，2005．

［3］姜志武．高速铁路发展概况［J］．科技信息，2007．

［4］钱立新．世界高速铁路技术［M］．北京:中国铁道出版社，2003．