膨胀土是指土中黏粒成分主要由伊利石、蒙脱石等亲水矿物组成, 具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水收缩、开裂, 并能产生往复胀缩变形的黏性土^[1]。由于对膨胀土性质认识不足加上工程设计中对膨胀土路基的重视程度不够, 膨胀土的不良工程特性使得已建工程出现不同程度的纵裂、不均匀沉降、滑坡等病害^[2,3,4]。高速铁路对轨道的平顺性要求极为严格, 目前针对膨胀岩 (土) 的研究主要集中于有砟轨道铁路路基, 对无砟轨道路基却缺乏研究^[5]。在设计方面, 对膨胀土路基现阶段仍采用统一化、规范化的设计理念, 使得不同地区、不同地质状况下的膨胀土得不到针对性治理。对于膨胀土路基, 一般采用换填、湿度控制、改性处理等^{[5,6,7,8,9,10]}, 没有对特定膨胀土、特定地质状况提出针对性的解决方案。

本文结合工程实例, 对辽沈地区全风化安山岩进行了一系列试验研究, 在掌握其工程特性后, 对设计时速350km京沈客运专线辽宁段膨胀性路基提出针对不同路基类型、不同地下水位的设计处理方案, 并取得良好效果。

京沈客运专线兴隆西—沈阳段, 自北京、河北分界DIK92+577.000—哈大K395+271.072, 正线长度593.369km, 运营长度598.826km。

本文研究区域线路里程DK576+300.00—DK578+164.55, 主要位于辽宁省阜新市境内。基岩为全风化安山岩, 具有中等～强膨胀性, 不满足高速铁路路基填料要求, 需对路基进行针对性设计。

地下水主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙潜水、碳酸盐岩裂隙岩溶水, 其中第四系孔隙潜水按赋存形式分为2种: (1) 河谷平原松散堆积物中的孔隙水, 含水层总厚度一般为30～100m, 水量较丰富, 一般不存在隔水层, 地下水埋藏较浅, 深度为1～10m; (2) 山间沟谷、山前坡地及丘间平原第四系松散堆积物中的孔隙潜水, 含水层为砂类土及碎石类土, 含水层总厚度一般为5～50m, 地下水埋藏深度变化较大, 一般为2～30m。

测定填料在90%压实系数条件下, 浸水48h以上后侧限无限大时的径向膨胀量为Δh及膨胀率为Δh/h。主要试验仪器有钢筒 (直径d=150mm, 高度h=116mm) 、千分表、浸水槽 (见图1) 。

共完成模拟路基填筑体原位膨胀性试验17组, 其中TJ-10标已填筑样品8组, DK503—DK573边坡基岩样品9组。

表1表明, 沿线安山岩全风化层的膨胀性具有不均一性, 其膨胀性物质的来源主要为安山岩及夹杂的易风化的玄武岩、凝灰岩与气孔状安山岩。

TJ-9标部分基岩填料级配曲线如图2所示, TJ-9标部分基岩填料及膨胀性试验数据如表2所示。数据显示安山岩和凝灰岩基岩全风化层细颗粒 (粒径<0.075mm) 含量为39.2%～84.2%, 均>30%, 侧限无穷大膨胀率为5%～30%。可见, 细颗粒含量较高时, 侧限无穷大膨胀量总体增大, 安山岩基岩全风化层不能用于填料生产。

TJ-10标14组已填筑及备料的膨胀性试验数据如表3所示, 数据显示所取样品细颗粒含量 (粒径<0.075mm) 为0～16.3%, 侧限无穷大膨胀率为0～1.993%, 膨胀率相对较小。因此, 当主要用安山岩弱风化层加工填料, 细颗粒含量 (粒径<0.075mm) <10%时, 符合A, B组填料要求。

京沈客运专线辽宁段全风化安山岩路基工点共25处、54段, 其中路堤25段共10.34km, 路堑29段共5.85km, 分布里程为DK334—DK600。本文针对路堑地段和路堤地段不同水位高度提出膨胀岩 (土) 路基设计方案。

混凝土基床 (C35混凝土、C20混凝土及0.25m厚碎石垫层) 下设置0.25m厚3∶7灰土垫层;混凝土基床两侧设置预制块铺面+两布一膜不透水土工布, 具体为表面设置20cm×10cm×5cm预制C30混凝土块铺面, 其下设置10cm厚砂砾垫层, 垫层底面设置1层两布一膜土工布, 土工布以下设置10cm厚3∶7灰土垫层;侧沟平台采用0.2m厚C25混凝土全部封闭;侧沟外设置不透水土工布及0.1m厚C35混凝土包裹层。横断面设计如图3a所示。

基床表层设置防排水系统:混凝土基床两侧设置预制块铺面+两布一膜不透水土工布, 具体为表面设置20cm×10cm×5cm预制C30混凝土块铺面, 其下设置10cm厚砂砾垫层, 垫层底面设置1层两布一膜土工布, 土工布以下设置10cm厚3∶7灰土垫层;路堤坡脚平台采用0.2m厚C25混凝土全部封闭。

路堤膨胀岩 (土) 地段除表层外, 未采取进一步加固措施 (见图3b) 。《新建北京至沈阳铁路客运专线 (辽宁段) 站前工程施工图设计原则专家审查意见》中路基第 (4) 条也认为“膨胀土 (岩) 路堤基底可考虑不设垫层”。

为阻止地表水下渗, 基底设置3∶7灰土垫层, 并于3∶7灰土垫层顶面铺设0.2m厚中粗砂内夹铺1层不透水土工膜。路堤坡脚平台采用C25混凝土全坡面防护, 平台及线路排水沟下设置0.2m厚3∶7灰土垫层。换填3∶7灰土厚度同路堑地段原则。辽宁段采用此方案106段共17.525km (见图4a) 。

首先考虑将膨胀性岩层全部换填;若不能全部换填, 则换填至稳定水位减平均变幅处。换填底面至地面以上0.5m范围内填筑A, B组土 (细粒土含量<10%) 。路堤坡脚平台采用C25混凝土全坡面防护, 平台及线路排水沟下设置0.2m厚3∶7灰土垫层。辽宁段采用此方案7段共558m (见图4b) 。膨胀岩 (土) 补强措施方案设计如表5所示。膨胀性填料使用部位路堤横断面如图5所示。

京沈客运专线辽宁公司在沈阳组织召开的专家论证会的专家意见, 形成最终设计方案: (1) 全风化安山岩厚度<3m, 维持施工图设计; (2) 全风化安山岩厚度>3m且<6m, 边坡采用锚杆框架梁防护; (3) 全风化安山岩厚度>6m, 按照施工图设计原则放缓边坡坡率。弱膨胀时, 边坡坡率采用1∶1.5;中膨胀时, 坡率采用1∶2.0;强膨胀时, 坡率采用1∶2.5。

含膨胀性质的填料采用“包填”方法将其填筑在路基外侧非核心区域, 此时只可能存在较小膨胀变形, 膨胀隐患小, 不会影响边坡稳定性。

1) 安山岩和凝灰岩基岩全风化层细颗粒 (粒径<0.075mm) 含量为39.2%～84.2%, 均>30%, 侧限无穷大膨胀率为5%～30%;弱风化安山岩细颗粒含量 (粒径<0.075mm) 为0～16.3%, 侧限无穷大膨胀率为0～1.993%, 膨胀率相对较小。

2) 膨胀岩 (土) 特性和地下 (地表) 水是影响膨胀土路基变形和稳定性的主要原因, 对于一般膨胀土路堑和膨胀土路堤, 采用砂砾垫层、3∶7灰土垫层、两布一膜和混凝土预制块的有机组合结构, 配合纵向排水沟和侧沟混凝土包裹层, 能有效治理膨胀土不良路基。

3) 对于地质条件差、地下水位变化差异大的路段, 需按实际情况采取补强措施。对于路堑路段可按路基膨胀岩等级进行换填或增加3∶7灰土垫层厚度, 对于路堤路段需考虑地下水位的影响进行换填A/B组土、加设防水土工布和混凝土全坡面防护。

4) 含膨胀性质的填料采用“包填”方法将其填筑在路基外侧非核心区域, 坡率按照膨胀土等级设置。