土工格室在路基病害整治中的應(yīng)用

蘆 寧

1 概述

膨脹土指的是具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限粘土。膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。膨脹土分布范圍極廣，到目前為止，已有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)報(bào)導(dǎo)了與膨脹土有關(guān)的工程地質(zhì)問題，包括中國(guó)、美國(guó)、印度、南非、以色列、澳大利亞和加拿大等國(guó)家。

20世紀(jì)50年代初，我國(guó)在修建成渝鐵路工程中，在成都地區(qū)首次遇到粘土膨脹危害問題。70年代中期，我國(guó)開展了大規(guī)模的膨脹土普查工作，建立了科學(xué)研究試驗(yàn)基地，取得了一定的科研成果和工程經(jīng)驗(yàn)。80年代，我國(guó)制定了膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范，對(duì)土的膨脹性質(zhì)的研究得到進(jìn)一步深化。膨脹土明顯的脹縮性、超固結(jié)性和多裂隙性給鐵路建設(shè)帶來了相當(dāng)大的危害。從以往常規(guī)鐵路的工程實(shí)踐看，鐵路膨脹土地區(qū)既有線路的路基完好率僅為25%，路基基床病害相當(dāng)普遍。常見的病害有:基床翻漿冒泥、下沉、外擠三個(gè)主要類型等，邊坡淺層滑坍和深層滑動(dòng)的比率也較大，而且具有漸進(jìn)性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。

本文結(jié)合管轄范圍內(nèi)的某鐵路線路基病害，探討應(yīng)用土工格室進(jìn)行膨脹土路基病害的整治。

2 工程概況

2.1 病害情況

某鐵路線于1995年開通運(yùn)營(yíng)，路基長(zhǎng)度約為120 km，其中限于當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用了膨脹土填筑路堤長(zhǎng)度約90 km。在運(yùn)營(yíng)過程中，路基沉降發(fā)展較快，經(jīng)勘測(cè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)造成該種情況的原因主要是在當(dāng)初施工時(shí)路基壓實(shí)度不足，以及當(dāng)時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)膨脹土的特性認(rèn)識(shí)不足，造成該線通車運(yùn)營(yíng)后，基床經(jīng)常出現(xiàn)翻漿冒泥、下沉、擠出和邊坡的沖蝕、坍塌等病害，嚴(yán)重威脅鐵路行車安全。路基病害示意圖如圖1所示。

圖1 路基病害示意圖

2.2 地質(zhì)條件

該區(qū)段廣泛分布有膨脹土。地質(zhì)情況為上部1 m～2.5 m棕色亞粘土，硬塑，含鐵、錳質(zhì)結(jié)核及薄膜，柱狀節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面光滑，并多見有擦痕;中部2.5 m～4 m棕黃及土黃色粘土、亞粘土，含鐵、錳質(zhì)結(jié)核，柱狀節(jié)理發(fā)育一般，硬塑;下部為棕紅色粘土、亞粘土，含灰白色鋁質(zhì)條帶，硬塑，柱狀節(jié)理不發(fā)育。土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為骨架結(jié)構(gòu)。單體礦物無定向排列，少數(shù)具基質(zhì)結(jié)構(gòu)，鏡下積聚體內(nèi)部排列緊密。

經(jīng)測(cè)定，路基填筑的膨脹土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為天然含水量(w)為 28.7 ～ 37.0，重度 17.7 kN/m3～ 19.1 kN/m3，比重2.64，孔隙比0.63 ～0.82，液限 41.0%～47.0%，塑限 25.6%，塑性指數(shù)18.0，液性指數(shù)0.13，殘余內(nèi)摩擦角(Ф)為 14.7 ～27.70，粘聚力(c)為5.0kPa～14.0kPa。膨脹土的高含水性、高孔隙比等特征表明，其具有較強(qiáng)的脹縮特性。

2.3 整治方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探勘，軌下基床下沉外擠，形成陷槽，深度均在35cm以上，軟臥層厚約17cm。路基的側(cè)面排水被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民用作了農(nóng)業(yè)灌溉用渠，導(dǎo)致了水體倒灌入路基中，使得路基土體長(zhǎng)期積水，無法排除，從而引起基床翻漿冒泥，軌道幾何形位難以保持，最后不得不采用限速40 km/h運(yùn)營(yíng)。經(jīng)綜合考慮，擬采用土工格室進(jìn)行路基基床加固。

土工格室是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種高密度聚氯乙烯土工合成材料，它具有三維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于網(wǎng)狀方格中強(qiáng)化的PE條通過強(qiáng)力焊接后產(chǎn)生的橫向限制力以及土工格室壁的摩擦力，使得格室內(nèi)填方共同形成一彈性結(jié)構(gòu)橋，使格室上部的荷載通過這一結(jié)構(gòu)層時(shí)進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散，從而改善了下部地基的受力狀態(tài)，減少了變形。土工格室如圖2所示。

圖2 土工格室示意圖（單位：cm）

3 整治效果分析

為查明土工格室加固路基基床的整治效果，對(duì)該加固段進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試。

3.1 測(cè)試方案

選取典型測(cè)試段，在軌下、道心及枕木端頭處的基床面及其下0.25 m，0.50 m，0.75 m各埋2個(gè)土壓力盒。土壓力盒為雙油腔膜式電阻轉(zhuǎn)換型傳感器，直徑18cm，厚2.5cm。

圖3 土壓力典型波形圖

測(cè)試方法為先將測(cè)點(diǎn)壓力盒通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接到計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用CRAS軟件由計(jì)算機(jī)同時(shí)記錄測(cè)試過程中所有傳感器的電信號(hào)，計(jì)算機(jī)采樣后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理，直接在計(jì)算機(jī)屏幕上輸出各測(cè)點(diǎn)土壓力盒的波形。限于篇幅，截取一典型波形如圖3所示。

3.2 結(jié)果分析

測(cè)試的數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)試的動(dòng)應(yīng)力值 kPa

從表1可以看出:1)基床動(dòng)應(yīng)力沿深度衰減明顯。以軌下位置為例，基床面處的動(dòng)應(yīng)力值為93.6kPa，經(jīng)土工格室衰減，在基床表層下0.25 m處約為基床表層動(dòng)應(yīng)力的65.5%，在基床表層下0.50 m 和0.75 m 處動(dòng)應(yīng)力值分別為47.3kPa和 36.5kPa，約為基床表層動(dòng)應(yīng)力值的50.5%和39.0%。2)基床土動(dòng)應(yīng)力橫向分布規(guī)律為:軌下位置最大，其次為軌枕端部位置，道心位置最小。3)在土工格室以上的基床表層處，軌下、道心、軌枕端部三個(gè)不同位置處的動(dòng)應(yīng)力相差較大，而在基床以下0.25 m，0.50 m以及0.75 m處，三個(gè)不同位置處的動(dòng)應(yīng)力相差較小。由此表明，應(yīng)用土工格室進(jìn)行道床的病害整治能起到均化基床應(yīng)力分布的作用。

4 結(jié)語

該段路基病害整治完成后，經(jīng)過四年多的運(yùn)營(yíng)，現(xiàn)基床穩(wěn)定，未再發(fā)生路基翻漿冒泥等病害?？梢?，采用土工格室取得了良好的效果。

通過本次的系統(tǒng)路基病害整治得出如下建議:

1)對(duì)于膨脹土路基地段，病害整治應(yīng)以排水固結(jié)為主，對(duì)地下水豐富的地段，尤其應(yīng)以疏導(dǎo)的排泄為主。2)應(yīng)用土工格室進(jìn)行膨脹土路基的翻漿冒泥等病害整治能起到良好的作用。在具體整治時(shí)要特別注意施工工藝。在土工格室鋪設(shè)時(shí)，要確保土工格室的拉展鋪平。

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