粉質黏土路基邊坡病害整治方案的探討

胡東波 上海鐵路局阜陽工務段

阜陽工務段管內京九鐵路K718+300-K742+000屬粉質黏土路基地段，每逢汛期，路基邊坡沖刷、坍塌等病害頻頻發(fā)生，病害發(fā)生速度快，嚴重危及行車安全。

1 粉質黏土路基邊坡的病害特點及分析

1.1 粉質黏土路基邊坡病害的特點

該地區(qū)粉質黏土內摩擦角11°～32°，內聚力16kPa～38kPa，土體的滲透系數(shù)約 2×10-3cm/s。

主要病害有邊坡沖蝕、坍塌等。邊坡沖蝕、坍塌是指受降雨影響造成坡面沖刷成雞爪溝或表面溜坍，進而發(fā)生大面積塌方的現(xiàn)象。

其特點：（1）均在汛期集中暴雨而發(fā)生；（2）病害發(fā)展速度快、分布范圍廣，對行車威脅大；（3）因病害點多面廣，整治費用高；（4）在新線設計和既有線病害整治時，由于未考慮粉質黏土的特殊性，常規(guī)加固方案不能根治病害。

1.2 粉質黏土的病害成因分析

1.2.1 坡面沖蝕

路基邊坡抗沖刷性與許多因素有關，決定因素是顆粒間聯(lián)結強度，聯(lián)結強度決定于水膠作用力和分子作用力。因粉質黏土中決定顆粒內聚力大小的蒙脫土、水云母等黏粒含量低，致使土顆粒間聯(lián)結強度較低，抗沖刷極差。當汛期雨強達某值時，首先雨滴沖擊破壞土顆粒間脆弱的聯(lián)結，降雨在坡面形成的水流也會沖擊并帶走土顆粒，坡面形成道道沖溝。綜合影響粉質黏土沖刷性的內外因素，可以下式表示：

D=f（C，tgα，L，I，P）

式中：D-沖刷程度；C-內聚力；α-坡度；L-坡長（m）；I-雨強（mm/min）；P-植被覆蓋率。

根據(jù)土壤學研究，土體沖刷與邊坡坡率（tga）的立方成正比。坡面流量（Q=0.006LI）則決定于坡長和雨強。當坡面長降雨大時，匯集的水量越大，水流的末速度相應大，故沖刷力就強。當坡面有較好的植被時，則可減緩雨水對坡面的沖刷作用。

1.2.2 滲透破壞

水對土的滲透作用可分為靜水壓力和動水壓力兩部分，其中靜水壓力所產(chǎn)生的浮力雖不直接破壞土體，卻使土體有效重量減輕而降低土體抵抗?jié)B透的能力，是一種消極破壞力，單位土體的浮容重：γb=γ（1-n）（G-1）

其中：G=γs/γw；γs，γw 分別為砂、水的容重；n為孔隙率。

動水壓力所產(chǎn)生滲透力與滲透破壞程度直接相關，是積極破壞力，滲透力f=γ/J（J為水力坡度）。

土體受滲透力頂托，土粒一經(jīng)松動，土粒間摩擦力和內聚力可忽略不計，當背水路堤坡腳發(fā)生流土時，坡腳首先軟化失穩(wěn)，從而導致路堤坍塌。

1.2.3 潛蝕破壞

邊坡坍塌是粉質黏土路基在汛期雨季易發(fā)生的的水害，它是集中水流、土的動強度衰減和振動液化的結果。

基床表層中單元土體的強度在列車荷載作用下衰減，而動應力因列車提速而升高，當抗剪強度小于剪應力時，導致基床中單元土體發(fā)生剪切破壞，裂隙產(chǎn)生，為水在基床表層中下滲提供了通道。發(fā)生振動液化的自由水具有較高的水壓力，對周圍土顆粒有滲透和劈裂作用，從而破壞了土顆粒間聯(lián)結。同時，承壓水在尋找出水路徑以消散空隙水壓力。當出水路徑形成后，自由水流出路堤邊界，并帶出粉質黏土顆粒時，自由水在路堤中滲流的通路逐漸形成，潛蝕破壞開始。

2 粉質黏土路堤邊坡病害的整治措施

2.1 干砌片石護坡

在京九線上行K738+500-K739+500地段，采用干砌片石護坡，下加碎石、滲濾布墊層，該方案主要在高度大于5.0m的路基。

滲濾布具有強度高，耐酸堿，尺寸穩(wěn)定性好，抗沖擊，抗老化，隔離土體，排水和反濾作用。

2.2 級配碎石護坡

在京九線 K721+900～K729+800地段，采用級配碎石整治路基邊坡沖刷、坍塌等病害，該方案主要在高度小于5.0m的路基。

級配碎石來自采石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r道碴，經(jīng)分篩設備系統(tǒng)加工而成的。其石灰?guī)r的物理力學性能要求如表1。

級配碎石的要求和作用機理：覆蓋厚度不小于50cm，粒徑小于2～5cm的顆粒重量占總重的69.4%～71.9%左右，含灰量（粒徑＜0.1mm）占總重的 9.9%～20.0%，坡度1:1.5～1:1.75。碎石在自重作用下與坡面、地面土體形成平衡體，當降雨時，雨水直接作用在碎石體表面，大大減少雨水對邊坡土體表面的直接沖蝕，雨水與坡面以滲透方式接觸；而石灰?guī)r碎石中的CaCO3粉末遇水與碎石顆粒形成一層反濾、滲水的柔性保護殼，使路基面和滲入的雨水，沿坡面反濾地流出坡腳。

表1 級配碎石的物理力學性能表

2.3 種植香根草護坡

香根草以其獨特的生物特性，一般草本植物無法具備的工程特性以及許多草本植物不及的生態(tài)特性，成為優(yōu)良的水土保持植物。同時由于其深根性，大大提高土壤的剪切強度，而且生態(tài)、經(jīng)濟效益顯著。

香根草根龐大且深扎，剪切強度及穿扎能力強，猶如"土壤鉚釘"，可有效地網(wǎng)絡土體和聚合土體。香根草根的抗張強度是一般鋼材的極限強度的六分之一即75MPa。耐極度干旱和洪澇，適應降雨量200mm～3000mm，適應溫度-15℃～50℃，適應PH值3～11的范圍。該方案主要應用于路基護道等其他方案施工困難的部位。

3 級配碎石顆粒組成的確定

穩(wěn)定狀態(tài)的概念：當降雨量大于常年汛期降雨量時，路基邊坡的級配碎石護坡，經(jīng)過2～3個汛期的暴雨沖刷作用，始終能保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

我們在達到穩(wěn)定狀態(tài)的地段對級配碎石進行篩分試驗，分析路基邊坡碎石的顆粒組成，含灰量和容重，從而確定路基邊坡穩(wěn)定狀態(tài)下，對碎石的級配要求。

碎石篩分結果見表2[1],[2]，穩(wěn)定狀態(tài)下的碎石級配曲線見圖1，含灰量與容重的關系曲線見圖2。

表2 碎石篩分結果表

圖1 碎石級配曲線

圖2 含灰量與容重的關系曲線

通過曲線圖和現(xiàn)場穩(wěn)定狀態(tài)分析得出：（1）顆粒較大，含灰量較低，碎石邊坡不能形成柔性保護殼，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)；(2)顆粒較小，碎石邊坡能形成柔性保護殼，但易局部產(chǎn)生較深的沖溝和坍塌現(xiàn)象，不利于穩(wěn)定。

根據(jù)以上結果分析，得出最優(yōu)的碎石級配為[3]：粒徑＞5mm顆粒，占28.1%～31.6%；粒徑5～2mm顆粒，占34.20%～43.3%；粒徑2～0.5mm顆粒，占13.0%～15.0%；粒徑0.5～0.1mm顆粒，占0.1%～0.2%；粒徑組＜0.1mm顆粒，占9.9%～

22%，干容重平均在15.7kN/m3左右。這種級配易形成柔性保護殼，利于表面草皮、紫穗槐等植物生長，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 效果分析

從現(xiàn)場加固情況來看，用級配碎石覆蓋方法對路基坡面進行防護處理,與其它路基坡面防護方法相比，有以下幾方面優(yōu)勢：

4.1 施工簡單

該方案用路用車裝運，人工就地卸車，適當在坡面均勻、整形、夯拍，使坡面形成即可。為防止污染道床，可事先在卸料一側道床邊坡上覆蓋聚乙烯塑料布，清理完碎石后再將塑料布收起，可多次使用。

4.2 成本低

級配碎石的主要材料是采石場生產(chǎn)片石或道碴的副產(chǎn)品，工程造價的主要因素是運雜費，是鐵路內部運輸收入。既降低成本，又解決采石場的后顧之憂。就施工情況來看,處理同樣工作量的路基,該方案費用是干砌片石的36%，漿砌片石的30%[4]。

4.3 進度快、工期短

施工進度取決于路用車的編組數(shù)量和到達速度，通常每列可編組30～40輛車，根據(jù)路基高度情況，可采取一次或兩次停車卸料，此方案在目前運量大的情況下更適合大范圍，短工期的搶修工程。

4.4 對既有坡面植被破壞小

管內京九線兩側路基坡面已種植紫穗槐等灌木，用該方案施工不破壞灌木根系，僅在施工時除去植被上枝，一年后仍能長出枝葉。若用干砌片石或漿砌片石防護，既有綠化植被均要破壞。

4.5 后期維修投入少

級配碎石防護體是“柔性”的，片石防護體則是“剛性”的，它很容易隨路基的下沉變形而破損，也容易被線路大中修時卸笨重材料砸壞，且日常維修成本也比其它砌體低得多。

5 結束語

采用以上三種方案整治粉質黏土路基沖蝕、坍塌等病害的目的是通過試驗，與以往整治方案進行比較，從更有效、經(jīng)濟的方面確定整治粉質黏土路基病害的方法。

（1）當路基邊坡高度小于5.0m時，采用級配碎石護坡（厚度≥0.5m）整治路基邊坡沖刷、坍塌，優(yōu)于干砌片石護坡和漿砌片石護坡，且經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

（2）當路基邊坡高度大于5.0m時，采用干砌片石護坡（碎石墊層≥0.2m）整治路基邊坡沖刷、坍塌病害，滿足使用和技術的要求。

（3）粉質黏土分布廣，病害種類多，對行車安全威脅大，建議將該土質納入鐵路特殊土路基設計規(guī)范，使工程技術人員對其特殊性有足夠的認識。