李光林

(濟(jì)南鐵路局，山東濟(jì)南 250001)

京九鐵路經(jīng)過魯西南黃泛平原區(qū)，路基填料多取自兩側(cè)取土坑中的粉土，當(dāng)遭受降雨和地下水的影響作用后，各種路基病害頻繁發(fā)生，對(duì)行車安全產(chǎn)生了嚴(yán)重危害[1]。針對(duì)京九線粉土路基頻發(fā)的幾類病害特征：路基下沉，邊坡沖刷沖溝，路望寬度不足和路基邊坡溜坍或滑坡等，對(duì)京九鐵路K372+777至K650+333間粉土工程特性展開試驗(yàn)分析，結(jié)合其病害形成條件，提出針對(duì)粉土路基病害的整治措施，為今后粉土分布區(qū)域的路基工程建設(shè)提供借鑒。

1 粉土工程特性

1.1 基本物理和化學(xué)性質(zhì)

測試樣品取自京九線K381+000～K594+434山東聊城、荷澤附近曲線改造后廢棄路段的路基填土。粉土的物質(zhì)組成主要是原生礦物砂、粉粒，含有較少的次生黏土礦物，試驗(yàn)得出的基本物理性質(zhì)及指標(biāo)如表1。比重變化很小，平均為2.64 mg/m3，液限和塑限的變化范圍分別為27.64%～30.43%和20.71%～21.41%，塑性指數(shù)變化范圍相對(duì)較大，為6.93～9.02。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，選取測試土樣為低液限粉土。

表1 粉土樣本基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 粒度組成分析

對(duì)所取土樣進(jìn)行粒度分析，分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，所取粉土樣本的粒徑分布曲線均呈階梯式陡然下降，全部顆粒粒徑小于0.25 mm，其中粉粒的平均含量(0.075～0.005 mm之間)超過75%，而黏粒含量(d<0.005 mn)和粗砂粒含量(d>0.075 mm)分別不到10%和15%，通過計(jì)算可得不均勻系數(shù)Cu=1.8～2.8，說明該粉土顆粒粒徑分布上存在一定不連續(xù)，使得該土樣不易成型，難以達(dá)到所要求的壓實(shí)系數(shù)。

圖1 粉土顆粒分析曲線

圖2 擊實(shí)曲線

1.3 擊實(shí)性質(zhì)

為了解該路段路基土壓實(shí)的最大干密度和相應(yīng)最佳含水量，使用普氏擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果如圖2所示。該粉土的最優(yōu)含水量約為12%，與試驗(yàn)測得塑限(20.71%～21.41%)相比較小，擊實(shí)曲線呈不對(duì)稱形狀，在小于最優(yōu)含水率時(shí)上升較為平緩，大于時(shí)則表現(xiàn)為快速降低，說明干密度代表的土體壓實(shí)性對(duì)于含水率影響較大。此外，飽和曲線位于擊實(shí)曲線右上方，可推斷出即使在該粉土樣本為最大干密度時(shí)，其飽和度仍然較低，與飽和含水量相差較大，主要還是由于土體的孔隙比仍然較大造成的。

為了進(jìn)一步分析粉土干密度與最佳含水量的定量關(guān)系，采用多種不同擊實(shí)功條件下的擊實(shí)試驗(yàn)(2 687.0 kJ/m3、5 374.0 kJ/m3、8 061.0 kJ/m3和9 752.0 kJ/m3)進(jìn)行分析，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)計(jì)算指標(biāo)見表2及圖3。綜合圖表分析可知：最大干密度(ρdmax)與土樣中空氣體積(Va)同擊實(shí)功(w)呈正相關(guān)，最佳含水量(Wopt)，孔隙比(e)和飽和度(Sr)則同擊實(shí)功(w)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。擊實(shí)曲線與飽和曲線始終保持一定的偏離，并未因?yàn)樵黾訅簩?shí)功而向飽和曲線靠近。通常來說，擊實(shí)作用可減少土顆粒間空隙的體積，降低孔隙氣體體積，從而提高土的密實(shí)度[3]。在本壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果中，根據(jù)下式

Vw=Vv-Va， (Vw為土中水的體積)

圖3 不同擊實(shí)功下粉土的擊實(shí)曲線

隨擊實(shí)功增加該類土孔隙比(e)降低，說明孔隙體積(Vv)減小，而空氣體積(Va)實(shí)際表現(xiàn)增大，則進(jìn)一步說明孔隙體積(Vv)的減小主要是由于水的體積(Vw)減小導(dǎo)致，這也是使得飽和度(Sr)降低的關(guān)鍵因素。在壓實(shí)作用下，該粉土內(nèi)部的土球形堆積結(jié)構(gòu)在排出部分孔隙水后，并不能有效減小空氣體積，提高飽和度和改變毛細(xì)管徑。實(shí)際工程應(yīng)用中，壓實(shí)后的粉土路基，由于其孔隙發(fā)育、水穩(wěn)定性差的特征，在行車振動(dòng)作用下可引起顆粒的錯(cuò)位與重新排列，表現(xiàn)為強(qiáng)度不穩(wěn)定與變形不均勻，從而反映出提高擊實(shí)功對(duì)于改善該類粉土的強(qiáng)度及變形特征效果不明顯。

1.4 壓縮性質(zhì)

土體的壓縮變形與荷載的關(guān)系也是土質(zhì)路基重要的工程特性。所取粉土樣本的壓縮試驗(yàn)表明，壓實(shí)系數(shù)大于0.85以上的粉土屬于中壓縮性土體，壓實(shí)系數(shù)大于0.85以后，提高壓實(shí)系數(shù)對(duì)土體的壓縮性能改善不很明顯，同時(shí)說明粉土難于壓實(shí)，且增加壓實(shí)功對(duì)于提高土體的密實(shí)度和剛度力學(xué)性質(zhì)也不明顯(見圖4)。相比較而言，粉土對(duì)水的敏感性較強(qiáng)，壓實(shí)系數(shù)為0.95的粉土，從最優(yōu)含水量12%增加到18%左右時(shí)，壓縮模量ES1-2下降3 MPa。這說明，壓實(shí)粉土遇水其剛度明顯下降，且產(chǎn)生過大的殘余累積變形(見圖5)。

圖4 壓實(shí)系數(shù)對(duì)e-p曲線的影響(w=wopt)

圖5 含水量對(duì)e-p曲線的影(γd=0.95γdmax)

1.5 粉土的滲透性及增濕變形規(guī)律

土的滲透性是表征土體被水透過的性能，也是土體的基本力學(xué)性質(zhì)之一。通過對(duì)不同壓實(shí)系數(shù)土體的試驗(yàn)研究，可得出粉土滲透系數(shù)與壓實(shí)系數(shù)關(guān)系以及濕化變形的特征。

(1)飽和壓實(shí)粉土的滲透系數(shù)及與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系

表3所示為不同壓實(shí)系數(shù)條件下粉土的孔隙比和滲透系數(shù)測定結(jié)果。由表3易看出，壓實(shí)系數(shù)在0.80以上的粉土滲透系數(shù)在10-6～10-4cm/s之間，且提高壓實(shí)系數(shù)對(duì)改善粉土的滲透系數(shù)效果很明顯，壓實(shí)系數(shù)從0.80上升到0.85，其滲透系數(shù)改變一個(gè)數(shù)量級(jí)單位。由于孔隙比與土體的滲透性有很大的關(guān)系[4]，因此本文對(duì)多種形式孔隙比和滲透系數(shù)做了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)粉土的滲透系數(shù)k與孔隙比e3/(1+e)成正比例關(guān)系(如圖6所示)，說明其滲透系數(shù)隨孔隙比增大而增大，該結(jié)果與砂土滲透試驗(yàn)結(jié)果相同。

表3 壓實(shí)系數(shù)對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖6 粉土的滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系曲線

(2)非飽和粉土的浸水增濕規(guī)律

非飽和土體的浸水增濕不僅會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的降低，并且會(huì)產(chǎn)生一定量的濕化變形。通過比較某應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土樣和土樣干、濕應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的應(yīng)變之差，可對(duì)非飽和土體的濕化變形特征進(jìn)行分析。圖7和圖8為不同壓實(shí)系數(shù)和含水率時(shí)偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果，由圖中曲線可看出：①軸向濕化增量變形εa隨偏應(yīng)力增加明顯增大；②在相同偏應(yīng)力大小和壓實(shí)系數(shù)條件下，軸向濕化增量變形εa隨壓實(shí)系數(shù)的增大而減小，這反映出干密度對(duì)濕化變形量影響較為顯著。因此，非飽和粉土易于浸水，且浸濕后可產(chǎn)生明顯的濕化變形。對(duì)路基而言，自身側(cè)向應(yīng)力較小，當(dāng)車輛附加輪軸應(yīng)力較大時(shí)，路基將產(chǎn)生過大的塑性變形。

圖7 粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(γd=0.8γdmax，σ3=150 kPa)

圖8 粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(γd=0.9γdmax,σ3=150 kPa)

2 粉土路基病害產(chǎn)生條件

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)粉土路基在水、列車荷載作用下產(chǎn)生的病害類型主要為：路基下沉、坡面沖蝕、邊坡溜坍、路基滲透、和基床陷槽等[1]。在誘發(fā)這些病害過程中，粉土的工程性質(zhì)、水的作用以及列車荷載作用是最主要的影響因素。

2.1 粉土工程性質(zhì)

粉土的物質(zhì)組分中，由于含有較多的粉粒，顆粒級(jí)配分布不良，壓實(shí)時(shí)土粒之間的空隙不能完全被填充，易形成“搭積木”式的構(gòu)架，且顆粒之間形成薄層氣體屏蔽，難以壓實(shí)。通過計(jì)算，土體在最大干密度時(shí)的空氣體積率為8%，大于一般土體4%左右的最小空氣體積率，說明即使該類填土路基壓實(shí)系數(shù)達(dá)到100%，仍有相當(dāng)大的空隙，行車荷載作用下，路基容易產(chǎn)生大量的殘余變形，且壓實(shí)后路基由于毛細(xì)管發(fā)育，在路堤浸水的情況下，極易吸水聚冰、凍脹翻漿，這與路基現(xiàn)場調(diào)查的現(xiàn)象一致。因此，粉土填筑的路基易發(fā)生路基下沉或不均勻下沉及橋涵兩側(cè)路基沉陷。此外，粉土的物質(zhì)組成主要為原生礦物砂、粉粒，并含有較少的次生黏土礦物，具有弱可塑性、低黏結(jié)性、高分散性等特點(diǎn)。粉土中的礦物含量以石英占多數(shù)，蒙脫石、云母等黏粒含量較低。而石英顆粒不像黏土礦物中的Ca2+等陽離子一樣可與極性水分子緊密結(jié)合而表現(xiàn)出較強(qiáng)的水膠結(jié)作用力，致使粉土顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較低。因此，粉土填筑的路基易發(fā)生水土流失，如邊坡沖刷沖溝、路基潛蝕破壞等。

粉土具有一定濕化變形的特性，是引起路基產(chǎn)生不均勻沉降和裂縫的關(guān)鍵因素，也是造成邊坡塌滑的重要因素。京九鐵路粉土路基，由于修筑路基時(shí)就地取土，取土坑普遍距離路堤太近，有的取土坑在雨季積水后直接出現(xiàn)浸泡路基，在積水長時(shí)間浸泡中，路基加劇下沉。

從上述土性條件分析可知，粉土由于級(jí)配不良難于壓實(shí)、低黏結(jié)性和遇水強(qiáng)度顯著降低是粉土路基產(chǎn)生病害的主要根源。

2.2 水的作用

由土的工程性質(zhì)和上述試驗(yàn)結(jié)果可知，水是影響粉土力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。在京九鐵路黃泛粉土區(qū)，水的來源主要來自大氣降水。聊城工務(wù)段管轄范圍內(nèi)的京九線鐵路，地處溫暖帶半濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)域，橫貫黃河、金堤河、徒駭河、京杭運(yùn)河、馬頰河和衛(wèi)運(yùn)河等六大河流流域，所經(jīng)之地地表水和地下水源豐富，全年降雨量主要集中在6至9月份，約占全年降雨量的百分之八十多，臨清至梁山區(qū)段汛期年平均降雨量在450 mm；梁山至閆店樓區(qū)段約為500 mm，其降雨特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)，歷時(shí)短，雨量大，時(shí)空分布不均，破壞性強(qiáng)。而且該區(qū)域內(nèi)的線路，雖然橫貫黃河、金堤河、等六大河流，但鐵路沿線并沒有與之平行的河流，加上京九線在路基修筑時(shí)在鐵路兩側(cè)就地取土筑路，路基兩側(cè)因取土形成的取土坑既深又長，雨季成了鐵路周邊天然的蓄水池，取土坑內(nèi)積水因無河流與之相連無法排泄，只能靠自然揮發(fā)和滲入地下來消耗積水，兩側(cè)積水使路基長期處于浸泡之下?？梢钥闯?，水的作用是導(dǎo)致路基發(fā)生病害的直接條件。

2.3 列車荷載

高速、重載化的行車條件，增加了路基承受動(dòng)荷載與振動(dòng)頻率的水平，提高了線路列車的振動(dòng)以及路基的振動(dòng)加速度，在長期作用下加速了路基的累積變形和疲勞破壞。實(shí)踐證明，列車動(dòng)荷載是既有鐵路路基產(chǎn)生病害的重要外因[5]。聊城工務(wù)段管內(nèi)京九線線路自1996年開通運(yùn)營以來歷經(jīng)6次鐵路大提速，至今客貨運(yùn)量比剛開通時(shí)翻了2倍還多。國內(nèi)同行在既有線提速路基上的應(yīng)力實(shí)測表明，在線路平順性條件較好的情況下，隨著列車軸重的增加和時(shí)速的加大，路基面上的動(dòng)應(yīng)力有所增大。當(dāng)線路條件較差時(shí)，動(dòng)應(yīng)力增加值非常明顯。因此，隨著列車速度的不斷提高，路基暴露出的問題也越來越嚴(yán)重。提速后行車密度加大，維修作業(yè)時(shí)間相對(duì)減少，加之提速列車要求更高的線路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。速度提高后，列車對(duì)路基產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力增加，特別是在原有路基病害處，動(dòng)應(yīng)力加大致使病害加重，病害加重又致使軌道狀態(tài)惡化，造成線路的惡性循環(huán)，影響行車安全。因此，隨著列車速度的不斷提高，對(duì)于頻繁發(fā)生的路基問題應(yīng)引起更多的重視。

3 京九線粉土路基病害整治措施研究

基于前人對(duì)于粉土路基病害防治措施研究[6-8]，該路段路基病害采用綜合整治的方案。主要整治措施包括：通過鉆孔注漿加固路基本體；利用山皮土幫寬路堤和路肩，恢復(fù)路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面；采用土釘及骨架內(nèi)干砌片石護(hù)坡，拱型骨架植物護(hù)坡；設(shè)置疏干排水孔，加強(qiáng)路堤內(nèi)雨水的排導(dǎo)；用P.P.T高分子聚合筑路劑封閉基床表層，提高基床排水和抗?jié)B能力。

3.1 加固路堤本體

拆除護(hù)坡漿砌片石后進(jìn)行釬探，結(jié)合釬探，對(duì)空洞、塌陷坑等首先用山皮土或三七灰土回填密實(shí)，然后鉆孔注漿，充填深部洞穴，加固疏松土體，提高路基基床和本體密實(shí)度及承載力，提高路基本體抗沖刷能力。注漿孔位置根據(jù)現(xiàn)場病害發(fā)育情況和釬探結(jié)果綜合確定。

3.2 恢復(fù)路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

用山皮土幫寬路堤邊坡和路肩，使路肩寬度符合要求。沿邊坡開挖成每層高度不小于60 cm的臺(tái)階，分層夯填山皮土幫寬，每層夯實(shí)后厚度不超過20 cm，由下往上逐級(jí)施工。頂部幫寬不小于0.5 m，底部幫寬不小于頂部。

3.3 坡面加固防護(hù)

根據(jù)病害發(fā)育程度，可采用不同邊坡防護(hù)措施進(jìn)行加固。

土釘加固邊坡與骨架內(nèi)干砌片石護(hù)坡。土釘?shù)冗吶切尾贾?，與坡面垂直，土釘孔采用干法成孔，然后用重力或低壓注漿方法灌注。以鋼筋混凝土骨架相連的土釘，上下用漿砌片石鑲邊，骨架內(nèi)砌筑干砌片石。沿線路方向，每隔15.0 m左右設(shè)一道沉降縫，用瀝青麻筋充填。坡面每100 m于適當(dāng)位置設(shè)漿砌片石階梯形踏步。坡腳擋墻基底夯填20 cm厚碎石墊層，沿線路方向每隔15 m設(shè)一道沉降縫，縫內(nèi)沿墻內(nèi)、外、頂三邊填塞瀝青麻筋。

坡腳設(shè)重力式擋墻，其余地段坡腳設(shè)護(hù)腳墻。重力式擋墻墻身地面以上部分每隔2 m上下左右交錯(cuò)設(shè)置泄水孔，反濾層設(shè)于墻頂0.6 m以下及泄水孔以上范圍。擋土墻基坑底部開挖應(yīng)加寬0.5 m作為工作面，按1∶1比例放坡，無法放坡時(shí)采用擋土板支護(hù)。

拱型骨架植物護(hù)坡。采用漿砌片石拱型截水骨架，骨架內(nèi)噴播植草和種紫穗槐。拱型骨架護(hù)坡起、終點(diǎn)側(cè)邊鑲邊0.5 m。沿線路方向，每隔14.22 m設(shè)一道伸縮縫，用瀝青麻筋充填。泄水孔處設(shè)置粗砂反濾層。當(dāng)先施工拱型骨架后施工疏干排水孔時(shí)應(yīng)按照疏干孔位置和角度預(yù)留出疏干孔孔位。

3.4 完善路堤排水系統(tǒng)

在路堤基床內(nèi)設(shè)置疏干排水孔，及時(shí)排出路堤內(nèi)雨水，避免由于水的浸泡使路堤土體強(qiáng)度降低，以及水從邊坡自然排出時(shí)對(duì)土體的沖刷，從而提高路堤土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，避免路基病害的發(fā)生。

3.5 封閉基床表層

為改善基床粉土的黏聚性、滲透性，防止基床粉土遇水軟化、崩解，降低強(qiáng)度從而形成道碴陷槽或道碴囊等病害的同時(shí)，還應(yīng)保證改良后的基床土具有一定的韌性，能隨路基的不均勻下沉而相應(yīng)發(fā)生一定的形變，但并不發(fā)生斷裂或裂縫等破壞其原有性能的情況。建議采用粉土土質(zhì)改良新材料P.P.T (Permanent Polymer for Traffic)高分子聚合筑路劑封閉基床表層，該材料是一種新型的高分子土工聚合材料，液狀、可溶于水，反應(yīng)后形成不溶于水的凝膠體，它依靠材料中分子間的聚合反應(yīng)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將土顆粒緊緊連結(jié)成一個(gè)整體，改善天然土的基本性能，使土體具半剛半柔特性，強(qiáng)度及抗?jié)B性能顯著提高。具體做法為封鎖線路后拆除軌枕，扒除道床至設(shè)計(jì)高程，鋪底砂5～8 cm，均勻潑灑P.P.T三遍，待形成均勻不透水層時(shí)，鋪面砂8～10 cm，再恢復(fù)線路。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)測試得到粉土的工程特性，對(duì)粉土路基病害的產(chǎn)生條件進(jìn)行分析，提出了粉土路基病害的整治措施。

(1)粉土的工程性質(zhì)主要表現(xiàn)為低黏結(jié)性、弱可塑性和高分散性等特點(diǎn)；另一方面由于粉土顆粒不均、級(jí)配不良，難于壓實(shí)，提高擊實(shí)功對(duì)于改善壓實(shí)效果并不明顯。

(2)粉土在浸水增濕時(shí)，可產(chǎn)生明顯的濕陷變形，其中干密度影響顯著。壓實(shí)系數(shù)在0.80以上的粉土的滲透系數(shù)k在10-6～10-4cm/s之間，且提高壓實(shí)系數(shù)對(duì)改善粉土的滲透系數(shù)效果很明顯。

(3)粉土本身獨(dú)特的工程性質(zhì)加上與水的作用，是導(dǎo)致粉土路基病害產(chǎn)生最重要和直接的條件，運(yùn)營后列車荷載作用則是后期產(chǎn)生工程病害的重要外因

(4)通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，針對(duì)粉土路基病害產(chǎn)生的主要因素，采用多種方法結(jié)合的綜合整治措施對(duì)于粉土路基的加固和病害整治具有很好的效果。

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