2019 
2. 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070;
3. 兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070
膨胀泥岩是一类由强亲水性黏土矿物蒙脱石、伊利石、高岭石等组成的特殊软岩，具有吸水膨胀、失水收缩并反复变形的性质，对地基、路堑、边坡等都有潜在破坏作用，这种潜在的变形破坏常常对已竣工的建筑物造成严重的危害[1-4]，如兰新二线高速铁路在运营后发现多处路基上拱病害，且路基上拱量随着时间逐渐增长。一般情况下，对含有较少黏土矿物微弱膨胀土而言，膨胀土地基的膨胀变形对普通铁路路基影响较小，常不采取工程措施；而对高速铁路特别是无砟轨道而言，为了保证其高速高安全性的需要，对路基变形的要求极高，从扣件可调整的角度来看，路基出现膨胀后，仅有4 mm的调整空间[5]。因此对高速铁路地基膨胀泥岩而言，即使是具有微弱膨胀性也不容忽视[6]。膨胀泥岩的矿物成分和结构特征是其产生膨胀变形的内因，而水分则是土体发生膨胀变形的最主要诱发因素，土体在隔水状态下不会发生膨胀变形[7]。水文地质条件是膨胀土病害治理的重要因素，由于外部因素(如开挖路堑)导致膨胀土地基含水量变化而引起的路基上拱成为常见病害，因而有必要研究膨胀土在不同浸水方式下膨胀变形量变化规律，为膨胀土路基上拱病害的治理和预警提供参考。
国内外学者在膨胀土浸水膨胀变形及含水量变化方面进行了大量试验研究，主要集中在不同浸水方式下模型试验及竖向注水孔浸水情况下原位试验。王亮亮等[8-9]通过室内模型进行动力特性试验，发现在干燥状态、降雨和地下水位上升3种服役环境下膨胀土路堑基床变形不同；杨果林等[10-11]通过室内膨胀土路基模型试验，模拟路基在积水、降雨等情况下膨胀土路基中含水量的变化规律、水的入渗速度、路基的胀缩变形规律等；宋卫康等[12]通过渗透试验箱进行了膨胀土大型渗透试验，研究了在渗透过程中土体体积含水量、相对湿度、吸力、温度和表面竖向位移的变化。翟聚云等[13]通过等温条件下膨胀土土样进行水分迁移的试验，认为土质情况、含水量梯度和含水量水平对气态水迁移和气液水分混合迁移的迁移量均有较大影响。陈伟志等[14]通过砂孔、砂槽等多面浸水情况下现场膨胀土地基浸水试验，研究了膨胀土地基膨胀变形特征及浸水过程中土壤水分变化规律等。戴张俊等[15]通过压力板试验与双环注水试验，对比研究不同性质膨胀土和膨胀岩的持水性能及影响因素。但对水分在膨胀土沿水平、深度方向的迁移及衰减变化规律研究成果较少，水分缓慢迁移导致地基泥岩持续膨胀变形，因而研究渗水规律对预测和治理无砟轨道地基膨胀土上拱病害有重要意义。
本文依托兰新二线高速铁路，以沿线某典型膨胀地段膨胀泥岩为研究对象，通过侧向注水管浸水试验研究水分随水平距离、深度变化迁移规律及膨胀变形规律，以及顶部浸水下水分随深度的迁移规律及膨胀变形规律，为防治高速铁路无砟轨道地基泥岩上拱病害提供理论支撑。
1 室内试验 1.1 试验材料及设备试验所用土样取自兰新二线沿线某典型膨胀地段，挑选含砂石等杂物较少的原状泥岩砸碎成重塑土，过2.5 mm筛子，在自然状态下风干，为保证各组试验土样黏土矿物含量等自身膨胀特性相同，称取总土样后进行充分混合，测其风干含水量为2.1%，按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)测得其物理指标，如表 1所示。
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表 1 土样的基本物理性质 Tab.1 Basic physical properties of soil samples |
为限制土体侧向膨胀变形，水平向渗透在由厚钢板制作的长方体内进行，顶部、侧面渗水在钢管、刚板焊接成的直径为32.5 cm、高45 cm的钢桶内进行。
1.2 试验方案及过程为研究随水平距离和深度增加水分迁移速率衰减规律，本试验采用顶部和侧面(以模拟土体无裂隙竖向渗水及土体有裂隙侧向渗水)两种浸水方式，如图 1所示，顶部浸水通过多孔薄钢板渗水，在实现均匀渗水的同时可防止水浮起渗水板；为模拟实际土体裂隙浸水多向渗透及减弱膨胀量向孔内水平向释放，侧面浸水通过埋入土体PVC注水管进行，直径为2.5 cm，水管壁周围分布有直径为3 mm渗水通道，同时为了尽量控制水分在深度方向渗入均匀，探究水分由浸水孔水平向渗流情况，考虑水压力由浸水管顶部向下呈线性增大，设计浸水管壁进水孔由底部向上孔数呈线性减小，底部开孔少，顶部开孔多。
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图 1 渗水模型试验(单位：cm) Fig.1 Seepage model test (unit:cm) |
第1组水平渗透试验土样体积为20 cm×20 cm×10 cm，百分表距离浸水管依次为5.0, 16.3和28.0 cm；第2组顶部渗水试验土样体积为φ32.5 cm×45.0 cm，湿度传感器(FDR-100土壤水分传感器)距离表面深度依次为7和43 cm，并在表面中心及垂直方向共布置3个百分表；第3组侧面渗水试验土样体积为φ32.5 cm×45.0 cm，湿度传感器距离表面深度依次为7，20和43 cm，百分表距离浸水管依次为5.0，16.0和28.0 cm；土体初始含水量为风干含水量2.1%，试验时将混合均匀的土样分5层夯实在钢桶中，夯土前将竖向渗水管按设计位置固定，湿度传感器根据设计深度埋入，3组试验干密度为1.54~1.58 g/cm3，夯土结束后开始浸水试验，浸水时始终保持土体表面以上浸水管有水。48 h内膨胀变形值≤0.01 mm、湿度传感器读数≤0.2%视为膨胀稳定。
2 结果与分析 2.1 侧限水平渗水膨胀变形速率衰减规律(1) 距离浸水管水平位置不同，膨胀时程曲线不同。图 2为距离浸水管不同水平位置泥岩膨胀时程曲线。由图 2可见：距离浸水管5.0 cm处土体膨胀变形随时间变化可大致分为2个阶段：快速膨胀阶段(3~167 h, 膨胀量占比91.1%)、稳定膨胀阶段(153~259 h，膨胀量占比8.9%)；16.3 cm处土体膨胀变形随时间变化可分为3个阶段：快速膨胀阶段(24~199 h，膨胀量占比64%)、缓慢膨胀阶段(199~298 h，膨胀量占比24.8%)、稳定膨胀阶段(298~450 h，膨胀量占比11.2%)；28 cm处土体膨胀变形随时间变化可分为3个阶段：缓慢膨胀阶段(71~259 h，膨胀量占比21%)、快速膨胀阶段(259~381 h，膨胀量占比69.5%)、稳定膨胀阶段(381~495 h，膨胀量占比9.5%)。说明距离浸水管远近不同位置处土体膨胀变形量随时间表现出不同增长规律。由图 3也可以看出，距离浸水管5.0，16.3和28.0 cm位置处土体初期膨胀过程呈现3段不同斜率的增长曲线，斜率表示平均膨胀速率，依次为0.044，0.021和0.006 mm/h，随着距离增大，初期膨胀速率逐渐减小。这与土体中水分入渗条件有关，距离浸水管5 cm处土体一直保持充分供水，且有一定水压，水分很快渗入土体导致膨胀，随着距离增大，水分迁移逐渐变缓，16.3和28.0 cm处土体膨胀变形速率也逐渐减缓。
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图 2 不同水平位置膨胀时程曲线 Fig.2 Expansion time curve at different horizontal positions |
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图 3 不同时间点土体膨胀变形在水平方向分布 Fig.3 Swelling deformation of soil distributed in horizontal direction at different time points |
(2) 距离浸水管水平位置不同，膨胀完成时间不同。距离浸水管为5.0，16.3和28.0 cm土体完成膨胀的时间分别为259，450和495 h，距离浸水管越近处土体越早完成膨胀，随着与浸水管距离增大，最终膨胀变形完成时间延长。为了形象表示不同时间点土体膨胀变形在水平方向分布变化，选取11.4，83.6，175.6，330.9和495.0 h时各位置膨胀量绘图，如图 3所示。在浸水刚开始阶段，如11.4 h时，5 cm处膨胀变形很小，16.3和28.0 cm处还未发生膨胀，3个位置膨胀变形近似水平线；随着时间的推移，5 cm处膨胀变形快速增长，16.3和28.0 cm处膨胀变形开始增加，3个位置膨胀变形近似斜线；495.0 h时，28 cm处土体完成膨胀，此时3个位置膨胀变形又近似水平线。即3个位置土体膨胀在水平方向上随时间变化过程为：水平线-斜线-水平线。
(3) 距离浸水管水平位置不同，水分迁移至该位置处的时间也不同。距离浸水管为5.0，16.3和28.0 cm土体开始膨胀的时间(以百分表读数开始变化为依据)分别为3.7，26.2，28.9和71.1h，与浸水管距离越远，土体开始膨胀的时间越迟，即水分迁移至该处的时间越长。为了表示水平渗水膨胀变形速率衰减规律，根据与浸水管水平距离的不同，将水平渗透距离划分为3段：进水管—S1，S1—S2(S3)，S2(S3)—S4，3段水平长度分别为5.0，11.3和11.7 cm，每一段近端开始膨胀至远端开始膨胀所用时间分别为3.67，23.88和42.53 h，为直观比较不同段水分迁移快慢，本文定义每一段近端开始膨胀至远端开始膨胀时间除以这段距离为水分初期平均迁移速率k，3段平均迁移速率k依次为3.78×10-4 ，1.31×10-4和7.64×10-5 cm/s，随着水平段距离浸水管越远，平均迁移速率越小，说明水分迁移速率随远离浸水管距离长度呈衰减变化。距离浸水管较近时，水分供给充足，且具有一定水压，加之土体初期含水量较低吸力较大，水分迁移较快；距离浸水管越远，土体水分迁移主要为含水量梯度分布引起的吸力不同，且含水量随与浸水管距离增大呈减小趋势。
2.2 侧限竖向渗水速率衰减规律图 4为顶部渗水膨胀变形时程曲线。由图 4可知，1#~3#百分表均表现为相同变化规律，且最终最大膨胀量为最小膨胀量9.6%，三者膨胀量接近，表明不同位置土体夯实比较均匀，平均膨胀量为16.76 mm。膨胀变形时程曲线可分为3个阶段：快速膨胀阶段(0~43.67 h，膨胀量占比75.7%)、缓慢膨胀阶段(43.67~93.17 h，膨胀量占比15%)、稳定膨胀阶段(93.70~291.17 h，膨胀量占比9.3%)，3个阶段所用时间分别为43.67，49.50和187.47 h。由于试验夯土过程影响，上部土体相比下部土体密实度较小，顶部浸水时水分很快渗入土体，引起上部土体较快增长，随着浸水量继续增加，上层土体很快达到饱和状态，且顶部出现一层水膜，渗透性降低，而下层土体水分需经过上层土体渗入，这样导致渗入下层土体时间变长，且下层土体夯实密实度大、上覆自重影响更难渗入，因而后期膨胀变形时间变长。
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图 4 顶部渗水膨胀时程曲线 Fig.4 Expansion time curve under top soaking |
以图 2和图 4为例对比水平渗透和顶部渗透膨胀时程曲线，侧向浸水方式下不同位置处土体膨胀时程曲线表现不同，而顶部浸水方式下表现相同，两者不同是由于侧向浸水时水分沿土体水平渗透，距离浸水管位置不同，水分渗流至该处的时间不同，顶部浸水时水分沿深度方向渗流，水分在水平方向分布均匀。侧向浸水时距离浸水管较近处土体前期快速膨胀，后期逐渐变缓，直至稳定；距离浸水管远处土体前期缓慢膨胀，后期逐渐加快，再变缓后稳定；由上述可知，侧向浸水距离浸水管较近处土体膨胀时程曲线与顶部渗透相似，但初期膨胀速率不同，距离浸水管5.0，16.3和28.0 cm位置处初期平均膨胀速率为0.044，0.021和0.006 mm/h，随着距离增大，初期膨胀速率逐渐减小，顶部浸水时前期平均膨胀速率为0.291 mm/h，顶部浸水初期膨胀速率大于侧向浸水，这主要是由于顶部浸水时土体渗水面积大，且上部土体干密度小，渗透速率大，渗水速度快，膨胀速率大；侧向浸水时浸水管侧壁孔为渗水通道，渗水面积小，且由于浸水管底部水压大，水分首先渗入下部土体，而下部土体干密度大，渗透速率小，渗水速度慢，膨胀速率小。
图 5为距离表面不同深度处含水量随时间变化曲线。可以看出，距离表面7和43 cm深度处湿度传感器读数开始变化时间分别为19.67和159.67 h，体积含水量分别为10.1%和11.3%，最终达到膨胀稳定时体积含水量分别为36.46%和32.43%。随着深度增加，水分迁移至该处的时间延长。试验中测得湿度传感器初次读数即达到10%以上，这是因为读数间隔为2 h，且试验中干土吸力较大，水分到达该处时迅速渗入土体，很快达到较大含水量。对数据进一步分析可知，沿深度方向上可以分为2段：0~7 cm和7~43 cm，两段竖向长度为7和36 cm，其上端开始膨胀至下端开始膨胀所用时间分别为19.67和140.00 h，水分初期平均迁移速率k分别为10.23×10-5和7.14×10-5 cm/s，随着深度增加，水分迁移速率逐渐减小。这是因为试验分层夯实时，下部土体较上部土体更密实，且下部土体受上部土体自重影响；另一方面，水分经上部土体迁移至下部土体，而上部土体首先达到饱和，渗透速率降低，导致下部土体浸水变慢。
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图 5 顶部渗水不同位置含水量随时间变化 Fig.5 Water content variation with time at different positions of top soaking |
图 6为距离浸水管不同水平位置泥岩膨胀时程曲线。由图 6可以看出：(1)距离浸水管5，16和28 cm处土体最终膨胀量依次为16.23，15.77和15.06 mm，三者膨胀量接近，表明不同位置土体夯实比较均匀，平均膨胀量为15.69 mm；距离浸水管5 cm处土体膨胀变形随时间变化可分为快速膨胀阶段、缓慢膨胀阶段、稳定膨胀阶段；距离浸水管16和28 cm处土体首先进入缓慢膨胀阶段，且距离越远，缓慢膨胀阶段时间越长，之后进入快速膨胀、缓慢膨胀、稳定膨胀阶段。这是由于水分从浸水管开始由近至远迁移，且距离浸水管处土体首先达到饱和，渗透性降低，影响远处土体水分迁移速度。(2)距离浸水管水平位置不同，水分迁移至该位置处的时间也不同。距离浸水管为5，16和28 cm土体开始膨胀的时间分别为5.50，34.33和89.50 h，随着离浸水管距离越远，土体开始膨胀的时间越迟，水分迁移至该处所用时间越长。为了表示水平渗水膨胀变形速率衰减规律，根据离浸水管不同距离水平位置，将水平渗透距离划分为3段：进水管—S1，S1—S2和S2—S3，3段水平长度分别为5，11和14 cm，每一段近端开始膨胀至远端开始膨胀所用时间分别为5.50，28.83和55.17 h，3段水分初期平均迁移速率k依次为2.52×10-4，1.06×10-4和7.05×10-5 cm/s，水平段距离浸水管越远，平均迁移速率逐渐减小，说明水分迁移速率随距离浸水管长度呈衰减变化。
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图 6 不同水平位置膨胀时程曲线 Fig.6 Expansion time curve at different horizontal positions |
图 7为距离表面不同深度处含水量随时间变化曲线。由图 7可知，距离表面7，20和28 cm深度处湿度传感器读数开始变化时间依次为83.67，104.33和34.33 h，体积含水量分别为12.25%，10.58%和11.21%。可以看出，距离表面28 cm深度处土体首先渗入水分，接着为距离表面7 cm深度处土体渗入水分，最后为距离表面20 cm深度处土体渗入水分。这可能是因为浸水管中由于水的自重影响，使得下部土体在较大水压力下渗入较多水分，因而下部湿度传感器最先有读数；另一方面，试验中夯土时上部土体较下部土体密实度小，水分渗透较容易，因而距离表面7 cm深度处土体较20 cm深度处土体先渗入水分。
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图 7 不同深度处含水量随时间变化曲线 Fig.7 Curve of water content with time at different depths |
(1) 与浸水管水平距离不同，膨胀时程曲线表现不同。与浸水管水平距离越远，土体初期膨胀速度越缓慢，呈衰减趋势变化，试验所得重塑泥岩侧向及顶部浸水初期平均膨胀速率分别为0.044~0.006 mm/h和0.291 mm/h。
(2) 通过对试验数据进一步分析，提出用初期平均渗透系数表示水分迁移速率衰减规律，计算可得不同段水分平均迁移速率为3.78×10-4~7.05×10-5 cm/s，迁移速率随与浸水管水平距离增加呈衰减趋势，随深度增加亦呈衰减趋势，由于试验浸水条件与实际工程有差异，需进一步探究和对比原状泥岩实际浸水膨胀与渗透速率，为地基泥岩上拱病害治理及预警提供理论支撑。
(3) 侧面浸水时含水量沿深度方向渗入土体顺序为：底部-上部-中部，对于裂隙较多膨胀泥岩浸水时，首先引起下部土体膨胀。
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2. Key Laboratory of Road & Bridges and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;
3. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China