京九線粉土工程特性及其路基病害整治方法研究

李光林

(濟南鐵路局，山東濟南 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，對行車安全產(chǎn)生了嚴(yán)重危害[1]。針對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，對京九鐵路K372+777至K650+333間粉土工程特性展開試驗分析，結(jié)合其病害形成條件，提出針對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)變化范圍相對較大，為6.93～9.02。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(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

對所取土樣進行粒度分析，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，難以達到所要求的壓實系數(shù)。

圖1 粉土顆粒分析曲線

圖2 擊實曲線

1.3 擊實性質(zhì)

為了解該路段路基土壓實的最大干密度和相應(yīng)最佳含水量，使用普氏擊實儀進行擊實試驗，試驗結(jié)果和計算結(jié)果如圖2所示。該粉土的最優(yōu)含水量約為12%，與試驗測得塑限(20.71%～21.41%)相比較小，擊實曲線呈不對稱形狀，在小于最優(yōu)含水率時上升較為平緩，大于時則表現(xiàn)為快速降低，說明干密度代表的土體壓實性對于含水率影響較大。此外，飽和曲線位于擊實曲線右上方，可推斷出即使在該粉土樣本為最大干密度時，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，采用多種不同擊實功條件下的擊實試驗(2 687.0 kJ/m3、5 374.0 kJ/m3、8 061.0 kJ/m3和9 752.0 kJ/m3)進行分析，擊實試驗結(jié)果和相關(guān)計算指標(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)則同擊實功(w)呈負相關(guān)關(guān)系。擊實曲線與飽和曲線始終保持一定的偏離，并未因為增加壓實功而向飽和曲線靠近。通常來說，擊實作用可減少土顆粒間空隙的體積，降低孔隙氣體體積，從而提高土的密實度[3]。在本壓實試驗結(jié)果中，根據(jù)下式

Vw=Vv-Va， (Vw為土中水的體積)

圖3 不同擊實功下粉土的擊實曲線

隨擊實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)實際表現(xiàn)增大，則進一步說明孔隙體積(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管徑。實際工程應(yīng)用中，壓實后的粉土路基，由于其孔隙發(fā)育、水穩(wěn)定性差的特征，在行車振動作用下可引起顆粒的錯位與重新排列，表現(xiàn)為強度不穩(wěn)定與變形不均勻，從而反映出提高擊實功對于改善該類粉土的強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表明，壓實系數(shù)大于0.85以上的粉土屬于中壓縮性土體，壓實系數(shù)大于0.85以后，提高壓實系數(shù)對土體的壓縮性能改善不很明顯，同時說明粉土難于壓實，且增加壓實功對于提高土體的密實度和剛度力學(xué)性質(zhì)也不明顯(見圖4)。相比較而言，粉土對水的敏感性較強，壓實系數(shù)為0.95的粉土，從最優(yōu)含水量12%增加到18%左右時，壓縮模量ES1-2下降3 MPa。這說明，壓實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 壓實系數(shù)對e-p曲線的影響(w=wopt)

圖5 含水量對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。通過對不同壓實系數(shù)土體的試驗研究，可得出粉土滲透系數(shù)與壓實系數(shù)關(guān)系以及濕化變形的特征。

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

表3所示為不同壓實系數(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，且提高壓實系數(shù)對改善粉土的滲透系數(shù)效果很明顯，壓實系數(shù)從0.80上升到0.85，其滲透系數(shù)改變一個數(shù)量級單位。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)果與砂土滲透試驗結(jié)果相同。

表3 壓實系數(shù)對滲透系數(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導(dǎo)致強度的降低，并且會產(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)變曲線對應(yīng)的應(yīng)變之差，可對非飽和土體的濕化變形特征進行分析。圖7和圖8為不同壓實系數(shù)和含水率時偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的試驗結(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)力大小和壓實系數(shù)條件下，軸向濕化增量變形εa隨壓實系數(shù)的增大而減小，這反映出干密度對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，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，顆粒級配分布不良，壓實時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。通過計算，土體在最大干密度時的空氣體積率為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系數(shù)達到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，且壓實后路基由于毛細管發(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。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)出較強的水膠結(jié)作用力，致使粉土顆粒間聯(lián)結(jié)強度較低。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，粉土由于級配不良難于壓實、低黏結(jié)性和遇水強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、京杭運河、馬頰河和衛(wèi)運河等六大河流流域，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，其降雨特點是突發(fā)性強，歷時短，雨量大，時空分布不均，破壞性強。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。可以看出，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，增加了路基承受動荷載與振動頻率的水平，提高了線路列車的振動以及路基的振動加速度，在長期作用下加速了路基的累積變形和疲勞破壞。實踐證明，列車動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年開通運營以來歷經(jīng)6次鐵路大提速，至今客貨運量比剛開通時翻了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速的加大，路基面上的動應(yīng)力有所增大。當(dāng)線路條件較差時，動應(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)時間相對減少，加之提速列車要求更高的線路養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)。速度提高后，列車對路基產(chǎn)生的動應(yīng)力增加，特別是在原有路基病害處，動應(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)干砌片石護坡，拱型骨架植物護坡；設(shè)置疏干排水孔，加強路堤內(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

拆除護坡漿砌片石后進行釬探，結(jié)合釬探，對空洞、塌陷坑等首先用山皮土或三七灰土回填密實，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的臺階，分層夯填山皮土幫寬，每層夯實后厚度不超過20 cm，由下往上逐級施工。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

根據(jù)病害發(fā)育程度，可采用不同邊坡防護措施進行加固。

土釘加固邊坡與骨架內(nèi)干砌片石護坡。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，無法放坡時采用擋土板支護。

拱型骨架植物護坡。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。拱型骨架護坡起、終點側(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，及時排出路堤內(nèi)雨水，避免由于水的浸泡使路堤土體強度降低，以及水從邊坡自然排出時對土體的沖刷，從而提高路堤土體強度和穩(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，降低強度從而形成道碴陷槽或道碴囊等病害的同時，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)成一個整體，改善天然土的基本性能，使土體具半剛半柔特性，強度及抗?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，鋪面砂8～10 cm，再恢復(fù)線路。

4 結(jié)論

通過試驗測試得到粉土的工程特性，對粉土路基病害的產(chǎn)生條件進行分析，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；另一方面由于粉土顆粒不均、級配不良，難于壓實，提高擊實功對于改善壓實效果并不明顯。

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

(3)粉土本身獨特的工程性質(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)通過實踐經(jīng)驗表明，針對粉土路基病害產(chǎn)生的主要因素，采用多種方法結(jié)合的綜合整治措施對于粉土路基的加固和病害整治具有很好的效果。

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