有關濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降與其措施分析

季連晉

【摘 要】結合黃土的物理力學性質，分析濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降控制的重要性，探討濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降的成因，并提出濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降控制措施。研究表明：黃土的濕陷性、水的影響、列車振動荷載、施工質量是造成濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降的主要因素，通過采取淺層換填、沖擊壓實、強夯法、擠密法、樁基法等地基處理手段，同時做好防排水、路堤邊坡防護、路基沉降監(jiān)測、路基養(yǎng)護等工作，可以提高濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基的強度和穩(wěn)定性，將路基沉降控制在容許范圍內，確保高速鐵路的行車安全。

【關鍵詞】濕陷性 黃土地區(qū) 高速鐵路 路基沉降

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，我國已進入高速鐵路建設的高潮期。較之普通鐵路，高速鐵路對軌道平順性的要求更高，這就要求將路基沉降控制在盡量小的范圍內。而濕陷性黃土由于特殊的土體性質，極易導致路基沉降，進而影響高速鐵路的正常運營。因此，研究濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路的路基沉降成因，并提出切實有效的沉降控制措施，對我國高速鐵路事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 黃土的物理力學性質

黃土是陸相沉積的特殊土，是一種經(jīng)第四紀干旱、半干旱氣候，多種地質作用改造，仍然在演化中的土體，一般具有以下特征：

顏色以淡黃、灰褐、黃褐色為主，但也有棕黃、棕紅等色；

呈松散結構狀態(tài)，孔隙縫隙比約為0.7～1.1；

質地均勻，以粉粒為主，約占50%～75%，粉粒直徑約為0.075mm～0.005mm；

碳酸鈣含量約為10%～30%，含有少量溶鹽與易溶鹽；

垂直柱狀土體節(jié)理發(fā)育；

含水量低，遇水易崩解。

層理結構不明顯，可見堆積間斷的剝蝕面，有棕紅色古土壤層分布。

除上述基本特征之外，黃土由于沉積的地質年代不同，其性質也存在明顯差異。黃土形成越晚，其特征越明顯，對地基沉降的影響越大；反之，越是年代久遠的黃土，其大孔結構退化越明顯，土質更加密實，壓縮性和濕陷性則相應減弱，對地基沉降的影響也就相對較弱。按照沉積年代的不同，可對黃土作如下劃分，如表1所示。

黃土的性質與其成因、組分、濕度、結構及當?shù)貧夂虻纫灿泻艽箨P系，因此，不同地方的黃土在抗剪強度和壓縮性方面也有所不同。濕陷性黃土按照濕陷機理的不同有非自重濕陷性黃土和自重濕陷性黃土之分。依據(jù)國內地質條件，一般將濕陷性系數(shù)超過0.015的歸為濕陷性黃土，其中濕陷量不足7cm的濕陷性黃土屬于非自重濕陷性黃土，反之則屬于自重濕陷性黃土。

2 濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降控制的重要性

目前，我國在建高速鐵路位于濕陷性黃土地區(qū)的主要有石太高速鐵路、鄭西高速鐵路、西成高速鐵路，西蘭高速鐵路、大西高速鐵路。這些在建鐵路已經(jīng)暴露出濕陷性黃土地基沉降的問題，嚴重影響了高速鐵路順利建設。例如，鄭西高速鐵路（見圖1）全程484.518km，是我國跨越濕陷性黃土地區(qū)的第一條高速鐵路，跨越濕陷性黃土路段占線路長度的65%，濕陷程度從I級到IV級都有分布，而地基的沉降，就成了建設以及使用中的一大問題。

由于濕陷性黃土獨特的物理力學性質，它的粘結力較弱，浸水飽和后易發(fā)生塌陷，塌陷即意味著土體結構的破壞和體積的縮小，也就標志著沉降的發(fā)生，為保證高速鐵路的正常運營，必須將沉降控制在一定范圍之內。針對這一情況制定的高速鐵路有砟軌道路基沉降控制標準如表2所示。

在實際的高速鐵路路基工程中，濕陷性黃土的沉降值取決于土體厚度、承載的應力及濕陷系數(shù)。以濕陷系數(shù)為0.05的10米厚黃土地層為例，其沉降值可達到0.5米，這無疑會對高速鐵路的正常行使造成巨大影響，甚至導致鐵路停運。因此，對于黃土濕陷問題必須加以重視，并提前進行評估與防范，以將路基沉降控制在容許范圍內。

3 濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降的原因分析

3.1 黃土的濕陷性

通過分析黃土的物理力學性質，可知黃土的濕陷性是導致高速鐵路路基沉降的主要原因，下面從微觀角度來分析黃土濕陷的具體原因。根據(jù)現(xiàn)有研究，黃土遇水崩解是由其特殊的微觀結構以及可溶鹽膠結物的抗水性較差所決定的。黃土中粉狀顆粒較多，相鄰的粉粒之間借助可溶鹽膠結在一起，在干燥狀態(tài)下，黃土內部充斥著大量的架空孔隙，這樣的結構可以防止土體在自重作用下壓密變形。一旦黃土遇水，其中的可溶鹽膠結物將很快溶解并軟化，相鄰粉粒之間的水膜變厚，粘結力下降，土體的c值和Φ值明顯減小，抗剪強度大幅下降，原來的土體結構在自重或上層荷載的作用下便會很快遭到破壞，導致黃土濕陷。高速鐵路路基會受到地上水或地下水的長期侵蝕，如防水、排水處理不當，就會逐漸導致地基的濕陷，進而引發(fā)高速鐵路路基的沉降，且黃土的濕陷性越強，所導致的路基沉降就越嚴重。

3.2 列車振動荷載

列車振動荷載對路基填土的影響十分大，是造成路基沉降的重要原因。如今，隨著列車設計時速的攀升，列車振動荷載亦有所加大，對路基的影響愈發(fā)明顯。有研究表明，當列車高速行駛時，地基發(fā)生的振動位移要遠遠超出平時，嚴重的地基位移將直接加快路基的沉降速率，影響列車的正常行駛。

3.3 施工質量

施工質量的高低直接影響路基沉降的大小。施工時要嚴格控制路基壓實度，確保路基填土壓實到位，如果壓實方法不合理、壓實度不足，將直接造成工后沉降量的增大。影響路基施工質量的主要因素如下：基底處理的好壞、所用填料的類型、填筑的厚度、路基的壓實度、自然沉降時間。對此，施工單位必須加強施工質量控制，最大限度地保證路基的強度和穩(wěn)定性。

4 濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降控制措施

4.1 地基處理

對濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路的路基進行處理，首先應根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)的特點，對鐵路地基實施濕陷性方面的測量和評價，確定地基的濕陷等級、濕陷系數(shù)和處理深度。我國目前對濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基的處理方法主要有沖擊壓實、強夯法、樁基法等。

4.1.1 沖擊壓實

沖擊壓實法主要適用于淺層濕陷性黃土的壓實處理，主要具有施工速度快、工程造價低、施工工期短等優(yōu)點。下面以某黃土地區(qū)高速鐵路路基工程為例進行具體說明。

該路段全長9.9KM，屬非自重I級，自重II～III級濕陷性黃土，黃土分布深度為3～9m，濕陷性系數(shù)為0.020～0.035，平均濕陷量約為20cm。具體處理工藝如下：

①下承層準備：首先清表、整平、放線測量、測量土體含水量，然后對下承層加以補水或晾曬，確保土壤達到最佳含水量。

②沖擊壓實：沖壓速率保持12～13km/h，壓實時從路基一側向另一側轉圈沖壓。沖壓順序為先兩邊后中間，圍繞碾壓區(qū)外側沖擊碾壓5遍，縱橫兩面同時重疊半輪轉圈壓實。每次壓實后用平地機整平，并測含水量及時灑水，盡可能在最佳含水量下沖擊碾壓。

③數(shù)據(jù)收集：壓實度每兩遍測一組，每40m一個斷面，每斷面3個點，一組18個點，每點分0～50cm、50～80cm兩層做壓實度，上下兩層各取平均值；沉降量每一遍測一組，每30m一個斷面，每斷面5個點，一組40個點取平均值。

路基壓實度控制因素包括土層含水量、沖擊壓實速度、沖擊壓實次數(shù)等幾個方面，通過對沖擊壓實過程的沖擊次數(shù)和壓實度相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出以下曲線圖（圖2）。通過該圖可以看出，當沖擊壓實次數(shù)達到第八次的時候，各項數(shù)據(jù)均達到了要求標準，達到第九次時0～50厘米土層的壓實度開始出現(xiàn)下降、50～80厘米土層的壓實度變化程度減小，其中前兩次的沖擊壓實對地基的密實度起到了決定性作用。因此，該路基工程中，施工單位使用沖擊壓實法時應將沖擊次數(shù)控制在八次左右，以達到沉降量和壓實度的設計要求。

4.1.2 強夯法

強夯法作為濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降處理中最為常見的方法，其處理深度大多在3～5米之間。這種地基處理方法不僅可以縮減地基的變形度，提高地基的密實度和承載能力，而且可以在一定程度上消除地基的濕陷性，提高地基的抗震性和穩(wěn)定性。此外，強夯法具有經(jīng)濟性能好、適用范圍廣、施工方便等優(yōu)點。強夯法的施工要注意以下幾個方面的內容：最后兩擊的沉降量不能小于5厘米，30厘米以下的壓實度不能小于95%，30～80厘米的壓實度不能小于94%，80～120厘米的壓實度不能小于90%。地基的濕陷性不能大于0.015，土地的密度也應控制在1.50～1.58g/cm3之間。

4.1.3 擠密法

擠密法是一種適用于地下水位以上非飽和濕陷土地的一種地基處理方法，其處理深度在5～10米之間，按處理流程主要分為夯實擠密法和成孔擠密法兩種類型。采用擠密法時，首先應將成孔沉管深入土層中，使周圍的土層因受到水平擠壓作用而減少相互之間的空隙，消除或降低其濕陷性；然后將水泥土、素填土、灰土等各種類型的土體按比例混合并予以夯實，制成擠密樁復合地基，提高地基承載能力、有效控制地基沉降。須注意的是，在施工之前，施工單位應先選取局部地段進行試驗，確保試驗結果滿足地基設計要求；在施工過程中，施工單位應選取正三角形進行擠密樁布置，并保證施工后地基的沉降量控制在15毫米以下。

4.1.4 樁基法

樁基法施工過程中最常用的是水泥粉煤灰碎石樁，其主體由碎石、粉煤灰、水泥、沙子等攪拌而成，能夠有效提高高速鐵路路基的承載能力。使用樁基法進行加固處理的機理有：排水固結機理、墊層機理、樁體作用機理等。樁基法是我國目前使用較多的一種路基處理方法，其處理效果較為滿意。

4.2 防排水措施

防排水措施具體分為地面排水和地下排水兩部分，就地面排水而言，首先應科學選定排水設施的類型和位置，通過增加截水溝、邊溝等，將流向路基的水截斷，并引入離路基較遠的低洼處。其次，在排水系統(tǒng)的布置方面，施工單位應保證水流就近排出，如果受地下水的影響較大，則應優(yōu)先使用地下排水設施，并配合使用地面排水設施。再次，應做好各種排水設施的銜接工作，避免排水設施的連接不暢。

就地下排水而言，施工單位應首先在地基底部設置足夠的支撐滲溝和引水滲溝，并在路堤上設置截水滲溝，防止路基病害發(fā)生。其次，應保證側溝的出水口留有足夠的長度，防止水流出路基之后沖刷路基的邊坡填土。再次，對于地基基底的滲水，應通過砂礫予以排除，確保地基的穩(wěn)定與安全。

5 結語

高速鐵路的發(fā)展帶動了我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，在今后很長一段時間內，我國將會繼續(xù)完善高速鐵路網(wǎng)，從而為經(jīng)濟社會發(fā)展提供更加有力的交通運輸保障。但是濕陷性黃土所造成的路基沉降嚴重影響了我國高速鐵路的運行質量和發(fā)展速度，對此，高速鐵路施工單位應從加強地基處理和防排水處理兩個方面作出努力，切實提高鐵路路基的持久性和安全性，促進我國鐵路事業(yè)健康發(fā)展。

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