濕陷性黃土鐵路路基病害整治技術(shù)研究

賈德剛

摘要:本文分析了濕陷性黃土鐵路路基病害產(chǎn)生的原因和防治辦法,結(jié)合實例,對劈裂壓漿法處理黃土路基基床的工程應(yīng)用進(jìn)行了探討,認(rèn)為劈裂壓漿作為一種路基補強的施工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:黃土濕陷 路基下沉 補強措施 劈裂壓漿

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(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(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?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(nèi)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(jìn)行改良和病害整治是必須的,國內(nèi)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(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,截斷水源;其次必須對已經(jīng)濕陷的路基進(jìn)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(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軟弱路基進(jìn)行預(yù)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(jìn)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(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,工程地質(zhì)條件千變?nèi)f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(jìn)行細(xì)致分析,從路基條件、處理要求(包括處理達(dá)到的各項指標(biāo)、處理范圍)、工程費用、材料、機具等諸多方面進(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壓力,就可以認(rèn)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(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(gòu)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(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例對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、豎直、連續(xù)、一定厚度的漿液防滲固結(jié)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(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天蘭復(fù)線軟弱路基路段進(jìn)行補強施工。前后從K1427～K1666區(qū)間范圍內(nèi),對橋頭、隧道洞口、單線、雙線等多處路段進(jìn)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(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展變寬變長,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漿在土體中運動的三個階段

(1)鼓泡壓密階段。漿液進(jìn)入土體形成漿泡并向外擴張,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。

(2)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。

(3)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(jié),同時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)力計算

(1)砂和砂礫石地層 可按照有效應(yīng)力的庫侖一莫爾破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算:

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,就會導(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,此時表明砂礫土已開始劈裂。

(2)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,可用下式計算注入漿液的體積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?；彝翗兜淖饔糜腥齻€:

(1)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。

(2)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。

(3)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,且每個球狀體應(yīng)相以交連,但地層的間隙、土質(zhì)不可能是各項均勻,同性的漿液可能沿土層界面滲透,故在布置鉆孔間距時,要綜合考慮土質(zhì)、孔隙、壓力等因素。

路基劈裂壓漿補強處理,多采用單排布孔?？拙?～5m。實際布置時,在沉陷相對較大路段應(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)注意的問題

由于壓漿目的、要求和各工程的具體條件千差萬別,不同的工程只能根據(jù)自己的特點規(guī)定強度和變形要求,規(guī)定統(tǒng)一的強度標(biāo)準(zhǔn)是不現(xiàn)實的。下面僅提出幾個與此相關(guān)的問題:

1. 有些漿材特別是化學(xué)漿材具有明顯的蠕變性,在恒定荷載長期作用下,壓漿體將隨時間而產(chǎn)生較大的附加變形。

2. 當(dāng)壓漿目的為防滲時,所需漿材的強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度為:

C=p×d/(2L) (5)

式中 C—漿液結(jié)石與孔隙壁面問的粘結(jié)力;

p—地下水的滲透壓力;d—孔隙高度;L—壓漿體長度。

今設(shè)p=10kg/cm2,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/cm2,此值很容易為低強度粘土水泥漿所滿足,而無需采用較高強度的漿材。

3. 利用尺寸效應(yīng),可使某些低強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為造成的破壞力見式(6),由c造成的阻抗力見式(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的增減情況見表1。

4. 結(jié)論

在對天蘭線路基下沉病害的整治中,總共完成路基補強7000米,橋頭沉陷治理16處。通過近一年的觀察,加固效果明顯。除個別路段出現(xiàn)了少量下沉外,補強處理后的路基穩(wěn)定,壓漿法加固濕陷性黃土路基無論是在經(jīng)濟還是技術(shù)上都是一種切實可行、高效、經(jīng)濟的方案。今后應(yīng)擴大壓漿法路基補強的應(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15萬元。以天—蘭線為例,據(jù)保守的估計,天—蘭線需要進(jìn)行路基補強的線路至少有100公里,全線至少可以節(jié)約投資1500萬元。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2250萬元。僅此兩項就可以為全鐵路局節(jié)省投資3000萬元以上,經(jīng)濟效益十分巨大。

2. 劈裂壓漿法在施工中不需要中斷行車,在目前鐵路運能十分緊張的情況下,可以不影響鐵路的運營收入。

3. 壓漿法所壓入路基基床的灌漿材料是不會隨時間的推移而改變,因此治理效果具有永久性。

工程實踐證明,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強的施工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

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