高速铁路中等压缩性土地基工程技术研究成果

膨胀土在世界范围内分布非常广泛，我国是膨胀土分布最广的国家之一。膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。其上部的构筑物常会由于基础出现不均匀的竖向或水平的胀缩变形，而产生位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，危害性很大。修筑在膨胀土地区的路基由于膨胀土干湿效应作用，旱季土（岩）体失水收缩，微裂隙张开，为地表水渗入提供通道，雨季土体充水膨胀，强度降低，出现下沉外挤、线路走形变样、路肩隆起、侧沟破坏、道床翻浆冒泥等病害。

国外对膨胀土的研究始于20世纪50年代，建立了相应的流动理论、抗剪强度理论、塑性与极限平衡理论、固结理论和体积变化理论，加深了对膨胀土的认识，并针对膨胀土地区的公路修筑问题曾进行过多次研究，提出了换土、湿度控制、化学固化和土工合成材料加固等技术。

我国对膨胀土问题的研究亦十分重视，在膨胀土的研究现状、膨胀土的工程性质和膨胀土处理技术及工程应用等方面进行了广泛而深入的研讨。为膨胀土边坡稳定性分析、膨胀土改良处理和膨胀土地区支挡结构设计等方面，提供了不少可借鉴的经验。中国中铁二院工程集团有限责任公司依托既有的南昆铁路的修建，联合中铁工程设计咨询集团有限公司（铁专院）、中国铁道科学研究院（铁科院）西北分院、西南交通大学，围绕膨胀土路堑、路堤及基床做了大量的科研及工程试验工作。对于膨胀土路堑的破坏模式和支挡防护有了初步的认识，取得了成功的工程经验。21世纪初，西部交通建设项目开展了一系列与膨胀土相关的研究工作，其研究成果对铁路膨胀土边坡支挡和防护具有重要的指导意义。

1.2.3.1　膨胀土路堤工程

膨胀土作为不良填料，即使经过粉碎，并压实成“重塑”土，若直接用来修筑路堤，会造成大量的路堤病害。如：南昆线新建时，除少量地段采用石灰土夹层和土工格栅加固外，大部分路堤地段采用膨胀土填筑，结果是在运营初期便产生了多处大段的路堤坍滑、路堤下沉等病害。这是因为膨胀土虽经“重塑”，但其易湿胀干缩、易风化和低强度等土性并未改变。国内一些学者曾分别对原状膨胀土和重塑膨胀土进行无荷载和有荷载的膨胀试验，研究了相同初始含水率与初始干密度的两种土样，重塑膨胀土的增湿变形明显大于原状膨胀土，从而说明重塑土较原状土具有更强的胀缩性能。所以，《铁路路基设计规范》规定：“路堤基床以下部位填料，宜选用A、B、C组，如用D组应采取加固或改良。”

在膨胀土地区修筑路堤时，除了用A、B、C组填料进行换填之外，还可以考虑采取以下方法对膨胀土进行加固或改良：

1.物理化学改性

目前处理膨胀土的方法主要是物理化学改性，如掺石灰、水泥、粉煤灰、氧化钠、氯化钙和磷酸等来稳定膨胀土，其中掺石灰处理膨胀土是最普通和有效的方法，且是《公路路基设计规范》所推荐的方法。以往的处治案例有：陈善雄在襄荆高速公路用质量掺和比为5%石灰改性中膨胀土的效果显著，有效抑制其胀缩潜势和提高土体强度，能满足路堤的设计要求。杨果林在潭邵高速开展石灰改善膨胀土的研究，用掺加量为5%的石灰改性中膨胀土，改性效果显著，对膨胀土的膨胀性予以有效的处治，满足路堤的要求。陈爱军在南友公路开展了石灰改善膨胀土的研究，用石灰改良宁明灰白色膨胀土能实现土质改良的目的，研究结果表明采用5%石灰掺量的改性土，其综合效果最好。但该方法缺点也较为突出：① 天然膨胀土常处于硬塑或软塑状态，导致掺灰拌和困难、不能保证拌和效果；② 石灰的使用对生态环境有一定程度的影响。

2.封闭包盖法（包边法）

引起膨胀土路堤浅层破坏的主要原因是干湿循环作用，通过采用非膨胀土、石灰改性土或其他改性土包边对路堤进行封闭，阻隔干湿循环作用对膨胀土路堤的影响，达到稳定膨胀土路堤的目的，该法在高速公路中得到了一定应用，并取得了不少成功的经验。陈善雄在襄荆高速公路开展了中膨胀土路堤石灰包边法的研究，使用石灰掺加量为6%的石灰改性土对路堤包边，包边厚度为2.0 m，研究发现石灰包边方案能经受当地自然条件和气候条件的影响，并能保证路基的稳定和安全营运；杨果林在潭邵高速采用厚度为1.5 m的非膨胀土包盖堤身的全封闭法，取得较好的效果，能有限地保证膨胀土路堤的稳定性；郑建龙在南友公路膨胀土路段采用3.5 m厚的非膨胀土包边和路堤顶部使用1.5 m厚的非膨胀土封盖，路堤边部使用3 m宽的土工格栅包边处治膨胀土路堤等，对经此方法处治后的膨胀土路堤土体含水率的变化、强度以及总体稳定性进行分析评价，论证了这一新技术的合理性和有效性。

3.夹层法

膨胀土路基在施工阶段遇到的最大技术难题是填料含水量很高，碾压容易造成橡皮土，压不实且不均匀。为降低膨胀土的含水量，采用膨胀土和砂性土或碎石土夹层填筑，使膨胀土与其上下砂层构成双层排水，能使黏土层底部的含水量有效降低，从而达到较高的压实质量和较大的路基整体强度。该法施工最便捷、生态和经济效益好。郑建龙在南友公路膨胀土路段使用路堤顶部用1.5 m后的非膨胀土封盖，路堤边部用3 m宽的土工格栅加筋，路堤内部用填高为5 m的碎石土与膨胀土互层的方法处治膨胀土路堤，控制路堤中膨胀土湿度在一定范围内变化，从而使路堤在处治后保持足够的强度和稳定性。

交通部西部交通建设重大科技项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”遵循保湿防渗的基本原则，选取非膨胀土包边、土工格栅包边、土工布加固等措施是判定膨胀土可用于路堤填筑的。其基本思想是将膨胀土填于特定的路基部位，限制其填筑高度，同时采取有效的保湿防渗物理措施，设法控制路堤中膨胀土的湿度不产生明显变化，使路堤能够保持足够的强度与稳定性。其中：非膨胀土包边的作用是减小外界干湿循环对填芯膨胀土的影响；土工格栅包边的作用是通过土工格栅与边部膨胀土的相互咬合与摩擦，形成一种特殊的筋土混合物，对填芯膨胀土起到框箍、封闭包盖作用；土工布加固的作用是通过在膨胀土路堤中铺设土工布，切断毛细水上升，防止水分入渗。此外，间隔铺设土工布能够调节路堤内的应力分布，以减少不均匀沉降。

1.2.3.2　膨胀土基床工程

根据膨胀土路基基床的变形特点和规律，膨胀土路基基床设计，应以改良基床土性质和排除基床水为原则。除设计路基断面形式应有利于排除基床水外，还应采用基床防护加固措施，主要有以下几种类型：

1.基床换土

在路基基床表层0.6～1.2 m，一般应尽量不使用膨胀土，尤其是强膨胀土，应严格禁止使用。因此，必须采用换土措施，使用非膨胀性黏砂土或其他渗水土换填基床，同时应控制换填土的填筑密度和湿度。这种方法适用于分布有非膨胀土的地区，是一种换膨胀土基床为非膨胀土基床的有效措施。过去一般换填厚度仅为表层0.5～0.6 m，现场调查表明，此厚度远不能满足基床稳定要求。

2.掺和土

此方法一般只适宜于膨胀土地区，在基床填筑膨胀土中，将基床深度范围膨胀土挖出，掺和一定比例的石灰（如4%～8%），或掺和一定比例的砂卵石土等，再填筑夯实，可以起到改良基床土性，减弱亲水性，提高强度的作用。采用掺和土夯填基床厚度，宜不小于1.0～1.5 m。

3.混凝土封闭

此方法适用于路堑基床表层属强膨胀土，且翻浆冒泥特别严重的地区，在无其他条件时，可将强膨胀土挖出，用混凝土封闭基床，可以起到防水、防翻浆冒泥的作用。如襄渝线七里沟隧道出口路堑翻浆冒泥严重，最后即采用此措施与两侧支挡结构连成整体，效果较好，但造价较高。

4.灌 浆(www.xing528.com)

此方法主要用于整治基床道砟陷槽和道砟嚢。灌入水泥砂浆使与碎石一起固结，形成实体。成昆线、成渝线等膨胀土基床道砟陷槽采用了这一措施，效果较好。

5.排除基床积水

膨胀土路基基床无水不成害，凡是翻浆冒泥或道砟陷槽，都与基床反水不畅，大量积水有关。过去，有的单纯采用垫砟起道或填片石方法整治基床病害，而不采取排水疏干措施，大量现场实践表明，其结果是事倍功半，效果很差。目前，在膨胀土路基基床排水防护中，主要采取深侧沟、盲沟、支撑渗沟、横向排水孔道等措施加强地表排水和地下排水相结合的有效措施。

1.2.3.3　膨胀土基床防排水措施

1.日本有砟轨道高速铁路基床防排水措施

日本有砟轨道高速铁路基床采用强化基床表层，并按照填料材质不同又可划分为级配碎石基床表层和水硬性矿渣基床表层两类。日本铁路为了防止地表水或降雨下渗导致基床出现翻浆冒泥、冻胀、基床软化下沉等病害，在道砟和基床表层之间设置了基床防水封闭层，封闭层的具体设置又与基床表层填料材质有关：

当基床表层填料为级配碎石时，首先在级配碎石表面设置3%～5%的横向排水坡度，然后在基床表层表面全断面铺设高强隔水的塑料胶结合层，结合层施工结束后，再铺设5 cm厚的防水沥青混凝土层，防水沥青混凝土层表面同样设置3%～5%的横向排水坡度。

当基床表层填料为水硬性级配高炉矿渣时，仅在基床表层表面设置高强隔水的塑料胶结合层，同时要求基床表层顶面设置3%～5%的横向排水坡度。

在部分特殊路段或对基床防水有特别要求的线路区间，当基床表层填料为水硬性级配高炉矿渣时，也可在高强隔水塑料胶结合层上再铺设防水沥青混凝土层。

2.德国有砟轨道高速铁路基床防排水措施

德国有砟轨道高速铁路基床的防排水和防冻胀主要是通过合理设置基床表层来控制的。为了使渗入基床中的雨水或其他地表水能够迅速排出，德国有砟铁路基床的保护层顶面、防冻层顶面以及基床底层顶面均设置有同样的横向排水坡度（3%～4%）。

3.法国有砟轨道高速铁路基床防排水措施

法国有砟轨道高速铁路基床结构由垫层和基床底层（或路堤）组成。其中，垫层是位于道砟和土质路基之间的调整层，设有3%～5%的横向排水坡度，根据其下路基状态（不良、中等或优良）的不同而呈单层或多层，垫层总厚度应结合列车动力荷载大小、路基状态、路基土冻害敏感性等综合确定。

4.我国有砟轨道高速铁路基床防排水措施

大秦铁路中针对路基为高填方的黏性土，具有亲水性强、透水性差的特点，考虑基床防水效果和整体稳定性，最终选用了土工格栅＋土工防水膜板的复合防水结构层，此方案取得了较好的治理效果，在工程中得到了广泛应用。既有南昆铁路膨胀土路堑基床主要采用“两布一模”复合土工膜防水结构层，但在运营后调查发现土工布防水路段多处出现下沉变形、排水不畅、翻浆冒泥等病害。采用沥青混凝土进行铁路基床防水应用也较为广泛，如武广客运线、京津城际铁路、遂渝高速铁路等，从现有线路的运营情况来看，总体上效果较好，大面积水损破坏情况较少。综上所述，我国高速铁路基床防排水措施可总结如下几点：基床表层顶面和基床底层顶面均设置4%的横向排水坡度，将基床中雨水汇入侧沟或线间排水沟；对于受洪水或河流冲刷、长期浸水、雨季滞水及排水不畅地段的基床底层或路堤填料应采用渗水性材料填筑，并采取排水疏导措施；对于路堑基床，特别是膨胀土、黄土等特殊土路堑基床，应视具体情况进行挖除换填、设置隔水防渗等措施，基床以下地基土应在变形分析的基础上，采取封闭防水、排水或地基处理措施。目前，铁路上常用的基床全封闭防排水材料是复合土工膜或复合防排水板。

1.2.3.4　膨胀土变形特性研究

膨胀土的变形特性是国内外学者研究的热点之一，而且主要集中于胀缩变形特性的研究。目前，有关膨胀土胀缩变形机理的理论研究不少，但仍然没有一种可以对膨胀土的膨胀变形机理及其工程效应问题作出圆满的解释，比较普遍应用的理论有晶格扩张理论、渗透理论、双电层理论等。此外，学者们纷纷对膨胀土的胀缩变形计算方法及本构方程开展了深入研究。膨胀土胀缩变形计算方法可分为3类：一是基于含水量变化的沉降计算方法，如我国建设部的《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112）、《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》（DB45／T 396）、Nelson和Hamberg方法、陆忠伟方法、孙长龙方法、徐永福方法等；二是基于吸力变化的沉降计算方法，如Mitchell方法、Senthen和Johnson法、Mekeen法等；三是Fredlund（1993年）等提出的基于校正膨胀压力方法。

当前，有关非饱和膨胀土本构模型的研究主要包括体积改变模型（弹性模型）、非线性弹性模型和弹塑性模型，但这些研究仅停留于理论层面上，为便于工程实践应用，尚需试验数据加以验证分析，为此国内外学者开展各种膨胀土胀缩特性试验研究，也获取了丰硕的成果。Abdullah等（1999年）研究了配合物交换与溶液的pH值对膨胀土膨胀特性的影响；徐永福等（1997年）通过宁夏膨胀土的膨胀性试验，分析了膨胀变形量与初始含水量和上覆压力的定量关系；杨庆等（2001年）提出了一种测试膨胀土侧限变形特性的试验方法并研制了相应的仪器，采用该仪器测试和分析了重塑膨胀岩土的膨胀应力、应变和吸水量等之间的相互关系；韦秉旭等（2006年）采用侧限有荷膨胀试验研究了宁明膨胀土的膨胀变形特性；黄斌等（2011年）通过室内K0应力状态的膨胀试验，研究了邯郸强膨胀土的膨胀率与压实度、初始含水率、上覆荷载之间的关系；欧孝夺等（2013年）通过对南宁膨胀性泥岩的微变形膨胀力试验，分析了膨胀力与干密度、初始含水率之间的关系。Al-Homoud等（1995年）研究了膨胀土在干湿循环作用下的胀缩变形特性，研究结果表明膨胀土的胀缩变形随循环次数的增加而减少，随后不少学者也得到了类似的结论，如Basma（1996年）、Tawfiq（2009年）、Yazdandoust（2010年）、卢再华（2002年）、杨和平（2006年）、唐朝生（2011年），Al-Homoud等（1995年）还通过扫描电子显微镜对干湿循环后膨胀土的微结构进行仔细观察，研究结果表明土体颗粒的重分布促使土样吸力率降低，进一步导致膨胀土的膨胀势下降；而有的学者在膨胀土干湿循环试验中则得到了相反的规律，如Osipov（1987年）、Day（1994年）、刘松玉（1999年）等研究结果表明膨胀土的胀缩变形随循环次数的增加而增加，唐朝生等（2011年）认为试验的加荷条件、干湿循环路径以及干湿循环方法是造成上述差异的主要原因。Albrechtd等（2001年）研究了干湿循环对膨胀土渗透性的影响，膨胀土在干湿循环作用下内部裂隙数量增加导致了渗透系数随干湿循环次数的增加而增加；曾昭田等（2013年）采用压汞法研究了干湿循环过程中膨胀土的孔隙大小分布特征及其演化规律；吴珺华等（2013年）采用大型剪切仪对未经历和经历干湿循环作用的膨胀土进行了剪切试验，研究了干湿循环作用对膨胀土抗剪强度特性的影响。

非饱和土体中的渗流场、应力场和位移场在降雨入渗时均会产生变化并相互影响，渗流状态改变将导致应力和应变变化，而应力及孔隙变化反过来也会影响渗流状态，目前，非饱和土渗流与变形耦合与非耦合的问题已成为国内外研究的重要课题，如Morel-Seytoux（1981年）、Dakshanamurthy（1984年）、Sasha（1999年，2000年）、Kim（2000年）、张延军（2004年）、徐炎兵（2009年）、吴礼舟（2009年，2011年）等。此外，学者们也对非饱和膨胀土渗流与变形耦合开展了研究，如：Vu和Fredlund（2002年，2004年）通过考虑渗流与变形耦合与非耦合两种情况，给出了非饱和膨胀土膨胀变形的预测公式；沈珠江等（2004年）采用非饱和土简化固结理论，研究了人工降雨过程中膨胀土边坡孔隙水压力变化和变形的发展过程；范臻辉（2011年）基于有效应力原理的单变量理论推导非饱和膨胀土的弹塑性本构模型，结合流固耦合力学的理论与方法，建立了膨胀土渗流-变形的耦合分析模型。

基于对膨胀土工程性质的研究和大量工程实践经验的总结，国内外膨胀土地基加固技术也在逐步发展，主要包括：换填法、预湿法、化学处理法、复合地基法等。换填法适用于膨胀土厚度较浅的情况，可根治膨胀土病害，宜选用优质填料，也可采用改良土，如膨胀土中掺入一定比例的石灰可明显改善膨胀土胀缩性，粉煤灰对膨胀性的改善较差，水泥不利于膨胀土改善。预湿法受外界环境的影响较大，在我国全面应用具有局限性。化学处理法可改变膨胀土的性质，不同的化学试剂可能对周边环境造成危害，但化学处理法工期较短、费用较高，适用范围广泛，耐久性有待验证。复合地基法可提高地基承载力，减少沉降变形量，亦可以约束土体的侧向位移。

纵观国外膨胀土的研究成果，更多是集中在对变形要求相对较低的一般工程，高速铁路对路基工后沉降、长期动力稳定性提出了更高的要求，现有的研究成果远不能满足高速铁路膨胀土路基工程技术的需要，尤其是低路堤及路堑基床结构、地基的沉降变形及膨胀上拱变形方面。因此，有必要针对高速铁路膨胀土路基工程技术问题开展研究。