黃土鐵路路基病害整治技術研究
2015-05-20
1、黃土鐵路路基概況
在我國西北、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。黃土一個顯著的特點是在天然狀態(tài)下，未受水浸濕的黃土具有較高的強度，較小壓縮性，但當遇水浸濕后，由于黃土大孔隙結構的破壞，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構及其所含的易溶鹽等化學物質成分有關。大孔隙結構的四周由于有可溶鹽濃縮所形成的膠結物質的存在，增強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，由于碳酸鈣等物質的膠結作用，使顆粒間的聯(lián)結強度增加，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度，較小壓縮性。但當黃土受水浸濕后，結合水膜增厚，結合水聯(lián)結消失，顆粒四周的膠結鹽類也溶于水中，因此顆粒間聯(lián)結強度降低，在上部建筑物荷重作用下，大孔隙結構破壞，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，列車軸重較低時并不顯得十分突出。但隨著列車朝高速、重載方向發(fā)展時，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內外動態(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，對黃土路基基床進行改良和病害整治是必須的，國內外都對此開展了大量研究。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。針對既有建筑物所出現(xiàn)的這種事故，要對路基進行處理，必須分兩步進行。首先應找出使路基土濕陷的水源，截斷水源；其次必須對已經(jīng)濕陷的路基進行加固。采用經(jīng)濟、可靠的加固手段，使路基土的濕陷變形停止、承載力滿足上部結構荷重的要求。
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構物以及公路、鐵路路基在修建之前對軟弱路基進行預先處治。但是對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，對路基下的軟弱路基進行處治是非常困難的，尤其是對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構，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，工程地質條件千變萬化，而且機具、材料等條件也會因地區(qū)不同而有較大差別。因此，對每一具體線段都要進行細致分析，從路基條件、處理要求（包括處理達到的各項指標、處理范圍）、工程費用、材料、機具等諸多方面進行考慮，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。
對非自重濕陷性黃土路基，如基礎下路基處理厚度達到壓縮層下限，或達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壓力，就可以認為路基的濕陷性全部消除。對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，而與壓縮層厚度無關，所以必須處理基礎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Ⅰ級濕陷性黃土一般不需要路基處理。對于Ⅱ級處理厚度為1.0～1.5m，如處理厚度小于1.0m時，濕陷性仍要危及構筑物或線路安全。對于Ⅲ級濕陷性黃土，處理厚度為1.0～2.0m，Ⅳ級應為2.0～3.0m。此外，應根據(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，適當增加或減少處理厚度。
本文結合隴海線整治濕陷性黃土路基病害的具體工程實例對劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應用進行了分析研究。劈裂壓漿是利用路基的最小主應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、豎直、連續(xù)、一定厚度的漿液防滲固結體，同時與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實，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用
3.1工程概況
隴海鐵路天蘭復線于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線出現(xiàn)多處路基下沉。從2005年下半年開始，在和有關部門配合下，開始采用劈裂壓漿法對天蘭復線軟弱路基路段進行補強施工。前后從K1427～K1666區(qū)間范圍內，對橋頭、隧道洞口、單線、雙線等多處路段進行了壓漿補強工作。
3.2劈裂壓漿的機理
劈裂壓漿是利用水力劈裂原理和路基土中小主應力的分布規(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中，以克服地層的初始應力和抗拉強度，使其沿垂直于小主應力的平面上發(fā)生劈裂，地層中的固有裂縫擴展變寬變長，然后漿液充填到了地層的所有裂縫當中，在路基中形成了許多樹枝狀或板狀凝固體，而且使凝固體周圍一定范圍內的土體，由于漿液高壓力的作用被擠密，從而形成了復合路基，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漿在土體中運動的三個階段
?。?）鼓泡壓密階段。漿液進入土體形成漿泡并向外擴張，使?jié){泡土體中引起復雜的徑向和切向應力系統(tǒng)，緊靠漿泡處的土體遭受嚴重的破壞和剪切，并形成塑性變形區(qū)，使土體擠密。
（2）劈裂階段。漿液在壓漿壓力作用下，先后克服地層的初應力和抗拉強度，使其沿垂直于小主應力的平面上發(fā)生劈裂，漿液由此切人，擠密土體，并與土體發(fā)生物理和化學作用，形成作為骨格的漿脈。
?。?）被動土壓力階段。通過前兩階段的作用，土體得到初步加固，土中的軟弱面、孔隙及裂隙都被填充滿，此時漿液在較高壓力作用下，克服土的被動土壓力，擠密土體使其固結，同時漿脈周圍的土體也被壓密，形成了以漿脈網(wǎng)絡為骨架的復合固結土體。
