膨脹土地區(qū)鐵路路基病害分析與整治

薛五紅

摘 要：作為在全世界范圍內(nèi)分布非常廣泛的一種特殊豁土，膨脹土有著這樣的性質(zhì)，也就是膨脹土當(dāng)遇水的時候會發(fā)生膨脹并且失水收縮開裂，而且當(dāng)其反復(fù)脹縮將會導(dǎo)致土體強(qiáng)度的減小，這些都對于鐵路建設(shè)工程安全性有都有著巨大隱患。因而對于鐵路建設(shè)項(xiàng)目的施工以及后來的運(yùn)營而言，需要地預(yù)防整治膨脹土地區(qū)鐵路基床病害。這些病害主要有路基下沉等表現(xiàn)，而且其中里面基床翻漿最為明顯，因此文章從該角度對于膨脹土地區(qū)基床病害綜合整治方法進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：膨脹土；基床；病害；預(yù)防（整治）

1 引言

在全球范圍內(nèi)，膨脹土的分布都非常廣泛，一直到當(dāng)今為止，膨脹土所分布的地方以及國家遍布世界各地[1]，例如中國、俄羅斯、加拿大、印度等國家，膨脹土年蒸發(fā)的蒸騰量超過甚至都超過了在半干旱地區(qū)年降雨量，而且膨脹土分布比較集中的位置大概處于在北緯60度至南緯50度的區(qū)間?？梢娕蛎浲恋姆植贾畯V，對于一些建設(shè)項(xiàng)目工程都有著很大的威脅。

對于膨脹土而言，有明顯脹縮性、多裂隙性等特點(diǎn)，而且這些特征都會引起鐵路工程施工及維護(hù)方面的不安全[2]。到現(xiàn)在為止，中國的京九、南昆等幾條鐵路干（支）線，運(yùn)行通車后這些膨脹土地區(qū)的路基段都產(chǎn)生了路基病害，甚至有的路基損壞率達(dá)到75%，路基基床病害很常見。

2 膨脹土定義與特性

2.1 膨脹土的定義

膨脹土定義為它是一種容易膨脹，并且在失水收縮后開裂的土壤，這種土壤的主要成分成分包括了有著較強(qiáng)的親水性礦物蒙脫石，伊利石等，在自然條件下，主要是硬質(zhì)塑料或硬狀態(tài)，與裂隙發(fā)育，常見的表面光滑，劃痕，裂紋開閉等，這些大多數(shù)存在于盆地的邊緣，山前丘陵等地方，膨脹土無明顯天然陡坎，它的基本特性包括脹縮性以及抗裂性等[3]。

2.2 膨脹土的基本特性

2.2.1 膨脹土微結(jié)構(gòu)

細(xì)小的豁土礦物顆粒是膨脹土微結(jié)構(gòu)的主要成分，同時還有粉粒和砂粒等。伊利石多呈葉片狀，薄而細(xì)碎；蒙脫石呈球狀集合體；長石為長柱狀，主要已蝕變?yōu)槊擅撌?。顆粒主要以微集聚體形態(tài)在膨脹土里面[4]。這些土里面的裂隙比較成熟，也許是土在脹縮過程中因受力引起，這些裂隙的存在是促使其強(qiáng)烈膨脹和收縮的原因所在。

2.2.2 濕脹干縮

膨脹土本身的組成物質(zhì)及微結(jié)構(gòu)特征決定濕脹干縮特性，另外還受膨脹土所處環(huán)境條件的影響[5]。改變土壤水分由地下水和地表水造成的氣候（降雨，蒸發(fā)，氣溫）變化，漏水和導(dǎo)熱系數(shù)等動態(tài)變化會引起土壤水分變化，水的增加而失去的遷移，促使進(jìn)一步膨脹收縮變形發(fā)生。

2.2.3 多裂隙

原生裂隙多為閉合狀的顯微裂隙，表現(xiàn)隱蔽征，一般要電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡等來觀察。多裂隙性是膨脹土的比較明顯的特征，裂隙的發(fā)育使得循環(huán)速度加快。加速了土體的破碎與變形的速度，從而導(dǎo)致了土體的干縮濕脹效應(yīng)更加強(qiáng)烈[6]；因?yàn)榈叵滤臐B透以及淋溶將會導(dǎo)致膨脹土的風(fēng)化作用變得更加惡劣，所以會引起導(dǎo)致伊利石和蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物成分變多。

2.2.4 超固結(jié)

在膨脹土顆粒的不斷沉積過程中，由于有重力導(dǎo)致漸漸地堆積起來，所以當(dāng)覆蓋層的堆積物在漸漸地變厚，所以導(dǎo)致下面的土體會變得更加緊密。然而，土顆粒的沉積過程由于受到自然地質(zhì)的復(fù)雜作用，一段時期位于連續(xù)的堆積加載的階段，然而在另一時期卻會導(dǎo)致卸載作用[7]。所以，土體前期固結(jié)所產(chǎn)生的部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，限制了因卸載產(chǎn)生的膨脹變形，使土體處于超固結(jié)狀態(tài)。土體在不斷開挖時，土體內(nèi)積聚的能量將逐漸釋放，卸荷膨脹效應(yīng)非常明顯，另外由于巨大應(yīng)力集中將在路塹邊坡坡腳附近產(chǎn)生，從而造成了塑性區(qū)，進(jìn)而影響路塹邊坡的可靠性與安全性。所以，在相同高度和坡度的路塹邊坡條件下，膨脹土路塹邊坡更易失去可靠性與安全性。

2.2.5 崩解

由于多裂隙膨脹土，雨水迅速沿裂隙土，在墻的兩側(cè)潮濕的土壤裂縫，滲透產(chǎn)生不同的內(nèi)力。在水膜的強(qiáng)大作用楔入效果，不同的土壤顆粒或各種形狀的解體，墜落等將發(fā)生在周圍的土塊崩解現(xiàn)象。

2.2.6 風(fēng)化

風(fēng)化作用包括物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。改變土壤顆粒，如所謂的物理風(fēng)化土壤結(jié)構(gòu)的形狀和外觀，發(fā)展中膨脹土的物理風(fēng)化作用將進(jìn)一步加劇裂縫。土壤礦物的化學(xué)風(fēng)化進(jìn)行更改，腫脹土壤的性質(zhì)也將受到影響。在這項(xiàng)研究中，依據(jù)膨脹土的發(fā)生風(fēng)化現(xiàn)象，伴有不同程度的風(fēng)化分別為膨脹土可分為三個層次的風(fēng)化層，這是一個強(qiáng)大的一層，薄弱層和微觀層面。

3 病害的預(yù)防和整治

3.1 整治原則

文章根據(jù)膨脹土基床的病害，其產(chǎn)生以及發(fā)展，并且結(jié)合了膨脹土特性以及水等的相互作用，并且這些整治的工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，以及軌道和路基的養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量都有著密切的關(guān)系。所以，要從這些因素開始進(jìn)行考慮，并且對于膨脹土的基床病害進(jìn)行綜合性整治以及對其進(jìn)行預(yù)防，因此在膨脹土基床病害整治中必須依據(jù)下面的原則：

（1）消除基床土質(zhì)不良等不利條件，主攻其一，兼顧其它的措施。（2）加強(qiáng)和改善路基排水條件，保持良好的排、截水設(shè)施，防止地下水侵入基床。（3）改善道床及軌道結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)軌道維修以緩和列車的沖擊作用。（4）改良基床填土的性質(zhì)。

3.2 整治方法和措施

3.2.1 排、截水

防治膨脹土基床病害重點(diǎn)之處是排、截水，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置反濾層及泄水孔的深側(cè)溝，縱向滲溝等。

3.2.2 設(shè)置改性樁

一般常用的主要有石灰樁、石灰煤碴樁以及水泥樁等，具體結(jié)果如圖1所示。

3.2.3 設(shè)置土工合成材料

設(shè)置土工合成材料要依據(jù)病害產(chǎn)生的原因，選擇不透水型的土工膜等。

3.2.4 換填部分基床膨脹土

路塹地段一般換填深度為0.6m，如圖2所示，在與側(cè)溝交界處設(shè)置作用良好的反濾層及泄水孔。路堤地段的換填深度，要視填筑膨脹土的土性等級，以及道碴陷槽、道碴囊的深度而定。

3.2.5 設(shè)置緩沖層一砂墊層或礫石墊層

這種墊層對降低其下膨脹土的含水量的變動幅度，減少膨脹土脹縮特性產(chǎn)生的主要外部原因，起到一定的作用；同時，可以在一定程度上緩沖和調(diào)整脹縮變形。緩沖層一般為0.3m。

4 工程實(shí)例

4.1 膨脹個土填料改良室內(nèi)試驗(yàn)

以某工程為例，根據(jù)設(shè)計(jì)石灰（包括生石灰、熟石灰）4%、5%、6%、7%、8%、10%摻入重量制備膨脹土試樣，對膨脹土試樣做改良室內(nèi)試驗(yàn)。

4.2 改良前填料的物理力學(xué)性質(zhì)

要排除麥面粉為基礎(chǔ)的填充物，是一種超固結(jié)高塑性排除土壤，較高的自然力量，水的物理性能差，那種擴(kuò)張的背后壓實(shí)土壤比原狀土大得多，通過濕試驗(yàn)，膨脹力，無側(cè)限的測試結(jié)果，原來是在一個弱膨脹原狀土壓實(shí)微擾被改造成一個強(qiáng)大的多數(shù)膨脹土壓實(shí)和擴(kuò)張后成正比變化的程度的關(guān)系。

4.2.1 物理特性

試驗(yàn)表明，原狀土具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，將值達(dá)到27.50，膨脹土無側(cè)限強(qiáng)度達(dá)到280kPa，弱力擴(kuò)張膨脹土樣分別約為420kPa，180kPa。

4.2.2 脹縮特性

從測試結(jié)果表明：弱膨脹土樣自由膨脹平均值分別約為31.1%和18.5%，弱膨脹土樣品的指標(biāo)在50kPa的擴(kuò)張負(fù)載量。

4.2.3 水理特性

通過崩解試驗(yàn)土樣顯示：一種弱膨脹土浸泡三個小時，崩解約70%，在48小時解體率為85%；中性膨脹土浸泡兩個小時，55%崩解，24小時完全崩解。

4.3 填料改良后物理性質(zhì)及顆粒級配的變化

4.3.1 物理性質(zhì)的變化

通過塑土，液試驗(yàn)表明：液限是基本相同的膨脹土改良前后，隨著灰分含量增加摻雜略有增加，但在限塑膨脹土改良，當(dāng)與灰混合顯著增加率為5%或約15.9%的增幅，中性那種膨脹土大約16.3%，28.8%-36.7%的弱膨脹土樣。

4.3.2 顆粒級配的變化

從測試看出：經(jīng)過改良，膨脹細(xì)土結(jié)構(gòu)，孔隙率降低，蒙脫石顆粒的球形集合體顯著增厚，進(jìn)一步驗(yàn)證了用石灰改良土作用。

4.3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

鐵路建設(shè)項(xiàng)目是弱或中度作為填料，有膨脹土，塑料，液限和較高的水分含量，主要由谷物為主排除粒度粉末沒有強(qiáng)烈的源泉。較弱的中性灰色超過6%的性膨脹土是5%最好的膨脹土混合。石灰改良土壤粒徑分布顯著改善；顯著降低塑性指數(shù)，等于或小于10的平均數(shù)；37.6%以下的平均膨脹率的自由；無側(cè)限強(qiáng)度上的提高（包括飽和無側(cè)限強(qiáng)度）的最低年齡限制以上，達(dá)到690kpa外形顯著較大，無副作用7D飽和強(qiáng)度，在880kPa以上的無側(cè)限強(qiáng)度值；在840kPa。28D飽和無側(cè)限強(qiáng)度值以上，無側(cè)限強(qiáng)度1.3mpa的上面，因此，石灰改良D類可用于填充膨脹土填筑路堤。

5 結(jié)束語

通過理論分析，石灰改良測試，現(xiàn)場測試等方式，探討了工程膨脹土的地質(zhì)特性，原理以及鐵路基床病害和病害的治理，進(jìn)行了較深入的討論，有針對性地提出施工技術(shù)，提高實(shí)驗(yàn)室檢測，施工工藝和操作后路基狀況。

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