既有鐵路線粉土路基分析及處理試驗(yàn)

姚殿梅，周 彬

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西西安 710064）

鐵路路基是軌道的基礎(chǔ)，也是整個(gè)行車系統(tǒng)的重要組成部分，其狀態(tài)良好與否直接影響到列車行進(jìn)中的平穩(wěn)、安全。中國鐵路既有線由于其建成時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏低，在不良土質(zhì)條件、氣候水文環(huán)境及列車動(dòng)荷載作用下，各種路基病害頻繁發(fā)生。隨著列車不斷提速、行車密度增加、牽引質(zhì)量及車輛軸重加大，加劇了線路和列車的振動(dòng)，加快了路基的累積變形和疲勞破壞，會(huì)導(dǎo)致鐵路線路的各種病害，尤其是廣泛分布在黃淮海平原地區(qū)的粉土路基。

粉土作為一種特殊的路基填料，具有弱可塑性、低粘結(jié)性和高分散性等特點(diǎn)，工程性質(zhì)極不穩(wěn)定，被現(xiàn)行鐵路路基規(guī)范列為C類填料，不適合填筑路基基床［1］。但由于早期缺乏對(duì)粉土特殊工程性質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)，中國既有的幾條重要鐵路干線均采用了該類土填筑路基和基床。肖軍華［2］指出：當(dāng)線路平順性較差、路基壓實(shí)系數(shù)不高時(shí)，粉土路基的長期沉降隨列車速度提高及列車荷載作用次數(shù)增加而線性增長。因此，粉土路基在列車動(dòng)荷載和基床土質(zhì)濕度增加的共同作用下會(huì)形成病害，給高速鐵路路基的穩(wěn)定性帶來很大的隱患。

為增強(qiáng)粉質(zhì)土路基的穩(wěn)定性，往往用土壤固化劑對(duì)粉土進(jìn)行穩(wěn)定，土壤固化穩(wěn)定就是通過采取一定的物理化學(xué)方法和相應(yīng)的技術(shù)措施改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，綜合提高土的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性［3］。多年來，很多專家致力于對(duì)粉土改良劑的研究，以期改善鐵路粉土路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性：張西海［4］等人對(duì)河南商丘段粉土路基采用水泥和水泥粉煤灰進(jìn)行改良試驗(yàn)，取得了較好的效果；葛蘇閩［5］等人采用SEU－2型固化劑對(duì)黃河沖擊地區(qū)粉土路基進(jìn)行改良試驗(yàn)，論證了采用該固化劑的可行性；陳燕［6］等人進(jìn)行了水泥改良粉土路基室內(nèi)試驗(yàn)研究，得知：水泥改良粉土后，粉土的物理力學(xué)性質(zhì)得到了很大改善。曹玉［7］等人對(duì)京滬高速鐵路寧滬段粉土路基采用水泥和生石灰等進(jìn)行改良，效果較好。作者擬通過對(duì)粉土的特點(diǎn)和粉土路基水損害分析，采用SCP除濕劑［8］為改良劑，與水泥、生石灰進(jìn)行室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，研究改良后粉土的物理性質(zhì)指標(biāo)、顆粒組成、強(qiáng)度及水穩(wěn)定性的變化，以期為改良不斷沉降的高速鐵路粉土路基提供進(jìn)一步的參考。

1 粉土的特點(diǎn)

1.1 粉土的顆粒組成

《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中，將粒徑大于0.075mm的顆粒摻量不超過全部質(zhì)量50%、且塑性指數(shù)小于或等于10的土定名為粉土。粉土的顆粒由細(xì)砂粒、粉粒和粘粒組成，且粘粒摻量較低，大多小于10%，中國主要粉土分布區(qū)顆粒分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1［9］。

表1 粉土顆粒分析成果Table 1 Analysis results of silty sand particles

1.2 粉土的結(jié)構(gòu)特征

粉土含有較多的粉粒，干燥時(shí)雖具有粘結(jié)力，但易被粉碎，揚(yáng)塵大，且浸水時(shí)很快被濕透，易成流體狀態(tài)。粉性土的毛細(xì)水上升高度大，顆粒小，容易使路基產(chǎn)生水分累積，造成嚴(yán)重的冬季凍脹，春融翻漿，線路病害情況嚴(yán)重。此外，粉砂土因內(nèi)摩擦角大、內(nèi)聚力較低、滲透系數(shù)高及抗沖刷能力差，會(huì)導(dǎo)致邊坡沖蝕、坍塌和基床陷穴等病害。

1.3 粉土路基的水損害分析

以粉土為填料的路堤在水分和壓力作用下會(huì)產(chǎn)生液化。當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度時(shí)，在列車荷載作用下，由于路基不能及時(shí)排水，而形成孔隙水壓力。當(dāng)孔隙水壓力達(dá)到與圍壓相等時(shí)，有效應(yīng)力變?yōu)榱?，粉土顆粒處于懸浮狀態(tài)，出現(xiàn)液化，顆粒沿著路堤薄弱面流動(dòng)，導(dǎo)致路基土流失，在路基下形成空洞［10］。

水對(duì)粉土路基的損害既有表面的破壞，又有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。粉土粘性弱，在雨水作用下，路堤逐漸出現(xiàn)邊坡沖孔或拉溝、路肩溜坍現(xiàn)象；路基面出現(xiàn)塌坑、下陷，在路堤邊坡形成腰漏，路堤中下部出現(xiàn)空洞。由于粉土易受到大氣降水的沖刷以及道碴囊中積水的滲透破壞，導(dǎo)致路堤中粉砂土流失，引起線路路基下沉，道碴囊病害進(jìn)一步加劇和擴(kuò)大，出現(xiàn)較大規(guī)模的道碴囊且聚集更多的地表水，最終引發(fā)路堤邊坡溜坍、基床及路肩塌陷，嚴(yán)重危及行車安全。

2 粉土路基處理試驗(yàn)

2.1 粉土改良劑的選擇

土質(zhì)改良時(shí)，常用的改良劑有石灰（消石灰和生石灰）、水泥及粉煤灰等。水泥加入土中，水泥中各成分與土中水發(fā)生了強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng)，分解出Ca（OH）2，且生成各種水化物。各水化物繼續(xù)硬化，并在土中形成水泥石骨架。但有研究［11］表明：Ca（OH）2會(huì)與粉粒和粘粒作用，使堿性介質(zhì)不能順利形成，會(huì)妨礙水泥水化物的正常硬化，繼而影響進(jìn)一步的減水能力，無法快速有效地降低過濕土的含水率；生石灰減水能力較強(qiáng)，但對(duì)施工作業(yè)時(shí)間有一定的要求；粉煤灰的吸水能力弱，強(qiáng)度提高不明顯，且工藝復(fù)雜，因此，目前較多地使用水泥作為改良劑。

SCP除濕劑是一種化學(xué)除濕劑，由生石灰、鋁粉以及其他輔助材料組成。該除濕劑的除濕原理為化學(xué)反應(yīng)過程：CaO＋H2O＝Ca（OH）2，2Al＋6H2O＝2Al（OH）3＋3H2。其原理及試驗(yàn)已證實(shí)該除濕劑在黃土地區(qū)有較好的除濕固化效果［8］，本研究將SCP除濕劑作為改良劑，應(yīng)用于粉土路基中，與水泥、生石灰進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，摻量分別為1%～4%，研究不同改良劑的配比及對(duì)粉土的改良性能。

2.2 改良劑室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)所選土樣的天然含水率為23.8%，夯實(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為128kPa，飽和抗壓強(qiáng)度為35kPa，對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，該土樣的最大干密度為1.77kg／cm3，最佳含水率為14.8%。

圖1 粉土土樣干密度隨含水率變化曲線Fig.1 Silty sand dry density versus water content of the silty sand

2.2.1 改良土物理性質(zhì)

為觀測(cè)各改良劑對(duì)原狀土樣的影響，參照現(xiàn)有研究［6－7］，按照3%的摻量對(duì)原狀土樣進(jìn)行改良，14d后測(cè)試改良后土樣的物理性質(zhì)，其結(jié)果見表2。從表2中可以看出，土中摻入改良劑后，液限、塑限及塑性指數(shù)均增大。這表明土的顆粒變細(xì)，比表面積變大，土顆粒之間的結(jié)合力提高，可塑性增強(qiáng)。

2.2.2 改良土力學(xué)性質(zhì)

在原土樣中摻入1%～4%的改良劑，14d后測(cè)試土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2，3所示。從圖2中可以看出，無論使用哪種改良劑，粉土的強(qiáng)度均增大。但隨摻量的不同，強(qiáng)度曲線變化有所不同。水泥改良粉土?xí)r，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大而增加。從1%～3%摻量時(shí)，變化最明顯。之后繼續(xù)增大摻量，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長趨緩。當(dāng)摻量為4%時(shí)，可達(dá)到550kPa。用SCP除濕劑改良時(shí)，粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大而增加，其增加趨勢(shì)與水泥類似。當(dāng)摻量為4%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到590kPa。而生石灰改良粉土?xí)r，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈拋物線變化。且在摻入量3%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為504kPa，是未改良前無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的3倍以上。當(dāng)改良劑摻量均為3%時(shí)，SCP除濕劑的改良效果最佳。

表2 改良后土樣的物理性質(zhì)Table 2 The physical properties of improved silty sand

圖2 粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻量關(guān)系曲線Fig.2 Unconfined compressive strength versus the content of additives

圖3 粉土飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻量關(guān)系曲線Fig.3 Compressive strength versus the content of additives

從圖3，4中可以看出，改良后粉土飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，水穩(wěn)定性明顯改善。粉土中摻入水泥時(shí)，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大而增強(qiáng)。當(dāng)粉土中加入3%水泥時(shí)，其飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是未摻入水泥土的3.8倍。飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與不浸水強(qiáng)度相比，未摻入水泥時(shí)，土飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了73%。摻入3%水泥、生石灰及除濕劑時(shí)，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別降低了49%，49%及45%。由此可見，粉土中加入一定量的改良劑，其水穩(wěn)定性也有明顯的改善，且SCP除濕劑改良土浸水后強(qiáng)度降低率最小。

圖4 改良粉土浸水后強(qiáng)度下降率Fig.4 Strength decline ratio after the immersion

由于所使用的除濕劑中含有生石灰等，遇水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可達(dá)到降低含水率的作用；同時(shí)，鋁粉在堿性環(huán)境中與水作用生成的兩性氫氧化物Al（OH）3克服了單獨(dú)采用生石灰時(shí)后期氫氧化鈣與粉粒作用對(duì)水化造成的不利影響，有效地增強(qiáng)了改良劑的減水能力。此外，其處理粉土路基后的產(chǎn)物可改善粉土的顆粒組成等。因此，除濕劑在處理粉土路基時(shí)體現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

1）粉土的顆粒組成和摻量決定了粉土的物理力學(xué)性質(zhì)：內(nèi)摩擦角大，內(nèi)聚力較低，滲透系數(shù)高，抗沖刷能力差。因此，在長期的荷載作用下，會(huì)導(dǎo)致路基各種病害的產(chǎn)生。

2）粉土強(qiáng)度低，夯后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為128kPa；水穩(wěn)定性差，夯后飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為35kPa，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少了73%。

3）水泥作為改良劑，粉土中摻入1%～4%水泥改良后，粉土的塑液限指標(biāo)、力學(xué)強(qiáng)度及水穩(wěn)定性均大大提高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大。因此，經(jīng)水泥改良后粉土的經(jīng)濟(jì)性和效果得到了進(jìn)一步的肯定，但考慮到經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，合理確定，以滿足鐵路線路提速的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）粉土中摻入SCP除濕劑作為改良劑時(shí)，粉土的物理力學(xué)性能也有較大的改善。隨著摻量的增大，粉土強(qiáng)度逐漸增大。且摻量大于2%后，采用SCP除濕劑改良粉土的強(qiáng)度優(yōu)于用水泥改良劑的?；诤侠淼膿搅亢土己玫捻?xiàng)目，引進(jìn)該除濕劑作為粉土改良劑的思路也是可行的。

5）當(dāng)采用SCP除濕劑改良粉土路基時(shí)，如何進(jìn)一步完善施工工藝、降低成本，還需要進(jìn)一步研究。

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