京九線粉砂土路基病害原因分析及綜合整治措施探討

石 浩 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

京九線粉砂土路基病害原因分析及綜合整治措施探討

石 浩 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

根據(jù)京九線粉砂土路基土體特性和病害類型，分析原因，提出瓜子片覆蓋邊坡、種植香根草加固護(hù)道、鋪設(shè)土工布封閉基床等路基加固與病害整治綜合技術(shù)并實施，提高了路基土體強(qiáng)度和抗洪能力。

粉砂土路基；病害原因分析；綜合防治

1 設(shè)備概況

管內(nèi)京九線路基土質(zhì)變化大，填料由北向南分別為粉質(zhì)粘土、砂粘土和膨脹土，其中K718＋300～K748＋300長30.6km，屬粉質(zhì)粘土，路堤高度2m～12m，邊坡種植紫穗槐防護(hù)，開通運營后少部分地段采用干砌或漿砌片石加固（見表1）。

表1 京九線粉土路基邊坡防護(hù)一覽表

2 病害類型特征

自投入臨管運營以來，粉土路基病害突出，主要有邊坡沖刷、邊坡溜塌和基床陷穴等類型。均在汛期集中暴雨而發(fā)生，病害發(fā)展速度快、分布范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)，對行車安全威脅大。

病害具體表現(xiàn)為：

（1）紫穗槐防護(hù)地段：受雨水沖蝕，土顆粒懸浮、流失，在坡面根部間形成沖溝或沖坑，直至把紫穗槐連根帶走。

（2）干砌護(hù)坡地段：水從坡面石縫流出，坡下土體被水淘空，多處發(fā)生片石砌體大面積變形、下陷。

（3）漿砌片石地段：雨水沿路基面流入護(hù)坡碎石墊層，水?dāng)y帶粉質(zhì)粘土，土體從淘空的基礎(chǔ)底部流失，整個砌體表面無大的變化跡象。

（4）路基與橋涵結(jié)合部：護(hù)錐沖空，路橋結(jié)合部道心產(chǎn)生空洞，軌枕懸空。

3 病害原因分析

粉砂土路基病害發(fā)生的原因與土質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)、列車動荷載、持續(xù)降雨量、降雨強(qiáng)度以及雨水流徑等因素有關(guān)。

3.1 坡面沖刷

粉土中粉粒含量約占80%，以石英、長石為主；粘粒含量占15%，以蒙脫石、水云母為主。其內(nèi)摩擦角大，粘聚力較低，土體滲透系數(shù)高，抗沖蝕性差。粉質(zhì)粘土顆粒的分子間相互作用，水膠連接和結(jié)晶物質(zhì)的作用較弱。當(dāng)顆粒吸水后，顆粒間粘聚力和摩擦力減小，抗剪強(qiáng)度降低。列車動荷載作用下還會發(fā)生觸變現(xiàn)象，以及在地表徑流沖蝕搬運等綜合作用下，坡面形成條狀雞爪沖溝或沖坑，雨量達(dá)到一定值時，還可能產(chǎn)生邊坡溜坍和塌方。

3.2 潛蝕破壞

當(dāng)粉砂土基床產(chǎn)生裂隙，雨水下滲，在列車動荷載下使自由水承受一定荷載，使其具有較高水壓力，對周圍土顆粒有滲透和劈裂作用，當(dāng)自由水流出路堤時，水在路堤中形成通路，雨水定向匯集，產(chǎn)生水流潛蝕，造成邊坡溜坍和砌體坡面下沉、沖空。

3.3 路基陷穴

一般集中在橋臺后、平改立線橋結(jié)合部，主要原因有兩個：一是路基面與箱涵底高差3m～6m，水位高差大，在抽水、排水過程中，地下水下降，漏斗中心部位水位差加大，促進(jìn)水在土體中的滲透與沖蝕作用，產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。如果受暴雨作用，其顆粒間粘聚力、抗剪強(qiáng)度均降低，流砂將會從土體中較薄弱處形成通道涌出，形成潛蝕破壞，導(dǎo)致陷穴產(chǎn)生。二是路橋結(jié)合部回填土密實度不足，為潛蝕破壞創(chuàng)造了條件，易形成滲蝕通道，造成陷穴。

4 綜合整治方案

為徹底消滅京九線路基病害，路局及我段多次進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，由于粉砂土路基的基床陷穴、邊坡坍塌等病害均因排水不良所致，因此整治方案必須統(tǒng)籌考慮以下因素：

（1）只有同時對路基基床及邊坡一并整治才能取得徹底整治效果。

（2）對邊坡護(hù)砌處理中反濾層設(shè)置是關(guān)鍵，反濾層必須級配良好且厚度在0.2m以上，如果反濾層不當(dāng)，粉砂土可以從水孔流出，甚至穿過漿砌基礎(chǔ)底部流出邊坡。

（3）處理基床陷穴時排水板隔斷雨水下滲徑，以免雨水從路肩下滲引發(fā)邊坡坍塌。

經(jīng)反復(fù)研究比選，提出加固和病害整治技術(shù)方案如下：

4.1 邊坡病害

（1）方案一：級配碎石覆蓋

在京九線K721+900～K729+800，采用級配碎石整治路基邊坡沖刷、坍塌等病害，該方案主要在高度小于5.0m的路基。

級配碎石來自采石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r道碴，經(jīng)分篩設(shè)備系統(tǒng)加工而成的。其石灰?guī)r的物理力學(xué)性能要求如表2。

表2 級配碎石的物理力學(xué)性能表

級配碎石的要求和作用機(jī)理：覆蓋厚度不小于50cm，粒徑小于2cm～5cm的顆粒重量占總重的69.4%～71.9%左右，含灰量（粒徑＜0.1mm）占總重的9.9%～20.0%，坡度1:1.5～1:1.75。碎石在自重作用下與坡面、地面土體形成平衡體，當(dāng)降雨時，雨水直接作用在碎石體表面，大大減少雨水對邊坡土體表面的直接沖蝕，雨水與坡面以滲透方式接觸；而石灰?guī)r碎石中的CaCO3粉末遇水與碎石顆粒形成一層反濾、滲水的柔性保護(hù)殼，使路基面和滲入的雨水，沿坡面反濾地流出坡腳。

我們在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的地段對級配碎石進(jìn)行篩分試驗，分析路基邊坡碎石的顆粒組成，含灰量和容重，從而確定路基邊坡穩(wěn)定狀態(tài)下，對碎石的級配要求。

碎石篩分結(jié)果見表3，穩(wěn)定狀態(tài)下的碎石級配曲線見圖1，含灰量與容重的關(guān)系曲線見圖2。

表3 碎石篩分結(jié)果表

圖1 碎石級配曲線

圖2 含灰量與容重的關(guān)系曲線

通過曲線圖和現(xiàn)場穩(wěn)定狀態(tài)分析得出：⑴顆粒較大，含灰量較低，碎石邊坡不能形成柔性保護(hù)殼，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)；⑵顆粒較小，碎石邊坡能形成柔性保護(hù)殼，但易局部產(chǎn)生較深的沖溝和坍塌現(xiàn)象，不利于穩(wěn)定。

根據(jù)以上結(jié)果分析，得出最優(yōu)的碎石級配為：粒徑＞5mm顆粒占28.1%～31.6%；粒徑5mm～2mm顆粒占34.20%～43.3%；粒徑2mm～0.5mm顆粒占13.0%～15.0%；粒徑0.5mm～0.1mm顆粒占0.1%～0.2%；粒徑組＜0.1mm顆粒占9.9%～22%，干容重平均在15.7kN/m3左右。這種級配易形成柔性保護(hù)殼，利于表面草皮、紫穗槐等植物生長，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）方案二：種植香根草防護(hù)

香根草以其獨特的生物特性，一般草本植物無法具備的工程特性以及許多草本植物不及的生態(tài)特性，成為優(yōu)良的水土保持植物。同時由于其深根性，大大提高土壤的剪切強(qiáng)度，而且生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

香根草根龐大且深扎，剪切強(qiáng)度及穿扎能力強(qiáng)，猶如"土壤鉚釘"，可有效地網(wǎng)絡(luò)土體和聚合土體。香根草根的抗張強(qiáng)度是一般鋼材的極限強(qiáng)度的六分之一即75MPa。耐極度干旱和洪澇，適應(yīng)降雨量200mm～3000mm，適應(yīng)溫度-15℃～50℃，適應(yīng)PH值3～11的范圍。該方案主要應(yīng)用于路基護(hù)道等其他方案施工困難的部位。

4.2 基床陷穴

處理發(fā)生在立交橋、排水設(shè)備滲漏和圬工護(hù)砌地段基床薄弱處所的基床陷穴病害，我們采用混凝土封堵空洞與封閉基床相結(jié)合的方法。

具體工藝流程：封鎖線路---開挖道床---清理空洞（隙）---灌注砼并搗實---封閉基床---回填道碴----恢復(fù)線路

（1）混凝土灌注

路橋結(jié)合部由于施工工藝、結(jié)構(gòu)特點和自然環(huán)境因素影響，往往存在空隙和空洞，是雨水流通的通道，該通道的存在加劇了陷穴的產(chǎn)生，必須將空隙填實。灌注材料采用C10砼；配合比：水泥（普硅水泥325#）︰砂︰碎石=1︰2.6︰4。

施工中應(yīng)注意嚴(yán)格按配合比配制砼，充分?jǐn)嚢?，連續(xù)灌注，做到均勻、密實。

（2）基床封閉

基床封閉就是在基床中換填中粗砂，砂層中鋪設(shè)寬幅隔水材料，隔斷雨水下滲。該方法既可用既有病害的處理，控制接合部陷穴的發(fā)展，也適用于新頂進(jìn)立交橋橋涵的兩端路基的防護(hù)加固。

施工方法是人工分段開挖至基面，墊砂鋪布，回填道碴，恢復(fù)線路。技術(shù)要求：開挖深度不小于0.55m，至基面，墊砂厚度為0.25m。采用土工布封閉基床，梁式橋土工布須鋪設(shè)至橋臺胸墻處，涵洞要全覆蓋，鋪布必須整平，寬度超過路肩外側(cè)，深入路肩以下0.1m，以利雨水從路基坡面排出。鋪設(shè)位置距枕底不小于45cm，中間搭接長度為0.5m，下層墊砂厚0.15m，上層墊砂厚0.1m；基面及土工布設(shè)4%排水坡，土工布宜采用耐老化、韌性好的新材料。

4.3 綜合防治技術(shù)

根據(jù)管內(nèi)路基設(shè)備實際情況，綜合上述方法制定綜合防治技術(shù)方案，如表4。