黃土鐵路路基病害整治技術(shù)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(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，顆粒滑向大孔隙，孔隙體積減小，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，國內(nèi)外都對(duì)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(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)嗨矗黄浯伪仨殞?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年下半年開始，在和有關(guān)部門配合下，開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。
