黃土高原鐵路路基影響因素分析及防護研究

王美玉

（晉能控股山西煤業(yè)股份有限公司塔山鐵路分公司 山西大同037003）

0 引言

黃土高原位于黃河中游地區(qū)，是世界上水土流失最為嚴重的區(qū)域之一[1]，地質(zhì)疏松，氣候干旱，雨水量少而集中，降雨多集中于夏季，且植被較少，存在嚴重土壤侵蝕問題，地基承載力差[2]。在這個區(qū)域修建鐵路專用線，就需要解決地基承載力和穩(wěn)定性的問題。本文結(jié)合黃土地基承載力相關(guān)技術(shù)標準，對黃土高原地質(zhì)特性作一個簡要分析，通過對山西省大同市南郊區(qū)塔山鐵路分公司鐵路線路的路基建設(shè)及養(yǎng)護情況的分析，對比了漿砌片石滿砌護坡及骨架護坡的施工工藝和使用效果，為鐵路路基護坡施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 黃土高原的地質(zhì)特性

1.1 氣候特性

溫帶季風(fēng)氣候：夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。冬冷夏熱，雨熱同期。

1.2 地質(zhì)特性

黃土高原位于中國中部偏北，面積40萬km2，海拔1 000 m～1 500 m，高原上覆蓋深厚的黃土層，黃土厚度在50 m～80 m之間，最厚達150 m～180 m。土質(zhì)疏松，暴雨集中，地表缺乏植被保護，地基承載力差。溫帶季風(fēng)氣候影響和水土流失問題造成了黃土高原地面溝壑縱橫，黃土中易溶性鹽類、石膏、碳酸鹽等遇水后隨著礦物溶解，土體會迅速分散、崩解。黃土的抗侵蝕能力很弱。黃土中孔隙度一般可達45%～50%，尤其大孔隙特別突出，成為土體中水體和細粒物質(zhì)遷移的通道，導(dǎo)致地基承載力下降。

2 地基承載力影響因素

2.1 抗震設(shè)防烈度

參考《GB50011-2013建筑抗震設(shè)計規(guī)范》國家標準?？芍?，大同、朔州、渾源、寧武等地抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計基本地震加速度值為0.10G。

2.2 濕陷性黃土地質(zhì)特性

黃土本身是一種較為特殊的土壤，土質(zhì)疏松，顆粒間有較大的孔隙。一旦經(jīng)雨水沖刷，就會使黃土地質(zhì)表面及土質(zhì)結(jié)構(gòu)遭受極大的破壞，最終導(dǎo)致黃土土質(zhì)呈較大輻度變形以及附加性的下沉，形成濕陷性黃土[3]。

2.3 提高黃土地基承載力的措施

針對以上黃土土質(zhì)特性，在黃土地區(qū)建筑工程建設(shè)之前，需要提高該區(qū)域的承載能力，首先要對濕陷性黃土進行一系列分析，包括對濕陷性黃土區(qū)域成因、黃土下沉實際狀況、在此區(qū)域施工建設(shè)所需要的最小承載力等。

目前對于鐵路路基地基承載力各規(guī)范有不同的要求。《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106——2010)中3.3.2條“復(fù)合地基處理后的地基,承載力應(yīng)滿足下式要求Pk≤k[σ]式中,Pk為基底壓力;[σ]為處理后的地基容許承載力;k為地基承載力計算修正系數(shù),對于路堤、場坪等柔性基礎(chǔ)地基可取1.2～1.5。按上述要求,處理后地基容許承載力應(yīng)滿足[σ]≥Pk/k=(0.66～0.83)Pk。《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001-2005)中7.1.5條規(guī)定“地基表層為軟弱土層,當(dāng)其靜力觸探比貫入阻力Pk值:I級鐵路小于1.2 MPa,Ⅱ級鐵路小于1.0 MPa時;或天然地基基本承載力:Ⅰ級鐵路小于0.15 MPa,Ⅱ級鐵路小于0.12 MPa時,應(yīng)根據(jù)軟弱土層的性質(zhì)、厚度、含水率、地表積水深度等,采取地基加固措施”。

從鐵路工程實用、經(jīng)濟、安全角度考慮，鐵路路基在滿足變形要求前提下，對于無砟軌道，一般要求工后沉降不超過15 mm,按規(guī)范取值。對于有砟軌道可在規(guī)范的基礎(chǔ)上將承載力特征值適當(dāng)擴大，地基承載力分項系數(shù)如表1。天然黃土地基在不同路堤高度下的總沉降量及工后沉降量見表2。

表2 天然黃土地基在不同路堤高度下的總沉降量及工后沉降量

從表2可以知，按標準一計算的鋪軌前后總沉降量隨路堤高度的增加而增大，而工后沉降量隨路堤高度的增加而減小，并且在兩種活載作用下都滿足工后沉降小于5 cm的要求。標準二全滿足要求。標準三全部不滿足要求。按標準一計算，中活載比ZK活載的工后沉降量大11%左右，按標準二和三計算，中活載比ZK活載的工后沉降量大1.4%左右。

3 濕陷性黃土承載力

3.1 常見的提高濕陷性黃土承載力的方法

有沖基碾壓法、強夯加固法、預(yù)進水方法以及深層攪拌法。其中，深層攪拌法操作簡單，可行性強，幾乎不產(chǎn)生污染，不需要過度依靠大型機械裝置，最為實用。強夯加固法是最為經(jīng)濟、常規(guī)的一種方法，但會用到夯錘等大沖擊力的裝置，會在該濕陷性黃土區(qū)域產(chǎn)生較大污染。最為經(jīng)濟、但效果不夠長久的是預(yù)進水法。

3.2 提高黃土地基承載力方法論述

K1+289-K1+437.7漿砌片石護坡工程，施工順序:平整坡面一放樣掛線一施工袋裝砂礫石反濾層一分段施工漿砌片石(或混凝上塊)、施工泄水孔、伸縮縫。

砌塊的施工順序應(yīng)自下而上進行。砌塊采用擠漿法分段砌筑,分段位置宣設(shè)在伸縮縫處,分層水平砌縫應(yīng)大致水平。各砌塊的砌縫應(yīng)相互錯開,砌縫砂漿應(yīng)飽滿。各砌層應(yīng)先砌外圈定位砌塊,并與里層砌塊交錯連成一體。圬工所用石料應(yīng)選用不易風(fēng)化的石料,其抗壓強度不小于30 MPa。通過夯實路基基礎(chǔ)，鋪漿砌片石基礎(chǔ)，可以很大程度上加強護坡的地基承載力。

K7+350-K8+000處拱形骨護坡工程采用M7.5漿砌片石4×3 m拱型截水骨架。

護坡防護,截水槽采用C25預(yù)制混凝土砌筑,主骨架厚0.5 m,骨架每隔15 m～20 m設(shè)置伸縮縫一道,縫寬0.02 m,采用瀝青麻筋全斷面填塞,骨架內(nèi)植草+栽種紫穗槐。詳見4.1.1的附圖。通過骨架護坡、種植草皮的方式，經(jīng)濟、環(huán)保，提高了護坡的地基承載力，解決了水土流失問題延長了護坡使用年限。

4 黃土地區(qū)鐵路路基護坡修砌施工中應(yīng)該注意的問題

基于對上述黃土地區(qū)地質(zhì)特性的分析，在應(yīng)用到鐵路路基護坡工程中，常見作法有以下幾種：鐵路路基護坡常見的作法有植物防護和工程防護，植物防護顧名思義，就是采用種植防護的方法，通常有骨架護坡。工程防護又分為框格防護、封面、護面墻、干砌片石護坡、漿砌片石護坡、漿砌預(yù)制塊護坡、錨桿鋼絲網(wǎng)噴漿、噴射混凝土護坡等。

4.1 漿砌片石與種植護坡作用效果對比情況

4.1.1 漿砌片石防護方案

選大同某運煤專用線鐵路路基K1+289-K1+437.7處護坡，于2005年建設(shè)，采用漿砌片石，坡度1：1～1：1.5，設(shè)計見圖1.

圖1 原漿砌片石護坡設(shè)計圖

2015年監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)護坡已有明顯的基礎(chǔ)沉降，沉降約5 cm～8 cm，表面鼓包變形，地基承載作用已趨近于失效，于是，在2015年重新做了護坡。

4.1.2 種植護坡防護方案

2006年在同忻站K7+350-K8+000處采用拱形骨護坡，見圖2，種植草籽，養(yǎng)護、補種，通過養(yǎng)護一到兩年，直至出苗率達到80%覆蓋率，通過植物根系牢牢抓住水份，起到很好的水土保持作用，但由于陰陽護坡的特定原因，導(dǎo)致陰面護坡種植草長勢不好，相對沒有陽面護坡的地基承載力穩(wěn)定。通過2007、2008年連續(xù)兩年觀測發(fā)現(xiàn)護坡凍融循環(huán)現(xiàn)象突出，不能很好的保護護坡地基，抵抗雨水沖刷效果相對較差。

圖2 拱形骨護坡設(shè)計圖

4.2 護坡數(shù)據(jù)對比

序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9比較因素抗壓強度（28d）空隙率透水系數(shù)（定水位法）反濾作用透水性抗震性能抗侵蝕、堆土流失性能生態(tài)親和性能及特征技術(shù)要求骨架護坡M7.5以下15-25%0.1cm/s以上反濾效果顯著具有良好的透水性，可實現(xiàn)自由排水，故堤體及坡面都具有高度的安全性。對地震時的變形適應(yīng)性強。由于自身具整體的過濾效果對侵蝕、水土流失具有一定的抵抗性能。保持完整的水土生態(tài)溝通系統(tǒng)，具有良好的生態(tài)和環(huán)境親和性能，內(nèi)部連通的孔隙可使水、空氣等自由滲透，適合植物生長，提高自然凈化能力。施工簡單漿砌片石M7.5-M10砂漿不存在連通空隙1.0×10-9-5.0×10-7cm/s需做反濾層，本身不存在此功能不具備透水性，其排水只能通過排水孔來實現(xiàn)。與護坡基層剛度相差甚大，地震時由于兩者動態(tài)特性不同而導(dǎo)致變形過大而斷裂。使用設(shè)置濾層、排水孔等方法，易造成流線集中且流速較快，土粒子流失較嚴重?？骨治g性能強。無生態(tài)性能及特征。對石材需處理加工，施工要求高。

5 結(jié)論

砌筑護坡時不僅要注意地質(zhì)條件、自然氣候、工程坡度等問題，還需要有施工地點周圍的地質(zhì)勘測報告，要清楚周邊土質(zhì)是否存在濕陷性黃土，注意取必要措施改善地基承載力。如果必須要交叉作業(yè)時需詳細研究設(shè)計方案，確保施工質(zhì)量。

建議對于坡度在1：1～1：2之間，或坡面位于溝岸、河岸，下部可能遭受水流沖刷，且洪水沖擊力強的防護地段，宜采用漿砌石護坡。對坡比小于1.0：1.5，土層較薄的沙質(zhì)或土質(zhì)坡面，可采取種草護坡工程。兩者使用年限不同，需要不定期巡視監(jiān)測，相對片石護坡使用年限更長，基礎(chǔ)承載力更好。但對于施工難度大、土層較厚，溫度、溫度和當(dāng)?shù)亟涤炅砍渥?，具備種植 條件的護坡，可優(yōu)先采用種植護坡。