1、黃土鐵路路基概況
在我國(guó)西北、華北廣大黃土地區(qū)，分布著數(shù)條鐵路干線，主要有隴海線、寶中線、蘭新線、寶蘭線、蘭青線等等。黃土一個(gè)顯著的特點(diǎn)是在天然狀態(tài)下，未受水浸濕的黃土具有較高的強(qiáng)度，較小壓縮性，但當(dāng)遇水浸濕后，由于黃土大孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生了濕陷變形。
黃土的濕陷性和它本身所具有的大孔隙結(jié)構(gòu)及其所含的易溶鹽等化學(xué)物質(zhì)成分有關(guān)。大孔隙結(jié)構(gòu)的四周由于有可溶鹽濃縮所形成的膠結(jié)物質(zhì)的存在，增強(qiáng)了土粒間抗滑移的能力，阻止了土體在上覆自重壓力下的壓密。另外，由于碳酸鈣等物質(zhì)的膠結(jié)作用，使顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度增加，因而在天然含水量狀態(tài)下，未受水浸濕的黃土具有較高的強(qiáng)度，較小壓縮性。但當(dāng)黃土受水浸濕后，結(jié)合水膜增厚，結(jié)合水聯(lián)結(jié)消失，顆粒四周的膠結(jié)鹽類也溶于水中，因此顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，在上部建筑物荷重作用下，大孔隙結(jié)構(gòu)破壞，顆?；虼罂紫叮紫扼w積減小，土體被壓密，黃土則出現(xiàn)了濕陷變形。黃土路基病害在行車速度不太高，行車密度不大，列車軸重較低時(shí)并不顯得十分突出。但隨著列車朝高速、重載方向發(fā)展時(shí)，在黃土鐵路路基中，作為直接承受行車及軌道荷載作用，直接受到降雨影響的路基基床，尤其是基床表層部分，所產(chǎn)生的病害所造成的不利影響非常突出。
2、濕陷性黃土路基防治的基本方法
2.1整治黃土路基病害的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)
為了提高用濕陷性黃土修筑的鐵路路基工作性能，提高其抗變形能力，提高基床表層土體穩(wěn)定性，對(duì)黃土路基基床進(jìn)行改良和病害整治是必須的，國(guó)內(nèi)外都對(duì)此開(kāi)展了大量研究。由于黃土的濕陷性，使得路基產(chǎn)生了差異沉降，建筑物遭到了破壞。針對(duì)既有建筑物所出現(xiàn)的這種事故，要對(duì)路基進(jìn)行處理，必須分兩步進(jìn)行。首先應(yīng)找出使路基土濕陷的水源，截?cái)嗨?；其次必須?duì)已經(jīng)濕陷的路基進(jìn)行加固。采用經(jīng)濟(jì)、可靠的加固手段，使路基土的濕陷變形停止、承載力滿足上部結(jié)構(gòu)荷重的要求。
軟弱路基的處治方法許多，如：“換土、碎石樁、旋噴樁、灰砂樁以及加入土工格柵等。這些方法主要用于結(jié)構(gòu)物以及公路、鐵路路基在修建之前對(duì)軟弱路基進(jìn)行預(yù)先處治。但是對(duì)于鐵路路基修筑之后，特別是道路通車數(shù)年之后，發(fā)現(xiàn)因軟弱路基的原因使路基下沉、線路幾何尺寸難以維持，在這種狀態(tài)下，對(duì)路基下的軟弱路基進(jìn)行處治是非常困難的，尤其是對(duì)于像天蘭線這樣車流密度很大的鐵路干線，采取通常的處理方法處治，需要中斷行車，而且要大范圍破壞道床結(jié)構(gòu)，是不可行的。
2.2劈裂壓漿法加固黃土路基基床基本原理
由于路基長(zhǎng)，工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化，而且機(jī)具、材料等條件也會(huì)因地區(qū)不同而有較大差別。因此，對(duì)每一具體線段都要進(jìn)行細(xì)致分析，從路基條件、處理要求（包括處理達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)、處理范圍）、工程費(fèi)用、材料、機(jī)具等諸多方面進(jìn)行考慮，以確定合適的路基處理方法。鐵路的路基處理不同于其它建筑物地基的處理，鐵路路基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。
對(duì)非自重濕陷性黃土路基，如基礎(chǔ)下路基處理厚度達(dá)到壓縮層下限，或達(dá)到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始?jí)毫?，就可以認(rèn)為路基的濕陷性全部消除。對(duì)自重濕陷性黃土路基，由于路基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關(guān)，而與壓縮層厚度無(wú)關(guān)，所以必須處理基礎(chǔ)地面以下的全部自重濕陷性黃土層。
在非自重濕陷性黃土路基上，對(duì)Ⅰ級(jí)濕陷性黃土一般不需要路基處理。對(duì)于Ⅱ級(jí)處理厚度為1.0～1.5m，如處理厚度小于1.0m時(shí)，濕陷性仍要危及構(gòu)筑物或線路安全。對(duì)于Ⅲ級(jí)濕陷性黃土，處理厚度為1.0～2.0m，Ⅳ級(jí)應(yīng)為2.0～3.0m。此外，應(yīng)根據(jù)土層的濕陷性系數(shù)的分布情況，濕陷性黃土層的厚度等具體情況，適當(dāng)增加或減少處理厚度。
本文結(jié)合隴海線整治濕陷性黃土路基病害的具體工程實(shí)例對(duì)劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。劈裂壓漿是利用路基的最小主應(yīng)力面和堤軸線方向一致的規(guī)律，以土體水力劈裂原理，沿線路縱向布孔，在壓漿壓力下，以適宜的漿液為能量載體，有控制地劈裂路基，在路基形成密實(shí)、豎直、連續(xù)、一定厚度的漿液防滲固結(jié)體，同時(shí)與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實(shí)，從而提高基床表層土體穩(wěn)定性。
3、劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應(yīng)用
3.1工程概況
隴海鐵路天蘭復(fù)線于2002年建成通車，在2003年秋季由于該區(qū)域連降大雨致使天蘭復(fù)線出現(xiàn)多處路基下沉。從2005年下半年開(kāi)始，在和有關(guān)部門(mén)配合下，開(kāi)始采用劈裂壓漿法對(duì)天蘭復(fù)線軟弱路基路段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)施工。前后從K1427～K1666區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)橋頭、隧道洞口、單線、雙線等多處路段進(jìn)行了壓漿補(bǔ)強(qiáng)工作。
3.2劈裂壓漿的機(jī)理
劈裂壓漿是利用水力劈裂原理和路基土中小主應(yīng)力的分布規(guī)律，在一定的壓漿壓力作用下，將漿液用高壓泵壓入到地層當(dāng)中，以克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，地層中的固有裂縫擴(kuò)展變寬變長(zhǎng)，然后漿液充填到了地層的所有裂縫當(dāng)中，在路基中形成了許多樹(shù)枝狀或板狀凝固體，而且使凝固體周圍一定范圍內(nèi)的土體，由于漿液高壓力的作用被擠密，從而形成了復(fù)合路基，使路基土的承載力提高、壓縮性降低、濕陷性大幅度減小。
3.2.1漿在土體中運(yùn)動(dòng)的三個(gè)階段
?。?）鼓泡壓密階段。漿液進(jìn)入土體形成漿泡并向外擴(kuò)張，使?jié){泡土體中引起復(fù)雜的徑向和切向應(yīng)力系統(tǒng)，緊靠漿泡處的土體遭受嚴(yán)重的破壞和剪切，并形成塑性變形區(qū)，使土體擠密。
?。?）劈裂階段。漿液在壓漿壓力作用下，先后克服地層的初應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，漿液由此切人，擠密土體，并與土體發(fā)生物理和化學(xué)作用，形成作為骨格的漿脈。
?。?）被動(dòng)土壓力階段。通過(guò)前兩階段的作用，土體得到初步加固，土中的軟弱面、孔隙及裂隙都被填充滿，此時(shí)漿液在較高壓力作用下，克服土的被動(dòng)土壓力，擠密土體使其固結(jié)，同時(shí)漿脈周圍的土體也被壓密，形成了以漿脈網(wǎng)絡(luò)為骨架的復(fù)合固結(jié)土體。
3.2.2壓漿的應(yīng)力計(jì)算
?。?）砂和砂礫石地層可按照有效應(yīng)力的庫(kù)侖一莫爾破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算：
由于壓漿壓力的作用，使砂礫石土的有效應(yīng)力減小。當(dāng)壓漿壓力pe達(dá)到下式時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致地層的破壞：
隨著孔隙水壓力的增加，有效應(yīng)力就逐漸減小而至與破壞包線相切，此時(shí)表明砂礫土已開(kāi)始劈裂。
?。?）粘性土地層在粘性土地層中，水力劈裂將引起土體固結(jié)及擠出等現(xiàn)象，在只有固結(jié)作用的條件時(shí)，可用下式計(jì)算注入漿液的體積V及單位土體所需的漿液量Q：
劈裂壓漿施工前，先是在基礎(chǔ)的外側(cè)周圍布設(shè)灰土樁作為帷幕，然后在灰土樁的內(nèi)側(cè)靠近基礎(chǔ)一邊布設(shè)壓漿孔。灰土樁的作用有三個(gè)：
?。?）起帷幕作用，防止劈裂壓漿的漿液外竄，使?jié){液能夠進(jìn)入到基礎(chǔ)底。
?。?）與劈裂壓漿的漿液一起，形成一道防滲墻，阻止基礎(chǔ)以外的水入浸路基。
?。?）分擔(dān)部分路基的附加應(yīng)力，提高路基承載力。
劈裂壓漿的漿液由水泥、黃土、粉煤灰和水所組成，將其按一定的比例配制成漿液，然后用高壓泵將其壓入到基礎(chǔ)底下，完成劈裂壓漿的全過(guò)程，在基礎(chǔ)底下形成復(fù)合路基，提高路基的承載力，降低壓縮性，大大地降低黃土的濕陷性。
從理論上推斷，壓漿后土體應(yīng)為一球狀，且每個(gè)球狀體應(yīng)相以交連，但地層的間隙、土質(zhì)不可能是各項(xiàng)均勻，同性的漿液可能沿土層界面滲透，故在布置鉆孔間距時(shí)，要綜合考慮土質(zhì)、孔隙、壓力等因素。
路基劈裂壓漿補(bǔ)強(qiáng)處理，多采用單排布孔。孔距3～5m。實(shí)際布置時(shí)，在沉陷相對(duì)較大路段應(yīng)適當(dāng)減小孔距，在曲線路段應(yīng)適當(dāng)減小孔距。此外，還應(yīng)考慮路基斷面形式、路基土的密室度等因素的影響。
3.4劈裂壓漿法加固黃土路基基床應(yīng)注意的問(wèn)題
由于壓漿目的、要求和各工程的具體條件千差萬(wàn)別，不同的工程只能根據(jù)自己的特點(diǎn)規(guī)定強(qiáng)度和變形要求，規(guī)定統(tǒng)一的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)是不現(xiàn)實(shí)的。下面僅提出幾個(gè)與此相關(guān)的問(wèn)題：
1.有些漿材特別是化學(xué)漿材具有明顯的蠕變性，在恒定荷載長(zhǎng)期作用下，壓漿體將隨時(shí)間而產(chǎn)生較大的附加變形。
2.當(dāng)壓漿目的為防滲時(shí)，所需漿材的強(qiáng)度僅以能防止水壓把孔隙中的結(jié)石擠出為原則，這種情況下起作用的是結(jié)石的抗剪強(qiáng)度。按照抗剪破壞的原則，并假定土孔隙為有規(guī)則的平直面，如圖，則抵抗水壓力所需的抗剪強(qiáng)度為：
C=p×d/（2L）（5）
式中C—漿液結(jié)石與孔隙壁面問(wèn)的粘結(jié)力；
p—地下水的滲透壓力；d—孔隙高度；L—壓漿體長(zhǎng)度。
今設(shè)p=10kg/c㎡，d=0.5～1.0cm，L=100cm，代入上式得結(jié)石維持穩(wěn)定所需的c值為0.025～0.05kg/c㎡，此值很容易為低強(qiáng)度粘土水泥漿所滿足，而無(wú)需采用較高強(qiáng)度的漿材。
3.利用尺寸效應(yīng)，可使某些低強(qiáng)度漿材獲得很高的穩(wěn)定性。在直徑為d的圓形孔隙中，則由水壓力p為造成的破壞力見(jiàn)式（6），由c造成的阻抗力見(jiàn)式（7）：
P1=p×πd2/4（6）
P2=c×πdL（7）
推力P1隨d的二次方、阻力P2則隨d的一次方增減，所以隨著孔隙尺寸的減小壓漿體可獲得愈來(lái)愈大的抗擠出穩(wěn)定性。今假定p=c？L，則穩(wěn)定安全系數(shù)（P2/P1）隨d的增減情況見(jiàn)表1。
4、結(jié)論
在對(duì)天蘭線路基下沉病害的整治中，總共完成路基補(bǔ)強(qiáng)7000米，橋頭沉陷治理16處。通過(guò)近一年的觀察，加固效果明顯。除個(gè)別路段出現(xiàn)了少量下沉外，補(bǔ)強(qiáng)處理后的路基穩(wěn)定，壓漿法加固濕陷性黃土路基無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上都是一種切實(shí)可行、高效、經(jīng)濟(jì)的方案。今后應(yīng)擴(kuò)大壓漿法路基補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍，以確保天—蘭鐵路線的安全暢通。
1.從直接施工成本看，辟裂壓漿法每米工程造價(jià)要比基床換填低至少150元，這就意味著每公里的投資可減少15萬(wàn)元。以天—蘭線為例，據(jù)保守的估計(jì)，天—蘭線需要進(jìn)行路基補(bǔ)強(qiáng)的線路至少有100公里，全線至少可以節(jié)約投資1500萬(wàn)元。寶中線需要處理的路基有150公里，如果采用劈裂壓漿法，至少可以節(jié)約2250萬(wàn)元。僅此兩項(xiàng)就可以為全鐵路局節(jié)省投資3000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益十分巨大。
2.劈裂壓漿法在施工中不需要中斷行車，在目前鐵路運(yùn)能十分緊張的情況下，可以不影響鐵路的運(yùn)營(yíng)收入。
3.壓漿法所壓入路基基床的灌漿材料是不會(huì)隨時(shí)間的推移而改變，因此治理效果具有永久性。
工程實(shí)踐證明，用劈裂壓漿方法處理濕陷性黃土路基，可以明顯地提高路基承載力，降低壓縮性，使?jié)裣菪渣S土的濕陷性大大減少。劈裂壓漿作為一種路基補(bǔ)強(qiáng)的施工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。
