基床翻漿冒泥土的物理力學(xué)性質(zhì)

聶如松,冷伍明,粟　雨,郭一鵬,2

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075; 3.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

道床臟污和基床翻漿冒泥是鐵道工程中最為常見(jiàn)病害.道床臟污是指道砟顆粒間孔隙被臟污材料填充的過(guò)程.其中,臟污材料來(lái)源廣泛,包括道砟顆粒破碎粉化產(chǎn)物、行車(chē)墜落及風(fēng)吹降落物、底砟層和路基層向上遷移的細(xì)顆粒以及軌枕磨損產(chǎn)物.Selig等[1]經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析后指出：道砟本身顆粒破碎是道床臟污的主要來(lái)源,占臟污源的76%;其次是由道床底砟層向上遷移的細(xì)顆粒,占臟污源的13%;第3個(gè)臟污源是表面滲入(主要指行車(chē)墜落物和風(fēng)吹降落物),占臟污源的7%;最后兩個(gè)可能的臟污源相對(duì)很少,如路基層向上遷移的細(xì)顆粒占3%,軌枕磨損產(chǎn)物占1%.楊志浩等[2]對(duì)大秦重載鐵路翻漿冒泥病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn):道砟中的細(xì)顆粒由機(jī)車(chē)噴砂、煤渣和磨碎的石粉組成,其中石粉占主要部分;翻漿冒泥病害發(fā)生在道床層,而非路基基床層.道床臟污程度不同,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的不良影響也將不同.Selig等[1]、Feldman 等[3]、Indraratna等[4]和徐旸等[5]提出了評(píng)估指標(biāo)來(lái)量化道砟臟污程度,并劃分了等級(jí)，認(rèn)為道砟臟污嚴(yán)重時(shí)將誘發(fā)道床板結(jié)、翻漿冒泥等病害.

基床翻漿冒泥是指在列車(chē)荷載作用下路基面(厚度一般小于0.5 m)受水浸泡軟化后,以泥漿形態(tài)向道床或者通過(guò)道床層往外翻冒的現(xiàn)象.基床翻漿冒泥分為土質(zhì)基面翻漿冒泥、風(fēng)化石質(zhì)基面翻漿冒泥和裂隙泉眼翻漿冒泥3類(lèi).可見(jiàn),道床臟污與基床翻漿冒泥是兩個(gè)不同的概念.基床翻漿冒泥產(chǎn)生、發(fā)展主要取決于以下3個(gè)條件:基床土的工程性質(zhì);水和溫度對(duì)基床的影響;動(dòng)荷載的性質(zhì)、大小和分布.土性不良是導(dǎo)致基床發(fā)生翻漿冒泥的內(nèi)因.楊若芳等[6]在20世紀(jì)80年代對(duì)我國(guó)11條線(xiàn)路進(jìn)行調(diào)查,經(jīng)分析,總結(jié)出易發(fā)生基床翻漿冒泥地段土性特點(diǎn):粉粒黏粒含量多、遇水易軟化、親水性強(qiáng)、滲透系數(shù)低的黏性土、易風(fēng)化泥質(zhì)巖石以及較為發(fā)育的裂隙地段.

客運(yùn)高速化,貨運(yùn)重載化是鐵路現(xiàn)代化的標(biāo)志.1997—2007年這10年間,我國(guó)鐵路經(jīng)歷了6次大提速.貨運(yùn)軸重由原來(lái)的23 t發(fā)展到25、30 t,編組列車(chē)由5 000 t發(fā)展到1萬(wàn)、2萬(wàn)t.客運(yùn)大幅提速,運(yùn)能飽和,貨運(yùn)軸重大幅提高以及編組加長(zhǎng),導(dǎo)致路基內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力水平、分布狀態(tài)以及作用方式發(fā)生改變.由于軸重、速度的提高,列車(chē)作用在路基上的動(dòng)應(yīng)力增大,特別是已發(fā)生病害處,動(dòng)應(yīng)力加大使得病害加劇,繼而致使軌道狀態(tài)惡化,進(jìn)入一種惡性循環(huán)狀態(tài).此外列車(chē)提速后,行車(chē)密度明顯加大,致使維護(hù)、保養(yǎng)時(shí)間減少;加之列車(chē)提速后,對(duì)線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)要求不斷提高,出現(xiàn)維護(hù)人員難以應(yīng)付的局面,長(zhǎng)期以往,路基各種病害不斷加劇.盡管目前路基養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平大幅提高,但路基病害仍時(shí)常發(fā)生.根據(jù)2013年鐵路總公司秋檢報(bào)告[7],路基本體設(shè)備長(zhǎng)度14.4萬(wàn)km,與水有關(guān)的病害主要為邊坡溜坍、翻漿冒泥、排水不良以及凍害等.其中基床發(fā)生翻漿冒泥段長(zhǎng)5 805 km,是鐵路路基主要的一種病害.

本文在大量閱讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)翻漿冒泥病害文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究者在基床翻漿冒泥產(chǎn)生機(jī)理方面獲得的成果.收集和統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外60多組基床翻漿冒泥土物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù),分析了翻漿冒泥土的顆粒組成、可塑性指標(biāo)、滲透性及礦物成分,總結(jié)了基床發(fā)生翻漿冒泥土的基本物理力學(xué)性質(zhì),旨在為相關(guān)研究提供一定的參考和借鑒.

1　基床翻漿冒泥發(fā)生機(jī)理與外因

路基翻漿冒泥是多種影響因素耦合作用引起或產(chǎn)生的結(jié)果.如列車(chē)車(chē)速、軸重、長(zhǎng)期疲勞荷載作用、路基排水不良、降水或浸水作用及影響等,這些都會(huì)共同影響和改變翻漿冒泥的物理力學(xué)性質(zhì)的范圍或程度.雖然過(guò)去對(duì)翻漿冒泥病害開(kāi)展了不少的研究,但路基翻漿冒泥的發(fā)生機(jī)理尚不完全清楚,仍值得進(jìn)一步研究.

1.1　基床翻漿冒泥發(fā)生的機(jī)理

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)鐵路基床翻漿冒泥和公路翻漿冒泥產(chǎn)生機(jī)理開(kāi)展了一系列研究.針對(duì)混凝土剛性路面翻漿冒泥,Van[8]指出翻漿冒泥是:(1) 當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí),路基、底基層或路肩的細(xì)顆粒和水一起從板接縫、裂縫或邊緣擠出,噴濺出稀泥漿的現(xiàn)象;(2) 使板下材料發(fā)生重分布的現(xiàn)象.翻漿冒泥過(guò)程中,由于排水不暢,雨水從路面滲透到路基和底基層中,車(chē)輛荷載作用下路面板邊緣、接縫和裂縫發(fā)生撓曲變形致使孔隙水壓力累積.底基層、路基中的細(xì)顆粒在孔壓消散過(guò)程中被攜帶出來(lái),發(fā)生翻漿冒泥.Van[8]解釋板下材料發(fā)生重分布的機(jī)理:主要是由于表面侵蝕致使穩(wěn)定層材料表面的細(xì)顆粒遷移.在這個(gè)過(guò)程中,水在彎矩面板的接縫處聚積,當(dāng)車(chē)輛從接縫前后板依次通過(guò)時(shí),接縫處積聚的水在前后板下來(lái)回運(yùn)動(dòng),細(xì)顆粒從前板底帶出,滯留在后板底下,導(dǎo)致前板底脫空,前板易產(chǎn)生裂縫.

Alobaidi等[9-13]在室內(nèi)開(kāi)展單元試驗(yàn)和三軸試驗(yàn),研究高速公路路基與底基層交界面翻漿冒泥機(jī)理.試驗(yàn)中,交通荷載用循環(huán)荷載模擬,荷載幅值為10～30 kPa.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,建立了翻漿冒泥量與循環(huán)變形量間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥量與路基永久變形量呈正比,翻漿冒泥速度隨循環(huán)荷載次數(shù)的增加而降低.他們認(rèn)為底基層粗顆粒嵌入路基土中,致使接觸應(yīng)力降低;泥漿使土工布滲透系數(shù)降低和泥漿的黏滯性增加等是影響翻漿冒泥速度的主要因素.循環(huán)荷載的平均值增加導(dǎo)致循環(huán)變形降低,荷載幅值增加,永久變形速率和循環(huán)變形量增加.路基面上的滯留水越多,翻漿冒泥量就越大.荷載頻率主要影響路基面孔隙水壓力的發(fā)展.路基土的超固結(jié)比越大,路基的永久變形和循環(huán)變形變小.同時(shí),他們特別指出路基面超孔隙水壓的不利影響.超孔隙水壓導(dǎo)致有效應(yīng)力降低和加快永久變形的速率,最終引起路基剪切破壞.

Takatoshi[14]提出了一個(gè)物理模型來(lái)描述翻漿冒泥過(guò)程,強(qiáng)調(diào)了在列車(chē)荷載作用下軌枕上下起伏引起的抽吸力的重要性.

Eng Sew[15]基于近1 a的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試,認(rèn)為基床翻漿冒泥可能發(fā)生的條件:(1) 滯留在路基與道床層交界面的水在列車(chē)反復(fù)動(dòng)荷載作用下軟化和沖刷路基面細(xì)顆粒;(2) 道砟局部壓縮和顆粒水平滑移在軌枕下產(chǎn)生空隙;(3) 路基局部土質(zhì)不良.

在法國(guó),為了研究道床下土石夾層的形成及翻漿冒泥現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)因素,Duong等[16-17]在室內(nèi)進(jìn)行物理模型試驗(yàn),將道砟直接鋪放在路基面上,缺少底砟層.結(jié)果發(fā)現(xiàn),水是細(xì)顆粒遷移的最重要的影響因素.在路基土接近飽和狀態(tài)時(shí),循環(huán)荷載引起的超孔隙水壓超過(guò)循環(huán)荷載的波谷值,導(dǎo)致路基土液化,超孔隙水壓的消散帶動(dòng)細(xì)顆粒向上遷移.此外,他們也指出土的壓縮性對(duì)翻漿冒泥具有較大影響,若土的壓縮性較高,致使超孔壓極易形成,易引發(fā)翻漿冒泥.

楊若芳等[6]經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,總結(jié)了基床翻漿冒泥病害形成的條件:(1) 基床土中顆粒(顆粒直徑<0.05 mm)含量>60%,液限WL>32,塑性指數(shù)IP>12;(2) 路基面下軟弱層較薄,軟弱層下部較堅(jiān)硬,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度>130 kPa,輕型動(dòng)力觸探N10>4.同時(shí)降雨量大,地表水疏導(dǎo)不暢以及地下水豐富;(3) 列車(chē)荷載的重復(fù)沖擊、振動(dòng)作用.

聶如松等[18-20]認(rèn)為基床翻漿冒泥與路基服役狀態(tài)密切相關(guān).施工碾壓不密實(shí)、基床層圍壓很低、承受的動(dòng)偏應(yīng)力很高等因素導(dǎo)致在路基表面形成很多細(xì)小裂縫,致使地表水能自由滲入土體中.路基面土體被水浸濕和軟化后,道砟顆粒在列車(chē)荷載反復(fù)作用下易嵌入路基中,逐漸發(fā)展形成翻漿冒泥病害.

1.2　基床翻漿冒泥發(fā)生的外因

動(dòng)荷載是影響基床翻漿冒泥發(fā)生的重要外因之一.列車(chē)軸重、行車(chē)速度以及線(xiàn)路狀況是影響路基動(dòng)荷載大小的關(guān)鍵因素.根據(jù)理論和實(shí)測(cè)分析,路基面承受的動(dòng)應(yīng)力與軸重呈線(xiàn)性關(guān)系[21].表1為世界主要重載鐵路國(guó)家軸重及車(chē)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表.

表1　主要重載國(guó)家重載列車(chē)軸重和車(chē)長(zhǎng)Tab.1　Typical heavy haul railway freight trains including axle loads and length worldwide

韓自力等[22]對(duì)我國(guó)既有鐵路路基動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)軌道狀態(tài)極差或有路基病害時(shí),路基動(dòng)應(yīng)力最大值比正常情況下的大2～3倍.20世紀(jì)末到21世紀(jì)初,我國(guó)既有線(xiàn)進(jìn)行了6次大提速,雖然機(jī)車(chē)軸重加大、列車(chē)運(yùn)行速度提高了幾倍,但由于線(xiàn)路狀態(tài)及日常維護(hù)管理水平和軌道結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度相應(yīng)提高,路基動(dòng)應(yīng)力并沒(méi)有提高,說(shuō)明軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)及平順性對(duì)路基動(dòng)應(yīng)力的影響很大.

水和溫度也是引起基床翻漿冒泥的重要條件.我國(guó)南方地處亞熱帶,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,雨熱同期.降水量在800 mm以上,山地迎風(fēng)坡降水較多,且常為晴雨相間,致使基床土處于干濕循環(huán)變化之中,為翻漿冒泥創(chuàng)造了有利條件.北方季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū),基床翻漿冒泥常在春融期發(fā)生.喬連軍[23]指出季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)基床翻漿冒泥在路堤和路塹中均出現(xiàn),與道床厚度、清潔程度不相關(guān),對(duì)于剛清篩大修過(guò)地段,也發(fā)生翻漿冒泥.氣溫的變化對(duì)翻漿冒泥病害的程度影響較大,升溫越快,翻漿冒泥程度越嚴(yán)重.上一年的雨雪量大,翻漿冒泥處就越多.

路基所處的地形特征也可能引起路基發(fā)生翻漿冒泥.楊榮興[24]報(bào)道的浙贛線(xiàn)紅門(mén)工點(diǎn)翻漿冒泥病害,位于山間峽谷地帶,匯水面積較大,路塹深度為4～12 m,路基排水不良也為基床發(fā)生翻漿冒泥病害提供了溫床.

2　基床翻漿冒泥內(nèi)因——土性分析

本文收集和統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外60多組翻漿冒泥土基本物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)樣本來(lái)源中國(guó)、北美、泰國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、印度和日本等,包括鐵路、公路基床翻漿冒泥病害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2.統(tǒng)計(jì)的參數(shù)主要包括土的級(jí)配、礦物成分、液塑限、滲透系數(shù)、孔隙比、飽和度、自由膨脹率等.

表2　翻漿冒泥土的物理性質(zhì)Tab.2　Physical properties of mud pumping soils

續(xù)　表2Continued Tab.2

續(xù)　表2Continued Tab.2

注:P為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，P0.420、P0.074、P0.063分別指顆粒粒徑小于0.420 、0.074 mm和0.063 mm的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);黏粒指粒徑小于0.002 mm的顆粒;粉粒指粒徑大于0.002 mm小于0.050 mm的顆粒;砂粒指粒徑大于0.050 mm小于2.000 mm的顆粒;礫粒指粒徑大于2.000 mm的顆粒;*表示最優(yōu)含水率或最大干密度.

2.1　顆粒組成

易發(fā)生翻漿冒泥土的工程性質(zhì)與其顆粒組成密切相關(guān).日本在1955年對(duì)其國(guó)內(nèi)發(fā)生翻漿冒泥病害的土質(zhì)進(jìn)行調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn),發(fā)生翻漿冒泥的路基土的顆粒組成需滿(mǎn)足下列條件:粒徑小于0.420 mm的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P0.420>70.0%;R=P0.074/P0.420>0.65[25].

楊若芳等[6]和周錫九[45]總結(jié)出基床翻漿冒泥土顆粒成分三因分類(lèi)圖(如圖1(a)).認(rèn)為:土質(zhì)路基面翻漿冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒40.0%以上;風(fēng)化極嚴(yán)重的石質(zhì)路基面翻漿冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒30.0%以上.圖中密線(xiàn)部分表示最易發(fā)生翻漿冒泥土、石的顆粒組成(砂黏土、粉質(zhì)黏土和黏土).

(a)文獻(xiàn)[6](b)本文圖1　基床土顆粒三因分類(lèi)圖Fig．1　Particlesizedistributionofsubgradebedsoilsinmudpumping

將本文統(tǒng)計(jì)的翻漿冒泥土的顆粒組成用點(diǎn)在三因分類(lèi)圖中標(biāo)出來(lái),如圖1(b)所示.從圖中可以看出,絕大部分點(diǎn)落在黏粒含量大于20.0%、粉粒含量大于20.0%重疊的三角形區(qū)域,說(shuō)明該區(qū)域的土體會(huì)發(fā)生翻漿冒泥.在這個(gè)區(qū)域內(nèi),存在一個(gè)三角區(qū)域(黏粒含量大于30.0%、粉粒含量大于40.0%)的點(diǎn)最多最密.該區(qū)域與楊若芳等[6]和周錫九[45]總結(jié)的結(jié)果較為一致.還有兩點(diǎn)落在圖中密線(xiàn)重合的三角形區(qū)域之外,這兩點(diǎn)是在特定的情況下發(fā)生的翻漿冒泥,如Hayashi等[41]報(bào)道的日本新干線(xiàn)隧道內(nèi)仰拱底翻漿冒泥病害.

圖2為黏粒含量Pclay和粉粒含量Psilt的比值與細(xì)顆粒含量的分布圖.從圖中可以看出,翻漿冒泥土大部分位于圖中的矩形范圍內(nèi),其中有一點(diǎn)落在矩形之外.該點(diǎn)屬于路基面與泉眼翻漿冒泥的綜合[24],在該案例中,泉眼對(duì)基床翻漿冒泥的產(chǎn)生起決定性作用.從圖2中還可以看出,細(xì)粒含量大于8.0%就有發(fā)生翻漿冒泥的可能.除此之外,還發(fā)現(xiàn)在翻漿冒泥土的細(xì)顆粒部分,粉粒的含量一般要大于黏粒的含量.這是因?yàn)?粉粒的含量大,顆粒細(xì)小而沒(méi)有粘聚力,土容易處于散粒狀態(tài),更容易發(fā)生翻漿冒泥.

圖2　翻漿冒泥土細(xì)粒組成分布Fig.2　Composition of fine particles in mud pumping soils

2.2　可塑性指標(biāo)

伊東孝之[46]認(rèn)為WL>35%,IP>9的土極易發(fā)生翻漿冒泥.楊若芳等[6]根據(jù)大量調(diào)研資料,總結(jié)出土質(zhì)基面和風(fēng)化石質(zhì)基面翻漿冒泥病害土的可塑性指標(biāo)分布圖如圖3所示(圖中：C為黏土，M為粉土，O為有機(jī)質(zhì)土；L為低液限，I為中液限，H為高液限，如CH表示為高液限黏土).同時(shí),鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10001—2005)中規(guī)定Ⅰ級(jí)鐵路應(yīng)選用A、B組填料;Ⅱ級(jí)鐵路可選用A、B、C組填料,當(dāng)選用C組填料時(shí),在降水量大于500 mm/a地區(qū),要求IP≤12,WL≤32%;否則需改良、加固土質(zhì).

根據(jù)表2,統(tǒng)計(jì)出翻漿冒泥土可塑性指標(biāo)分布如圖4所示.圖4顯示翻漿冒泥土的可塑性指標(biāo)分布規(guī)律與圖3楊若芳等[6]總結(jié)的類(lèi)似,但翻漿冒泥土的范圍明顯要大.WL>23%,IP>6.5的土易發(fā)生翻漿冒泥,這不僅包含了高液限、中液限土,還包含了部分低液限粉質(zhì)黏土.圖3、4中D、E線(xiàn)是根據(jù)翻漿冒泥土(表2)的可塑性指標(biāo)最小值確定的,D線(xiàn)平行于A(yíng)線(xiàn),是根據(jù)翻漿冒泥土的可塑性指標(biāo)分布憑經(jīng)驗(yàn)推定,尚缺乏理論支撐.

(b) 風(fēng)化石質(zhì)基面圖3　文獻(xiàn)[6]的翻漿冒泥土的可塑性指標(biāo)范圍Fig.3　Plasticity chart of mud pumping soils suggested by Reference [6]

圖4　翻漿冒泥土的可塑性指標(biāo)范圍Fig.4　Plasticity chart of mud pumping soils

2.3　滲透系數(shù)

楊若芳等[6]總結(jié)了翻漿冒泥土的滲透系數(shù)范圍:土質(zhì)基面(1.05×10-7～9.5×10-9m/s);風(fēng)化石質(zhì)基面(4.8×10-7～6.16×10-10m/s),為弱或不透水層.而本研究的結(jié)果(如表1所示)發(fā)現(xiàn),在土的滲透性(1.0×10-6m/s)較好的情況下,仍會(huì)發(fā)生翻漿冒泥.我國(guó)高速鐵路路基基床層采用級(jí)配碎石填筑,張?jiān)聘鵞47]對(duì)級(jí)配碎石的滲透性進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)級(jí)配碎石在K=95%,滲透系數(shù)處于(1.50～2.85)×10-5m/s之間,實(shí)際工程中,高速鐵路路基基床表層的壓實(shí)度要大于95%,其滲透系數(shù)要低于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但滲透系數(shù)在數(shù)量級(jí)不會(huì)太大變化(10-5m/s范圍內(nèi)).即便是級(jí)配碎石這種滲透性很好的材料,在高速鐵路運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn),仍有部分路基出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象.

翻漿冒泥土的細(xì)顆粒含量P與滲透系數(shù)k之間的關(guān)系如圖5所示.通過(guò)擬合,發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥土的k與P之間存在很好的負(fù)指數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.90.在粗細(xì)顆?；旌贤林?細(xì)顆粒的增加會(huì)導(dǎo)致粗顆粒的骨架作用降低,顆粒比表面積增加;水被細(xì)顆粒靜電引力吸引越強(qiáng),在顆粒表面的水分越多,結(jié)果導(dǎo)致土體中孔隙通道被堵塞的幾率增大,土體的滲透性降低.由圖5可知,翻漿冒泥的土位于擬合曲線(xiàn)上及其附近,P的變化范圍為0～100%,k≤1.0×10-5m/s.

圖5　滲透系數(shù)k與細(xì)顆粒含量P的關(guān)系Fig.5　Relation between the permeability coefficient k and fine particle content P

2.4　礦物成分

表1數(shù)據(jù)中接近一半的翻漿冒泥病害發(fā)生在膨脹土中,且大部分土體的自由膨脹率小于40%.膨脹土的黏土礦物成分一類(lèi)以蒙脫石為主,另一類(lèi)以伊利石和高嶺石為主.由于蒙脫石和伊利石是親水性強(qiáng)的黏土礦物,遇水膨脹且強(qiáng)度衰減,失水收縮和反復(fù)脹縮變形,性質(zhì)極不穩(wěn)定.當(dāng)路基基床層填料中細(xì)顆粒的主要礦物成分為蒙脫石時(shí),蒙脫石晶胞間為數(shù)層水分子,有聯(lián)結(jié)力很弱的O2-相互聯(lián)結(jié),晶格間具有很大的活動(dòng)性,遇水后水分子可以無(wú)定量地進(jìn)去晶格間,使其發(fā)生膨脹,體積可以增大數(shù)倍.此時(shí)的細(xì)顆粒與水形成泥漿,成為填料粗顆粒之間的潤(rùn)滑劑,包裹填充粗顆粒,使粗顆粒填料的強(qiáng)度顯著下降,另一方面,蒙脫石的強(qiáng)親水性,使基床填料的賦存水的能力顯著增強(qiáng),而滲透性將顯著降低,致使基床層的水不能及時(shí)排出.列車(chē)動(dòng)荷載反復(fù)作用下,基床層顯著降低的強(qiáng)度和動(dòng)荷載引起的超孔水壓為道砟顆粒嵌入路基基床提供便利,形成道砟與路基填料混合交叉夾層.隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),夾層越來(lái)越厚,道床層相對(duì)越來(lái)越薄,最終發(fā)展到道床表層翻漿冒泥.因此,在《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10035—2006)中明確規(guī)定基床表層不得采用膨脹土(巖)或其改良土填筑.當(dāng)膨脹性土在改良時(shí)攪拌不均勻,效果不佳時(shí),也容易發(fā)生翻漿冒泥病害.

3　結(jié)　論

基床翻漿冒泥是鐵路路基常見(jiàn)的頑疾和病害,它不僅使鐵路線(xiàn)路的技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化,嚴(yán)重影響線(xiàn)路質(zhì)量,致使線(xiàn)路維修工作量大大增加、線(xiàn)路上部建筑材料使用壽命大大縮短,同時(shí)還造成材料和勞動(dòng)力的極大浪費(fèi);由于道床板結(jié)、軟化,使道床的整體彈性急劇降低,嚴(yán)重影響行車(chē)的舒適性和安全性.本文分析和總結(jié)基床翻漿冒泥產(chǎn)生機(jī)理和條件,收集和統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外60多組基床翻漿冒泥土基本物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù).分析了翻漿冒泥土的顆粒組成、可塑性指標(biāo)、滲透性及礦物成分,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 基床翻漿冒泥病害發(fā)生機(jī)理非常復(fù)雜,影響翻漿冒泥的因素眾多,尚沒(méi)有描述翻漿冒泥的理論模型,需要進(jìn)一步研究.

(2) 在統(tǒng)計(jì)的翻漿冒泥土中,絕大部分黏粒含量大于20%、粉粒含量大于20%;其中黏粒含量大于30%、粉粒含量大于40%的土所占數(shù)量最多.翻漿冒泥土中粉粒的含量一般要高于黏粒含量.

(3) 翻漿冒泥土液限大于23%,塑性指數(shù)大于6.5,包含砂黏土、粉質(zhì)黏土、黏土,部分低液限粉質(zhì)黏土.

(4) 翻漿冒泥土的滲透系數(shù)

k≤1.0×10-5m/s.

翻漿冒泥土的k與細(xì)顆粒含量P之間存在很好的負(fù)指數(shù)關(guān)系,其關(guān)系式為

k=1 308e-0.06P,R2=0.90.

致謝:中南大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2016zzts080).

參考文獻(xiàn):

[1]SELIG E T,WATERS J M.Track geotechnology and substructure management[M].London:Thomas Telford,1994： 8-1-8-50.

[2]楊志浩.重載鐵路翻漿冒泥病害機(jī)理研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué),2014.

[3]FELDMAN F,NISSEN D.Alternative testing method for the measurement of ballast fouling:percentage void Contamination[C]∥Cost Efficient Railways Through Engineering (CORE 2002).Wollongong:[s.n.],2002:10-13.

[4]INDRARATNA B,SU L,RUJIKIATKAMJORN C.A new parameter for classification and evaluation of railway ballast fouling[J].Canadian Geotechnical Journal,2011,48(2):322-326.

[5]徐旸,高亮,井國(guó)慶,等.臟污對(duì)道床剪切性能影響及評(píng)估指標(biāo)的離散元分析[J].工程力學(xué),2015,32(8):96-102.

XU Yang,GAO Liang,JING Guoqing,et al.Shear behavior analysis of fouled railroad ballast by DEM and its evaluation index[J].Engineering Mechanics,2015,32(8):96-102.

[6]楊若芳,楊燦文.防治翻漿冒泥新技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1989:1-14.

[7]China Railway Corporation.The annual report of railway subgrade detection in 2013[R].Beijing:China Railway Publishing House,2013.

[8]VAN W A.Rigid pavement pumping:(1) subbase erosion and (2) economic modeling:informational report[R/OL].[2016-09-20].http://dx.doi.org/10.5703/1288284314094.

[9]ALOBAIDI I,HOARE D J.Factors affecting the pumping of fines at the subgrade subbase interface of highway pavements:a laboratory study[J].Geosynthetics International,1994,1(2):221-259.

[10]ALOBAIDI I,HOARE D J.The development pore water pressure at the subgrade-subbase interface of a highway pavement and its effect on pumping of fines[J].Geotexitiles and Geomembranes,1996,14(2):111-135.

[11]ALOBAIDI I,HOARE D J.The role of geotextile reinforcement in the control of pumping at the subgrade-subbase interface of highway pavements[J].Geosynthetics International,1998,5(6):619-636.

[12]ALOBAIDI I,HOARE D J.Qualitative criteria for anti-pumping geocomposites[J].Geotextiles and Geomembranes,1998 ,16(4):221-245.

[13]ALOBAIDI I,HOARE D J.Mechanisms of pumping at the subgrade-subbase interface of highway pavements[J].Geosynthetics International,1999,6(4):241-259.

[14]TAKATOSHI I.Measure for the stabilization of railway earth structure[R].Tokyo:Japan Railway Technical Service,1997.

[15]ENG SEW A.Low cost monitoring system to diagnose problematic rail bed:case study at a mud pumping site[D].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,2007.

[16]DUONG T V,CUI Y J,TANG A M,et al.Investigating the mud pumping and interlayer creation phenomena in railway sub-structure[J].Engineering Geology,2014,171:45-58.

[17]DUONG T V,CUI Y J,TANG A M,et al.Physical model for studying the migration of fine particles in the railway substructure[J].Geotechnical Testing Journal,2014,37(5):1-12.

[18]聶如松,冷伍明,楊奇.既有重載鐵路路基檢測(cè)試驗(yàn)與狀態(tài)評(píng)估[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2014,31(11):20-24.

NIE Rusong,LENG Wuming,YANG Qi.Detection test and condition assessment on existing heavy hual railway subgrade[J].Journal of Railway Engineering Society,2014,31(11):20-24.

[19]聶如松,冷伍明,楊奇.鐵路路基質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2015,37(1):91-96.

NIE Rusong,LENG Wuming,YANG Qi.Comparison and analysis on railway subgrade quality detection tests[J].Journal of the China Railway Society,2015,37(1):91-96.

[20]NIE Rusong,LENG Wuming,SU Yu,et al.Causes and mechanism of mud pumping in ballast track subgrade[C]∥The 4th International Conference on Railway Engineering:the Infrastructure Construction and Maintenance of High-speed Railway and Ubran Rail Transit in Complex Environment (ICRE2016).Beijing:[s.n.],2016:30-31.

[21]LI D,HYSLIP J,SUSSMANN T,et al.Railway geotechnics[M].[S.l.]:CRC Press,2016:108-124.

[22]韓自力,張千里.既有線(xiàn)提速路基動(dòng)應(yīng)力分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2005,26(5):1-5.

HAN Zili,ZHANG Qianli.Dynamic stress analysis on speed-increase subgrade of existing railway[J].China Railway Science,2005,26(5):1-5.

[23]喬連軍.京通線(xiàn)K245～K462路基翻漿冒泥的整治[J].鐵道建筑,2006(10):75-76.

[24]楊榮興.浙贛線(xiàn)紅門(mén)工點(diǎn)翻漿冒泥的整治[J].路基工程,1996(6):53-56.

YANG Rongxing.Remediation of the mud pumping Red Gate Worksite[J].Subgrade Engineering,1996(6):53-56.

[25]VOOTTIPRUEX P,ROONGTHANEE J.Prevention of mud pumping in railway embankment a case study from Baeng Pra-pitsanuloke,Thailand[J].The Journal of KMITB,2003,13(1):20-25.

[26]BOOMINTAHAN S,SRINIVASAN G R.Laboratory studies on mud pumping into ballast under repetitive rail loading[J].Indian Geotechnical Journal,1988,18(1):31-47.

[27]RAYMOND G P.Geotextileapplication for a branch line upgrading[J].Geotextiles and Geomembranes,1986,3(2):91-104.

[28]AYRES D J.Geotextiles or geomembranes in track? British railways’ experience[J].Geotextiles and Geomembranes,1986,3(2):129-142.

[29]谷憲明.季凍區(qū)道路凍脹翻漿機(jī)理及防治研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007.

[30]MURAMOTO K,SEKINE E,NAKAMURA T,et al.Roadbed degradation mechanism under ballastless track and its countermeasures[J].Quarterly Report of Rtri,2006,47(4):222-227.

[31]倪宏革,張令諾,周慶坡.兗石鐵路基床翻漿冒泥產(chǎn)生機(jī)理與整治對(duì)策分析[J].鐵道建筑,2007(2):61-63.

[32]葛如生.陽(yáng)安線(xiàn)基床病害整治[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[33]鐘濤,梁維新.成都東站峰前場(chǎng)基床翻漿冒泥原因的試驗(yàn)分析[J].路基工程,1995(5):39-41.

ZHONG Tao,LIANG Weixin.Mud pumping analysis of roadbed in front of Chengdu East Railway Station[J].Subgrade Engineering,1995(5):39-41.

[34]山田干雄,小野一良,孫明漳.關(guān)于產(chǎn)生翻漿冒泥機(jī)理的初步研究[J].路基工程,1988(3):70-75.

[35]吳新民.南昆鐵路膨脹土路基翻漿冒泥病害分析與改良土試驗(yàn)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[36]易波.電阻率層析成像技術(shù)在陽(yáng)安鐵路翻漿冒泥探測(cè)中的應(yīng)用[J].路基工程,2013(6):150-155.

YI Bo.Appliaction of resistivity tomography in detection of mud pumping along Yangpingguan-Ankang Railway[J].Subgrade Engineering,2013(6):150-155.

[37]趙滿(mǎn)慶.裂隙土基床病害整治研究[D].成都:西南交通大學(xué),2002.

[38]傅鶴林,劉寶琛.路基基床翻漿冒泥病害整治的固化材料的室內(nèi)試驗(yàn)研究[C]∥中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè)).北京:中國(guó)土木工程學(xué)會(huì),2003:1303-1306.

[39]段銘鈺.鐵路路基翻漿冒泥的原因及整治措施[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2010(6):23-25.

[40]楊新安,周青.鐵路路基病害與動(dòng)力觸探試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(4):31-35.

YANG Xinan,ZHOU Qing.Shanghai-Nanjing railway embankment settlement and dynamic penetration test[J].Journal of China University of Mining & Technology,2002,31(4):31-35.

[41]HAYASHI S,SHAHU J T.Mud pumping problem in tunnels on erosive soil deposits[J].Geotechnique,2000,50(4):393-408.

[42]崔新壯.交通荷載作用下黃河三角洲低液限粉土地基累積沉降規(guī)律研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(1):154-162.

CUI Xinzhuang.Traffic-induced settlement of subgrade of low liquid limit silt in Yellow River Delta[J].China Civil Engineering Journal,2012,45(1):154-162.

[43]尹成斐.朔黃鐵路神池南站咽喉路基病害檢測(cè)與分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2013(3):65-70.

YIN Chengfei.Inspection and analysis on subgrade defects over station throat at Shenchi South of Shuohuang Railway[J].Modern Ubran Transit,2013(3):65-70.

[44]冷伍明,聶如松,趙春彥,等.重載鐵路橋梁和路基檢測(cè)與強(qiáng)化技術(shù)研究:重載鐵路路基靜動(dòng)力性能與檢測(cè)技術(shù)研究(分報(bào)告之八)[R].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.

[45]周錫九.鐵路路基基床病害及其產(chǎn)生機(jī)理分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,18(1):24-28.

ZHOU Xijiu.Analysis of classification and mechanism of railway bed[J].Journal of Northern Jiaotong University,1994,18(1):24-28.

[46]伊東孝之.整治路基翻漿冒泥的措施[J].屈野威譯,周柔琴校.鐵道建筑,1980(4):30-32.

[47]張?jiān)聘?高速鐵路基床填料物理力學(xué)特性試驗(yàn)分析[D].成都:西南交通大學(xué),2006.