無砟軌道路基上拱原因試驗研究

王鵬程，堯俊凱，陳 鋒，張千里

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

近年來，我國多條無砟軌道線路出現(xiàn)了路基上拱病害。由于無砟軌道對線路平順性要求極為嚴(yán)格，且變形調(diào)節(jié)能力有限，因此，路基及地基微小的上拱變形都會嚴(yán)重影響線路的正常運營[1]，最終只能采取限速措施，甚至拆除重建。上拱變形問題同樣存在于建設(shè)階段，如果不能合理地判斷、處理微膨脹填料，可能造成大量的填料浪費，引起棄砟等環(huán)境問題。

西北地區(qū)一典型工點路基從2014年8月—2016年6 月上拱變形曲線見圖1。可見，隨著季節(jié)的變化路基上拱變形持續(xù)增加，沒有明顯的回落變形。

圖1 典型工點路基上拱變形曲線

路基上拱變形的可能原因之一是膨脹土(巖)中的膨脹性物質(zhì)遇水膨脹、軟化、崩解，多發(fā)生在低矮路堤及路塹段。楊吉新等[2]對成渝高速鐵路路基上拱問題進(jìn)行了探討，認(rèn)為路塹上拱主要是由于特深路塹邊坡卸載引起的彈塑性體回彈隆起、路塹高邊坡及基床下巖體蠕變變形2種因素綜合造成的。崔曉寧等[3]對高速鐵路路基填料及地基土的膨脹性進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗并提出了新的分級標(biāo)準(zhǔn)。

研究發(fā)現(xiàn)，水泥改良填料在適當(dāng)?shù)臏囟取穸葪l件下與硫酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶體(如鈣礬石晶體)也會引起路基膨脹上拱，此類上拱持續(xù)時間較長。鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)主要由鈣離子、氧化鋁和硫酸鹽結(jié)合形成。鈣礬石最大的特點是會產(chǎn)生體積膨脹。當(dāng)鈣礬石形成時，一個鈣礬石晶體分子要結(jié)合和吸附31～32個水分子，其中點陣?yán)喂探Y(jié)合水6個，配位水26個，使鈣礬石的固相體積劇烈增大225%[4]。鈣礬石固相不穩(wěn)定，在一定條件下可轉(zhuǎn)化為水化硫鋁酸鈣。

與鈣礬石類似，硅灰石膏的生成過程也會引起體積膨脹，體積膨脹率約為鈣礬石的45%，不同之處在于硅離子替代了鋁離子。

文獻(xiàn)[5]對美國德克薩斯州82號公路東側(cè)路基上拱變形的原因進(jìn)行調(diào)查，認(rèn)為路基上拱是由土中石灰穩(wěn)定劑與硫酸鹽礦物質(zhì)之間的反應(yīng)引起的。掃描電子顯微鏡(SEM)試驗結(jié)果證明了鈣礬石的形成是上拱的主要原因。

文獻(xiàn)[6]述及馬德里和巴塞羅那之間高速鐵路某水泥改良填料填筑的路橋過渡段在2年的時間里持續(xù)上拱了120 mm，且降雨后膨脹率明顯增加，膨脹對路基和橋臺造成了嚴(yán)重的破壞。對上拱段路基填料進(jìn)行X射線衍射分析證實了膨脹性物質(zhì)鈣礬石存在。

本文對我國西北地區(qū)一無砟軌道線路多個典型上拱工點的路基填料及地基土進(jìn)行取樣分析，明確路基上拱的原因，為針對性地采取整治措施提供依據(jù)。

2 取樣與試驗方案

2.1 上拱工點情況

對我國西北地區(qū)一無砟軌道線路的上拱情況進(jìn)行全面調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)大部分上拱工點位于路橋(涵)過渡段。選取其中上拱變形較為嚴(yán)重的6個工點進(jìn)行取樣分析。6處工點地勢較平坦，橋涵過渡段均有不同程度開挖。

原設(shè)計情況為：基床表層采用級配碎石填筑，基床底層采用A,B組填料，基床以下采用B 組填料；在涵洞與路基過渡段，基床表層采用級配碎石摻5%的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥填筑，基床表層以下采用級配碎石摻3%的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。各工點的具體結(jié)構(gòu)特征及截至2017年9月的最大上拱變形見表1。

表1 上拱工點情況

在每個上拱監(jiān)測斷面的基床表層、基床底層、基床以下、地基分別進(jìn)行現(xiàn)場取樣。在路肩、路基坡腳處進(jìn)行開挖分別得到路基、地基不同深度的試樣。

2.2 試驗內(nèi)容

將現(xiàn)場取得的試樣過0.5 mm篩，依據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)[7]和《鐵路工程巖

土化學(xué)分析規(guī)程》(TB 10103—2008)[8]進(jìn)行化驗，主要內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)為：

1)膨脹性指標(biāo)。對自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等膨脹性指標(biāo)進(jìn)行化驗，依據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038—2012)[9]中有關(guān)膨脹土潛勢分類的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。土質(zhì)符合表2所列任意2項以上指標(biāo)時，即判定為該等級。

表2 膨脹潛勢分類標(biāo)準(zhǔn)

2)易溶鹽。對易溶鹽總量與碳酸根、重碳酸根、氫氧根、氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子等易溶鹽離子含量進(jìn)行化驗，計算各類易溶鹽離子占總質(zhì)量的比例。

3)礦物成分。通過X衍射分析(XRD)確定現(xiàn)場填料的礦物成分及其含量。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 膨脹土(巖)的影響

工點Ⅳ和工點Ⅵ泥巖地基的膨脹性判定結(jié)果(見表3)顯示，這兩處填土部分均不具有膨脹性，而地基泥巖均具有膨脹性，地基處的含水率也相對偏高。在2016年各工點采取防排疏水措施后，膨脹變形基本收斂，說明泥巖的膨脹變形是引起這2個工點上拱的主要原因。

表3 泥巖地基工點膨脹性判別

3.2 易溶鹽含量的影響

鹽漬土在溫度、含水率發(fā)生變化時，鹽分吸水結(jié)晶并析出而造成土粒間孔隙增大，體積膨脹引起上拱?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[10]規(guī)定，土中易溶鹽含量>0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時應(yīng)判定為鹽漬土。對上拱段地基土及路基填料的易溶鹽監(jiān)測分析結(jié)果見表4，可見，上拱段的易溶鹽含量偏高，部分試樣已經(jīng)達(dá)到或接近了鹽漬土的標(biāo)準(zhǔn)。所有試樣中，工點Ⅲ填料及地基土的易溶鹽含量最低，其對應(yīng)的上拱變形也最小；易溶鹽含量相對較高的Ⅰ工點，其上拱變形也相對較大，說明易溶鹽含量與上拱變形具有正相關(guān)性。

表4 上拱工點鹽分與變形情況

3.3 水泥改良填料的影響

在前期對工點Ⅴ上拱偏移工點的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，路基上拱的同時兩側(cè)電纜槽向外側(cè)推出。初步分析認(rèn)為這是由基床表層膨脹引起。通過基床表層材料的礦物成分分析發(fā)現(xiàn)其含有針狀鈣礬石(見圖2)。

圖2 鈣礬石針狀晶體掃描電鏡圖像

XRD試驗分析同樣發(fā)現(xiàn)土樣含有鈣礬石(見表5)。

表5 工點Ⅴ基床表層XRD試驗測得主要礦石含量 %

此外，工點Ⅱ地基頂部水泥卵礫石墊層的XRD試驗分析發(fā)現(xiàn)其含有大量硅灰石膏(見表6)，以往的路基上拱變形可能與此有關(guān)。

表6 工點Ⅱ地基頂部水泥卵礫石墊層XRD試驗 測得主要礦石含量 %

由于鈣礬石及硅灰石膏的形成過程伴隨著較大的膨脹，認(rèn)定硫酸鹽侵蝕水泥改良填料形成這兩種礦物的過程是路基上拱的可能原因之一。

4 結(jié)論

1)膨脹性指標(biāo)檢測結(jié)果表明，上拱區(qū)段與泥巖的膨脹性特征相吻合。

2)路基填料和地基土中均含有不同程度的易溶鹽，易溶鹽含量與上拱變形呈正相關(guān)性，說明含少量鹽分的地基土或填料的膨脹也會嚴(yán)重影響線路的平順性。

3)摻水泥級配碎石和水泥卵礫石墊層中含有鈣礬石、硅灰石膏等成分，其形成過程中產(chǎn)生膨脹變形，以往的上拱變形可能與此有關(guān)。

4)鹽、泥巖引起的膨脹變形均與水有關(guān)，上拱變形層位的試樣含水率偏高。從上拱工點的結(jié)構(gòu)形式、地形地貌特征來看，上拱處通常地勢平坦，過渡段均有不同程度的下挖，易匯水。建議對上拱地段的路基采取防水、排水、疏水措施。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB 10716—2013 高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2013.

[2]楊吉新，馬旭超，劉前瑞.關(guān)于成渝高鐵路基上拱問題的探討[J].鐵道建筑，2016,56(8):112-115.

[3]崔曉寧，王起才，張戎令,等.基于無砟軌道膨脹路基的膨脹土分類分級試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17(12):248-251.

[4]TALLURI N，PUPPALA A,CHITTOORI B.Calcium-based Stabiliser Treatment of Sulfate-bearing Soils[J].Ground Improvement,2014，167(3)：162-172.

[5]CHEN D H,HARRIS P,SCULLION T.Forensic Investigation of a Sulfate-Heaved Project in Texas[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，2005，19(4):324-330.

[6]ALONSO E E,RAMON A.Massive Sulfate Attack to Cement-treated Railway Embankments[J].Geotechnique，2013，63(10):857-870.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2010 鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB 10103—2008 鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

[9]中華人民共和國鐵道部.TB 10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2012.

[10]中華人民共和國建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.