路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法

摘要

路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法，以准确获取土质路基下膨胀土地基的胀缩变形数据，便于设计人员选用合理的地基处理措施，节约铁路工程投资。包括如下步骤：开挖膨胀土试坑；在膨胀土试坑地基上布设多面渗水系统和蓄水沟渠，并在监测区域内埋设下层测试器件；填筑路基本体堆载体和模拟轨道荷载堆载体，并在监测区域内埋设上层测量器件；下层测量器件和上层测量器件组成量测系统，用于量测地基表面变形量、地基内部分层变形量、路基本体变形量、孔隙水压力值、土壤含水率、土壤吸力及路基基底应力值；进行试验测试阶段测试，包括路基填筑及放置期、人工浸水期、停水自然干缩期；进行试验浸水及观测，通过蓄水沟渠和多面渗水系统对地基进行人工浸水，并按一定频率进行观测。

说明书

技术领域

本发明土木工程，特别涉及一种路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法

背景技术

膨胀土是一类具有多裂隙性、胀缩性、超固结性的黏土，在国内外广泛分布。多裂隙非饱和膨胀土的水分入渗及体积变化是一个极其复杂的水力-力学过程，当前尚没有一种成熟的纯理论方法，可用于推算膨胀土地基的胀缩变形性能，室内试验则与现场实际工程差距较大，难以全面反映原状膨胀土在水分入渗条件下的真实性状。

近期，我国在建或勘察设计中的多条铁路客运专线，沿线广泛分布膨胀土。然而，要在膨胀土地基上修建高标准无砟轨道铁路，尤其是低矮路堤或路堑，膨胀土的胀缩变形可能导致无砟轨道线路的不平顺性加剧，影响高速铁路的正常运营。对高速铁路低矮路堤或路堑而言，若采用CFG桩、旋喷桩等半刚性桩或深挖换填等地基处理措施加固膨胀土地基，工程量巨大、成本高昂，往往控制着铁路路基工程的投资。因此，深入研究膨胀土地基的胀缩性能，准确获取路基荷载下膨胀地基的胀缩变形数据，可为高速铁路合理确定路基填高及相应的地基处理措施提供参考依据。

在国标GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》中，详细给出了压板载荷下膨胀土地基的浸水试验方法。鉴于钢板尺寸长度有限，导致压板底下的附加应力影响深度十分有限，试验结果与实际工程差距较大；另一方面，压板载荷浸水试验主要用于模拟测试刚性基础下膨胀土地基的胀缩变形，而土质路基属于柔性基础，在浸水条件下，膨胀土地基在基础底面形成的膨胀力或膨胀变形在刚性与柔性基础内部的传递规律是否一致，目前也尚不清楚。

综上所述，要想准确得到土质路基下膨胀土地基的胀缩变形数据，首先要解决原型路基荷载下膨胀土地基现场浸水试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法，以准确获取土质路基下膨胀土地基的胀缩变形数据，便于设计人员选用合理的地基处理措施，节约铁路工程投资。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法，包括如下步骤：开挖膨胀土试坑；在膨胀土试坑地基上布设多面渗水系统和蓄水沟渠，并在监测区域内埋设下层测试器件；在多面渗水系统之上填筑路基本体堆载体和模拟轨道荷载堆载体，并在监测区域内埋设上层测量器件；下层测量器件和上层测量器件组成量测系统，用于量测地基表面变形量、地基内部分层变形量、路基本体变形量、孔隙水压力值、土壤含水率、土壤吸力及路基基底应力值；进行试验测试阶段测试，试验测试阶段包括路基填筑及放置期、人工浸水期、停水自然干缩期；进行试验浸水及观测，路基荷载下地基压缩变形稳定后，通过蓄水沟渠和多面渗水系统对地基进行人工浸水，并按一定频率进行观测。

本发明的有益效果是，为国内路基工程下膨胀土地基浸水试验的首例，其中多面渗水系统的设计、路基本体及模拟轨道荷载的堆载体填筑、浸水方法及测试频率等可作为国内今后研究路基工程下膨胀土地基浸水试验方面的参考；本试验的胀缩变形测试结果比较真实和可靠，可为膨胀土区域修建高速铁路无砟轨道路基提供数据支撑，以便设计人员选用合理的地基处理措施，节约铁路工程投资

附图说明

本说明书包括如下七幅附图：

图1是浸水试验系统、测试元件的平面布置图；

图2第一监测区域路基横断面结构、测试元件的横断面布置图；

图3第二监测区域路基横断面结构、测试元件的横断面布置图；

图4是图2中C局部的放大图；

图5分层沉降计沿地基深度方向布置图；

图6土壤张力计沿地基深度方向布置图；

图7孔隙水压力计沿地基深度方向布置图。

图中示出构件件、部位名称及所对应的标记：左坡脚A₁，右路肩A₂，路基中心A₃，左路肩A₄，右坡脚A₅，第一监测区域B₁，第一监测区域B₂；砂孔10，砂槽11，砂垫层12，蓄水沟渠13，路基本体堆载体21，模拟轨道荷载堆载体22，复合土工膜23；剖面沉降管30，孔隙水压力计31，TDR测量管32，土压力盒33，分层沉降仪34，土壤张力计35，位移观察桩36，路基本体沉降板37，路基面沉降板38。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1、图2和图3，本发明的路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法，包括如下步骤：

(1)开挖膨胀土试坑。按深度1.0m、边坡坡度1:1.5开挖试坑，除路基填筑区外试坑坑底应预留面积不小于20m×20m活动空间，确保试验用机械设备的正常运转，弃土场距试坑坑顶的距离不宜少于30m，试坑开挖后用平地机整平坑底，同时沿坑底四周设置截水沟，以免试坑降雨积水。

(2)在膨胀土试坑地基上布设多面渗水系统和蓄水沟渠13，并在监测区域内埋设下层测试器件。

多面渗水系统包括砂孔10、砂槽11和砂垫层12。砂孔10沿路基纵向对应于路基中心路基中心A₃、左坡脚A₁、右路肩A₂、左路肩A₄、右坡脚A₅各布置一排，形成沿路基横断面方向的多面横向渗水系统，各砂孔10垂直于地基表面并向下延伸入膨胀土层内，砂孔10内填满捣实中、粗砂。砂孔10孔深大于膨胀土地基的大气影响深度，且不应小于5m，孔径为127mm，沿路基纵向孔间距为0.6m。砂槽11在地基表面下位于各排砂孔10的上端，其内填满捣实中、粗砂，形成沿地基深度方向的竖向渗水系统。各砂孔10中心位于对应砂槽11中线位置，砂槽11两侧砌砖以免土体坍。塌。砂垫层12用中、粗砂铺设在地基表面之上，厚度为10～15cm。蓄水沟渠13设置在砂垫层12横向两侧，其溢水侧与砂垫层12相接。

(3)在多面渗水系统之上填筑路基本体堆载体21和模拟轨道荷载堆载体22，并在监测区域内埋设上层测量器件。

路基填筑区域的场地再次平整坚实，尤其应确保路基横断面方向都处于同一水平标高，即横坡为0，试坑表面没有任何松散材料和软弱地点。

砂垫层12和铺设，中、粗砂运到试验现场后，即可采用推土机按0％横坡推平，再用平地机将中、粗砂摊铺均匀，中、粗砂摊铺宽度应较试验路肩边缘超填不小于0.5m，摊铺整平之后及时用振动压路机进行静压，在砂垫层顶面铺设复合土工膜。

路基本体堆载体2分层填筑和压实，采用推土机、平地机等机械摊铺时，结合填料松铺厚度40～60cm计算每车填料摊铺面积，将填料等距离堆放成堆，用推土机按4％横坡推平，再用平地机将填料按松铺厚度摊铺均匀；填料铺平后即可用振动压路机自路肩两侧向中间进行碾压，第一遍采用静压，第二遍起改为振动碾压，由弱振到强振，直至达到规定的压实度，最后一遍改用静压。

模拟轨道荷载堆载体22的填筑，试验路基上部荷载仅考虑轨道荷载不计列车荷载，为了节约试验费用，通过填筑A、B填料来模拟轨道荷载，填筑方法及压实度要求与路基本体填筑相同。

参照图1和图4，为避免路基本体被水浸泡软化或大气降雨冲刷破坏，在路基本体堆载体21的底面与砂垫层12的顶面之间铺设有复合土工膜23，复合土工膜23的横向两侧反包路基本体堆载体21和模拟轨道荷载堆载体22的坡面，路基本体堆载体21和模拟轨道荷载堆载体22的顶面为4％排水坡。采用人机配合刷坡，小挖掘机刷坡，人工修整。刷坡完成后应及时采用复合土工膜23反包路基本体堆载体21和模拟轨道荷载堆载体22的坡面。

复合土工膜23“土工布--土工膜--土工布”结构的复合构成，其土工布为无纺土工布，每平方重量不小于100g，土工膜的厚度不小于0.4mm，复合土工膜幅与幅之间采用超声波焊接。

(4)下层测量器件和上层测量器件组成量测系统，用于量测地基表面变形量、地基内部分层变形量、路基本体变形量、孔隙水压力值、土壤含水率、土壤吸力及路基基底应力值。

(5)进行试验测试阶段测试，试验测试阶段包括路基填筑及放置期、人工浸水期、停水自然干缩期。

(6)进行试验浸水及观测，路基荷载下地基压缩变形稳定后，通过蓄水沟渠13和多面渗水系统对地基进行人工浸水，并按一定频率进行观测。

路基荷载下地基压缩变形稳定后即可通过浸水沟渠进行人工浸水，压缩变形稳定标准为变形速率小于0.1mm/d。人工浸水试验期间蓄水沟渠13的水头高度不低于0.4m，以确保渗水水源供给及水流在砂垫层12中顺利由坡脚入渗至路基中心，；浸水初期观测频率为1次/d，1个月之后改为2次/d，2个月之后膨胀变形趋于稳定则改为3次/d；停止浸水后观测频率为3次/d；遇外界大气降雨时观测频率改为1次/d。

参照图1、图5、图6和图7，所述下层测量器件包括孔隙水压力计31、TDR测量管32、分层沉降仪34和土壤张力计35。孔隙水压力计31分组横向间隔布设在地基内且位于相邻两排砂孔10之间，每组包括多只纵向间隔设置的孔隙水压力计31。TDR测量管32横向间隔布设在地基内且位于相邻两排砂孔10之间。分层沉降仪34分组横向间隔布设在地基内且位于相邻两排砂孔10之间，每组包括多只纵向间隔设置的分层沉降仪34。土壤张力计35分组横向间隔布设在地基内且位于相邻两排砂孔10之间，每组包括多只纵向间隔设置的土壤张力计35。

参照图1、图2和图3，所述上层测量器件包括剖面沉降管30、土压力盒33、位移观察桩36、土路基本体沉降板37和路基面沉降板38。剖面沉降管30和土压力盒33埋设于砂垫层12，剖面沉降管30斜向穿过监测区域，土压力盒33横向间隔设置。位移观察桩36间隔设置于路基本体堆载体21的坡面和顶面，以及模拟轨道荷载堆载体22的顶面；路基面沉降板38间隔设置于路基本体堆载体21的坡面和顶面；土路基本体沉降板37纵向、横向间隔埋设在路基本体堆载体21内。

以上所述只是用图解说明本发明路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法的一些原理,并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。