高分子材料在粉質(zhì)土路基水害治理工程中的應(yīng)用

李世杰

(濟(jì)南鴻運(yùn)鐵路巖土工程有限責(zé)任公司,濟(jì)南 250022)

京九線濟(jì)南局管段(K372+777～K650+333),營(yíng)業(yè)里程 277.556km。由于過(guò)去受“重橋輕路”設(shè)計(jì)理念的影響,京九線路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,填料為黃河沖積形成的粉質(zhì)土,土質(zhì)具有粉粒含量高、黏聚力小、強(qiáng)度低、振動(dòng)析水等特點(diǎn),屬 C組填料。京九線自開(kāi)通以來(lái),路基陷槽、砟囊、暗洞發(fā)育,路基下沉、路肩寬度不足、邊坡溜坍等病害頻發(fā),京九線在 1997年～2006年經(jīng)歷的 9個(gè)汛期中(4次較大),路基共發(fā)生水害 3萬(wàn)多處,正線封鎖時(shí)間達(dá)到 389h44min。京九線自 1997年開(kāi)通以來(lái),經(jīng)歷 6次提速,速度已從 60km/h提高至160km/h,列車(chē)的高速行駛對(duì)路基強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性的要求更高。為確保行車(chē)安全,必須采用基床封閉與邊坡加固相結(jié)合的方法對(duì)京九線路基水害進(jìn)行綜合整治,對(duì)高分子材料在京九線基床改良中的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 粉質(zhì)土特性

1.1 路基填料物理力學(xué)指標(biāo)

天然含水量 14.87%～29.60%

比重 2.62～2.78

孔隙比 0.761～0.962

液限 27.6%～31.1%

塑限 20.7%～21.4%

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 0.21～0.30MPa,飽水后強(qiáng)度降低40%

滲透系數(shù) 1.04×10-4～1.1×10-4cm/s

1.2 顆粒成分分析(圖1)

圖1 粉質(zhì)土顆粒分析曲線

從圖1可以看出,京九線粉質(zhì)土的粒徑分布曲線在整體上呈陡狀。其中粒徑0.075～0.005mm的粉粒含量平均超過(guò) 75%,d＜0.005mn的黏粒含量和 d＞0.075mn的粗砂粒含量平均分別不到 10%和 15%,不均勻系數(shù)Cu=1.8～2.8,全部顆粒粒徑小于0.25mm。粉質(zhì)土顆粒級(jí)配不良,不易碾壓成型,壓實(shí)系數(shù)難以達(dá)到要求。

1.3 擊實(shí)性質(zhì)(圖2)

圖2 粉質(zhì)土擊實(shí)曲線

由圖2可知,粉質(zhì)土的最優(yōu)含水量遠(yuǎn)小于塑限,且擊實(shí)曲線偏離飽和曲線較遠(yuǎn),說(shuō)明即使粉質(zhì)土達(dá)到最大干密度,土體孔隙比仍然較大。且圖2中擊實(shí)曲線呈不對(duì)稱形狀,在最優(yōu)含水量左側(cè),曲線呈平緩狀上升,過(guò)最優(yōu)含水量后,密度隨含水量的增加迅速下降,說(shuō)明粉質(zhì)土對(duì)水具有較強(qiáng)的敏感性,雨季極易導(dǎo)致路基水害的形成。

綜上所述,京九線粉質(zhì)土路基填料具有弱可塑性、低黏結(jié)性、高分散性等特點(diǎn),顆粒級(jí)配不良,難以碾壓密實(shí)。路基填料對(duì)水具有較強(qiáng)敏感性,汛期來(lái)臨時(shí),隨著路基土含水量的增加,基床及邊坡填料會(huì)迅速軟化,造成強(qiáng)度、黏聚力顯著降低,在列車(chē)荷載的反復(fù)作用下,逐漸形成基床翻漿、路基下沉、沖溝、邊坡溜坍等病害。所以京九線路基應(yīng)遵循基床封閉與邊坡加固相結(jié)合的原則,對(duì)路基水害進(jìn)行綜合整治。

2 高分子材料應(yīng)用

在病害整治過(guò)程中,采用邊坡防護(hù)與路基基床整治相結(jié)合的方法,其中邊坡采用片石或骨架護(hù)坡等傳統(tǒng)方法,基床整治多以灰土封閉為主,在高填方地段、病害嚴(yán)重地段(如路、橋結(jié)合部),普遍采用了高分子材料封閉基床,高分子材料改良后的基床具有強(qiáng)度高、抗?jié)B性能強(qiáng)等特點(diǎn),且施工工藝簡(jiǎn)單、封鎖點(diǎn)時(shí)間短,具有較高推廣價(jià)值。

2.1 P.P.T高分子聚合筑路劑

P.P.T高分子聚合筑路劑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。

2.1.1 材料性能(表1、表2)

表1 P.P.T土質(zhì)改良試驗(yàn)對(duì)比

表2 P.P.T聚合土與 3∶7灰土性能指標(biāo)對(duì)比

綜上分析,利用 P.P.T高分子材料改良后的粉質(zhì)土,15h后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高 8倍,滲透系數(shù)降低兩個(gè)數(shù)量級(jí),粉質(zhì)土性能指標(biāo)提升明顯。另外與傳統(tǒng)的灰土比較,P.P.T聚合土強(qiáng)度高,在飽水條件下強(qiáng)度降低幅度小,確保了在雨水浸泡條件下路基基床更加穩(wěn)定。 -20～20℃凍融 5個(gè)循環(huán)后,P.P.T聚合土強(qiáng)度僅降低 23%,而一個(gè)循環(huán)后灰土強(qiáng)度即衰減為 0,說(shuō)明P.P.T聚合土具有較強(qiáng)耐久性。P.P.T聚合土紫外線照射 3d飽水 1d后,強(qiáng)度值為 28d值的 99%,說(shuō)明 P.P.T聚合土抗老化能力強(qiáng)。通過(guò)試驗(yàn)分析,P.P.T聚合土的回彈模量為 448.3MPa,灰土為 857MPa,灰土回彈模量是 P.P.T聚合土的 1.9倍,說(shuō)明灰土具有更強(qiáng)的剛度及脆性,在列車(chē)反復(fù)荷載作用下,改良基床極易開(kāi)裂,喪失封閉作用。而 P.P.T聚合土具有較好的韌性,在路基產(chǎn)生不均勻沉降時(shí),它伴隨產(chǎn)生一定的變形,而不發(fā)生脆性斷裂,從而大大延長(zhǎng)了改良基床的使用壽命。

2.1.2 材料配制工藝

P.P.T材料由原料 S、地材 T、交聯(lián)劑 B、引發(fā)劑C、D、E以及水按一定比例配制而成。原料 S:液狀,量產(chǎn)產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外化工市場(chǎng)均有銷售,產(chǎn)品性能穩(wěn)定;地材 T:土木工程領(lǐng)域普遍使用,使用時(shí)選用含雜質(zhì)少的部分。交聯(lián)劑 B:粉狀,原料大多依靠進(jìn)口,價(jià)格偏高,配制前先與水配成溶液。引發(fā)劑:C、D為粉狀化工產(chǎn)品,化工市場(chǎng)普遍有售,E為液狀化工產(chǎn)品,使用時(shí)分別與水配成溶液。

配制流程:第一步,反應(yīng)池注水,按比例加入原料S、地材 T,攪拌均勻,充分反應(yīng)并冷卻后形成主料裝桶。同時(shí)配制交聯(lián)劑 B水溶液,引發(fā)劑 C、D混合水溶液,以及引發(fā)劑 E水溶液,分別裝桶。第二步,施工前2～5h將交聯(lián)劑 B水溶液按比例添加至主料桶,然后將所有料桶運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。第三步,線路封鎖、拆除道床、基床攤鋪粉土后,分別將引發(fā)劑 C、D混合水溶液,E水溶液按比例加入主料桶,攪拌均勻后潑灑至基床與粉土充分混合。

2.1.3 施工工藝(圖3)

圖3 P.P.T封頂施工工藝流程

2.2 UFA高分子聚合筑路劑

UFA高分子聚合筑路劑是在京九線水害治理項(xiàng)目中應(yīng)用的高分子材料之一,該材料是一種新型優(yōu)質(zhì)的土壤固化材料,具有強(qiáng)度高、韌性好、膠凝時(shí)間可調(diào)、抗?jié)B性能強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2.1 材料性能(表3)

表3 UFA高分子聚合筑路劑性能指標(biāo)匯總

2.2.2 材料配制工藝

UFA材料由兩種化工原料 S和 N、兩種引發(fā)劑 D和 E以及水按一定比例配制而成。原料 S、N:液狀,量產(chǎn)產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外化工市場(chǎng)均有銷售,產(chǎn)品性能穩(wěn)定;引發(fā)劑:C、D為粉狀化工產(chǎn)品,化工市場(chǎng)普遍有售,使用時(shí)分別與水配成溶液。

配制流程:第一步,原料 S、N按使用計(jì)量分別裝桶,同時(shí)配制引發(fā)劑 D、E水溶液,分別裝桶,然后將所有料桶運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng);第二步,線路封鎖、拆除道床、基床攤鋪中粗砂后,分別將原料 S,引發(fā)劑 D、E水溶液按比例加入原料 N料桶,攪拌均勻后潑灑至基床中粗砂表層。

2.2.3 施工工藝(圖4)

圖4 UFA封頂施工工藝流程

3 施工注意事項(xiàng)

P.P.T、UFA兩種高分子聚合筑路劑具有凝膠時(shí)間可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),非常適合既有線基床改良施工,材料引發(fā)后可在較短時(shí)間內(nèi)凝膠提升強(qiáng)度(既有線合理凝膠時(shí)間 10min左右),凝膠 3～5min后即可上砟恢復(fù)線路并立刻通車(chē)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素對(duì)材料的反應(yīng)時(shí)間與凝膠質(zhì)量影響較大,施工中注意事項(xiàng)如下。

3.1 溫度

以上兩種高分子材料在施工過(guò)程中,一般控制凝膠時(shí)間在 10min左右,但其凝膠時(shí)間受溫度影響比較大,引發(fā)劑在相同數(shù)量下,凝膠時(shí)間夏天比冬天快,中午比早晚快,在溫度與凝膠時(shí)間曲線中,隨著環(huán)境溫度的升高,凝膠時(shí)間逐漸向驟減趨勢(shì)發(fā)展,曲線呈陡降形狀。極端環(huán)境下,施工環(huán)境溫度高于 35℃,低于 5℃時(shí),建議不施工。

3.2 光照

室外小試過(guò)程中,材料在試杯內(nèi)配制完成后,往往都是近光面首先出現(xiàn)渾濁并凝膠反應(yīng)。根據(jù)這一現(xiàn)象,進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn),在環(huán)境溫度相同時(shí),光線直接照射情況下施工時(shí)材料凝膠時(shí)間要比無(wú)光線照射情況下減少 30%左右,施工時(shí)應(yīng)著重考慮有無(wú)日曬影響。

3.3 砂、土含水量

施工時(shí),需改良的粉質(zhì)土以及鋪墊的砂子,一般均外運(yùn)而來(lái),所以受土源以及降雨影響,每天施工用的土、砂含水量往往差別較大。每次施工前都要對(duì)擬用砂、土測(cè)定即時(shí)的天然含水量,然后再計(jì)算引發(fā)劑的添加量,避免砂、土含水量過(guò)高、過(guò)低影響引發(fā)劑在高分子材料土中的實(shí)際濃度,直接影響材料凝膠時(shí)間。經(jīng)試驗(yàn),粉質(zhì)土天然含水量低于最優(yōu)含水量 30%時(shí),應(yīng)灑水拌和處理;雨天粉質(zhì)土天然含水量較高時(shí),可按照濕土重的 1%～3%比例摻加普通硅酸鹽水泥,以加快凝膠速度。

以上為 P.P.T、UFA兩種高分子材料在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出的施工注意事項(xiàng),實(shí)際應(yīng)用中往往多種影響因素同時(shí)出現(xiàn),材料對(duì)于以上因素也表現(xiàn)出極強(qiáng)的敏感性,如夏季施工,引發(fā)劑的添加量?jī)H有 10%的改變,材料的凝膠速度則會(huì)出現(xiàn)成倍的改變,所以施工中應(yīng)養(yǎng)成對(duì)照曲線,勤做小試的習(xí)慣。低溫多雨季節(jié)施工可在土、砂中適量摻入水泥等無(wú)機(jī)材料,以加快高分子材料的凝膠速度。

4 應(yīng)用效果

目前,P.P.T、UFA兩種高分子材料已在京九線成功應(yīng)用營(yíng)業(yè)里程 16km,施工路段的路基病害經(jīng)處理后,經(jīng)過(guò)多個(gè)雨季的運(yùn)營(yíng),邊坡穩(wěn)定、線路幾何尺寸保持良好,雨季沒(méi)有新的病害發(fā)生、發(fā)展。其中京九線黃河大橋南北兩側(cè)橋頭路基長(zhǎng) 720m,路堤高 13～14m,治理前路基平均沉降量 200mm,陷槽平均深度 210 mm,砟囊、暗洞發(fā)育,大部分地段路肩已完全坍塌,局部路肩有縱向裂縫揭示,裂縫平均寬度10mm,長(zhǎng)度65 m。設(shè)計(jì)采用 P.P.T高分子聚合筑路劑封頂施工,基床改良厚度 0.1m,全寬鋪設(shè),工期 2個(gè)月。2009年汛期,治理后的路基基床排水順暢,路基穩(wěn)定,達(dá)到了治理水害,加固路基的目的。

5 結(jié)論及建議

大量的試驗(yàn)與施工應(yīng)用證明,P.P.T、UFA兩種高分子材料強(qiáng)度高、抗?jié)B性能強(qiáng),封閉基床效果良好。材料凝膠時(shí)間短、強(qiáng)度提高快,在既有線基床改良工程中的適用性強(qiáng)。兩種高分子材料抗老化、耐久性能強(qiáng),大大延長(zhǎng)了材料的使用壽命。通過(guò)效果檢查,高分子材料的研制與應(yīng)用在京九線取得了成功,達(dá)到了治理粉質(zhì)土路基水害的目的。為使材料與工藝更加完善,對(duì)今后發(fā)展建議如下:

5.1 推廣應(yīng)用

P.P.T、UFA兩種高分子材料的研制與成功應(yīng)用,豐富了既有線路基水害的治理手段。黃河沿岸,地質(zhì)情況多為粉質(zhì)土分布,應(yīng)用高分子材料改良粉質(zhì)土的成功經(jīng)驗(yàn),在下一步的工程實(shí)踐中,可以不斷推廣至公路、水利以及新建線領(lǐng)域,擴(kuò)展應(yīng)用至治理翻漿冒泥、止水、提高路基強(qiáng)度、膨脹土改良等工程項(xiàng)目,為巖土工程行業(yè)開(kāi)發(fā)新材料、應(yīng)用新技術(shù)提供借鑒。

5.2 降低造價(jià)

從長(zhǎng)期維護(hù)成本分析,高分子材料的使用成本不會(huì)高于目前既有線封頂普遍采用的灰土材料,但是高分子材料因其原材料價(jià)格高,目前存在一次性投入費(fèi)用較高的缺點(diǎn),為快速推廣形成一定障礙。下一步應(yīng)繼續(xù)加大調(diào)研工作,反復(fù)試驗(yàn),改良主材結(jié)構(gòu)及材料配比,在滿足使用條件下材料成本不斷降低,使新材料、新工藝在工程實(shí)踐中不斷推廣應(yīng)用,更好地服務(wù)于鐵路建設(shè)。

[1]京九線粉質(zhì)土路基病害整治技術(shù)試驗(yàn)研究評(píng)審材料(鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2005G012)[Z].濟(jì)南:2008.

[2]張 權(quán).粉土路基常見(jiàn)病害的預(yù)防與處治[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào),2007,24:175-177.

[3]曹 玉,滕偉福.高速鐵路粉土路基改良試驗(yàn)研究及分析[J].巖土工程界,2004,3(7):71-72.

[4]李建法,宋湛謙.高分子土壤結(jié)構(gòu)改良材料的研究及應(yīng)用[J].高分子通報(bào),2003(5):70-74,35.