硫酸鹽侵蝕條件下無砟軌道路基上拱特性研究

王鵬程，葉陽升，堯俊凱，陳 鋒，張千里

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081)

隨著我國鐵路工程的迅猛發(fā)展，凍融、干濕及鹽分侵蝕等復雜的工程環(huán)境對于路基的影響日益顯現(xiàn)，部分無砟軌道路基出現(xiàn)了因路基填料及地基土微膨脹而引起的無砟軌道軌道結構上拱及偏移問題，部分上拱變形嚴重的工點不得不限速運行，或者在限速運營條件下利用天窗時間進行整治維修，投入成本較大，且對線路的正常運營造成極大的影響。現(xiàn)場調研顯示大部分的路基上拱發(fā)生在路橋(涵)過渡段內，此范圍的基床填料為級配碎石摻水泥集料。一定溫度及含鹽量條件下鹽分侵蝕水泥穩(wěn)定集料形成鈣礬石等礦物而引起的侵蝕膨脹問題早已得到了廣泛的關注[1-2]。Chen等[3]對美國德克薩斯州82號公路東側的路基上拱的原因分析認為，路基上拱是由于土中石灰穩(wěn)定劑和硫酸鹽礦物質之間的反應引起，掃描電子顯微鏡(SEM)分析，證明了鈣礬石的形成是上拱的主要原因。Alonso等[4]對馬德里和巴塞羅那之間高速鐵路某路橋過渡段上拱進行了監(jiān)測與研究，監(jiān)測表明，由水泥穩(wěn)定填料填筑的路基過渡段在兩年的時間里持續(xù)上拱了120 mm，且降雨后膨脹率明顯增加，膨脹對路基和橋臺造成了嚴重的破壞。對上拱段路堤填料進行礦物成分分析證實了膨脹性物質鈣礬石存在。

鈣礬石最大的特點之一就是生成過程中會產生體積膨脹，一個鈣礬石晶體分子可吸附多達32個水分子，引起固相體積劇烈增大2倍以上[5-6]，一般形成后便不再發(fā)生吸水膨脹，易脫硫形成水化硫鋁酸鈣，而此過程不發(fā)生體積膨脹。

3(CaSO4·2H2O)+4CaO·Al2O3·19H2O+

目前我國針對公路及鐵路中的鹽分侵蝕水泥引起膨脹問題的研究較少，膨脹變形問題主要針對膨脹土、凍土及鹽漬土等特殊土開展。本文針對某無砟軌道路基上拱工點，通過現(xiàn)場調研與監(jiān)測明確了上拱變形的主要特征及膨脹發(fā)生部位，并結合室內試驗分析了上拱的主要原因。

1 工程概況

1.1 設計情況

某客運專線無砟軌道路基上拱工點位于路涵過渡段范圍內(1～2 m箱型涵)，工點典型的橫斷面圖見圖1，線路形式為路堤，填土高度6.5～7.5 m。過渡段表層為摻5% P.O42.5水泥的級配碎石，表層以下為摻3% P.O42.5水泥的級配碎石。主要地層為細角礫土、礫巖、片麻巖，地基處理采用重夯+挖除填滲水土(換填深度1.5 m)，地表設0.5 m水泥卵礫石墊層。

圖1 上拱偏移工點典型橫斷面(單位：m)

根據上拱工點的氣象資料，年平均降水量為52.2 mm，年最大降水量為127.7 mm，年平均降水日數23 d，年蒸發(fā)量2 567.3 mm，年平均氣溫9.8 ℃，土壤最大凍結深度116 cm。

1.2 病害情況

此區(qū)間于2015年10月份發(fā)現(xiàn)上拱，同時，上下行線路均出現(xiàn)了由線路中心向路肩側的偏移，且變形持續(xù)發(fā)展，截止2016年8月，上行線最大上拱24.2 mm，最大偏移量21.3 mm，下行線最大上拱33.2 mm，最大偏移19.7 mm。該病害工點的軌面高程及平面位置的檢測數據見圖2。

圖2 工點變形情況

由圖2可知，基礎膨脹引起的軌道結構上拱與偏移變形一般為局部變形，變形曲線存在明顯的峰值，并向兩側迅速衰減，上下行線路的變形范圍基本一致。

上拱點涵洞排水較為通暢，周邊未見明顯積水。上下行線路兩側路肩與封閉層結合處。路基面與軌道結構接縫處均產生明顯的裂縫。因此，初步分析認為上拱偏移是由于基床上部的膨脹所引起的，并展開了現(xiàn)場監(jiān)測與試驗分析工作。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

為了明確膨脹變形部位，首先在上拱偏移段落支承層頂部布設了縱向連續(xù)變形監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測路基及地基的整體變形，沿線路方向選擇6個變形監(jiān)測斷面，間距5 m?？v向連續(xù)變形監(jiān)測系統(tǒng)由一系列連通的靜力水準儀組成，利用連通液原理，通過測量不同水準儀存貯罐的液面高度，計算出各靜力水準儀的差異沉降，監(jiān)測精度為0.5 mm/32 m。

在路基及地基內布設了分層變形自動監(jiān)測傳感器，用于監(jiān)測基床表層、基床底層、路基本體及原地面下1.4 m范圍地基的變形情況。每個監(jiān)測孔內布設一個變形監(jiān)測傳感器，監(jiān)測精度為0.2 mm，在上行側路肩沿線路方向間距0.5 m布設一個監(jiān)測孔。

同時，在現(xiàn)場布設了溫度傳感器，深度為路基面以下0.4、1.5、3.0、4.0、5.0 m，監(jiān)測精度為0.5 ℃?，F(xiàn)場布設太陽能電池板及蓄電池進行供電，所有監(jiān)測數據通過現(xiàn)場的采集傳輸系統(tǒng)進行實時采集與傳輸。

2.2 監(jiān)測結果

該上拱偏移工點6個縱向連續(xù)變形監(jiān)測斷面的變形曲線及該工點不同深度處地溫的變化情況，見圖3。由圖3可知，從2017年4月至2018年4月，6個監(jiān)測斷面的支承層頂面變形均呈現(xiàn)出波動增長的趨勢，最大累計上拱量達到3.5 mm。無砟軌道路基基床表層的溫度變化對整體變形影響較大，一年周期內，其變化規(guī)律可以分為三個階段：第一個階段為2017年4月至2017年8月，總體而言，無砟軌道結構整體變形隨著表層溫度的升高呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；第二階段為2017年8月至2018年1月，各斷面的變形均隨著基床溫度的降低，呈現(xiàn)明顯的增加；2018年1月至2018年4月為第三個階段，隨著基床表層氣溫的回升，支承層頂面的整體變形再次出現(xiàn)回落，且回落后仍存在殘余上拱量。

圖3 縱向連續(xù)變形與地溫

路基上拱的可能原因包括：膨脹土(巖)的吸水膨脹、鹽漬土吸水鹽脹以及負溫凍脹。2017年12月至2018年1月期間，路基整體處于降溫過程，同時基床表層逐漸變?yōu)樨摐?，滿足凍脹及鹽脹的溫度條件，然而升溫時的體積膨脹與鹽分降溫過程吸水結晶的機理不同，同時，正溫條件下的膨脹及負溫條件下的沉降與負溫凍脹正溫融沉特性不一致。大量針對硫酸鹽侵蝕生成鈣礬石反應溫度的研究表明[7-8]，15～20 ℃是較適宜侵蝕膨脹的反應溫度，溫度高于20 ℃時，反應相對穩(wěn)定，溫度低于15 ℃時，仍會有侵蝕反應發(fā)生，這與上拱變形特性較一致。

不同時間的分層變形監(jiān)測結果見圖4。不同時間及溫度條件下，無砟軌道基床部分，特別是基床表層的變形都是最大的，結合現(xiàn)場調研情況及變形與基床表層溫度的相關性可以判定，此上拱病害工點的變形主要發(fā)生在基床表層，且其主要膨脹原因不是填料的凍脹及鹽脹。

圖4 分層變形監(jiān)測結果(單位：mm)

3 室內試驗分析

為了進一步分析上拱原因，在現(xiàn)場進行了原位取樣，深度分別為基床表層、基床底層、基床以下路基及地基。依據TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[9]和TB 10103—2008《鐵路工程巖土化學分析規(guī)程》[10]進行化驗，主要內容包括膨脹性分析、易溶鹽含量檢測及礦物成分分析。

3.1 膨脹性分析

依據如表1所示的膨脹潛勢分類標準，對路基填料及地基土中的細顆粒部分(粒徑小于0.5 mm)的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等膨脹性指標進行分析，當土質符合表列任意兩項以上指標時，膨脹潛勢即判定為該等級。

表1 膨脹潛勢分類標準[11]

膨脹性分析結果見圖5，檢測的路基填料及地基土的含水率較低(4%左右)，膨脹性物質含量均較低，細顆粒部分的自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量等膨脹性指標也小于規(guī)范中弱膨脹土的評價標準，說明膨脹礦物吸水膨脹并不是引起上拱的主要原因，而現(xiàn)有的針對膨脹土的評價標準不適用于無砟軌道水泥改良填料及地基土。

圖5 膨脹性檢測結果

3.2 易溶鹽分析

通過化學滴定方法對路基填料及地基土的易溶鹽總量與碳酸根、重碳酸根、氫氧根、氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子等易溶鹽離子含量進行化驗，計算各類易溶鹽離子占總質量的比例。

不同深度處土樣的易溶鹽總量的分布情況見圖6。地基范圍內的易溶鹽含量高于填土，地面以下2.0 m左右的易溶鹽含量約為0.4%，大于鹽漬土的判別標準(0.3%)；路基填土范圍內的鹽分主要分布在基床表層，并隨深度的增加而減小，最大含鹽量為0.13%。

圖6 易溶鹽總量分布

如圖6和圖7所示，土樣內易溶鹽的組成及其含量，在深度方向上，路基填料及地基土中易溶鹽組成及分布與易溶鹽總量的分布規(guī)律大致相同，鹽分主要集中于地基頂部部與路基基床表層，其中SO42-與Ca2+的含量最高。

圖7 易溶鹽成分與分布

研究認為[12-13]，硫酸鹽含量大于3 000 mg/kg就有引起侵蝕膨脹的可能，而當硫酸鹽含量大于8 000 mg/kg時，發(fā)生侵蝕膨脹的可能性迅速增加。而文獻[14-15]的研究則表明，含鹽量低于2 000 mg/kg的條件下也可能發(fā)生侵蝕膨脹，主要取決于黏土礦物，特別是Al3+的含量與分布。過渡段基床表層范圍內，水泥摻量較多且不均勻，存在局部富集進而發(fā)生侵蝕膨脹的可能。

3.3 礦物成分分析

通過X射線衍射分析(XRD)確定現(xiàn)場填料的礦物成分及其含量。XRD分析中，可通過某種礦物的特征衍射峰的強度判斷該礦物含量，其峰值越強，則礦物含量越高。XRD檢測得到的基床表層填料、路基頂面下0.4～0.6 m填料及地面以下0.3 m地基土的礦物成分分析結果，見表2。

由表2可知，土樣的主要成分為石英、斜長石及綠泥石，在基床表層及地基下0.3 m深度處的土樣中均檢測到了鈣礬石，含量分別為9%和5%，由于基床表層及地基表面SO42-及Ca2+含量較高，且水泥中含有Al3+，提供了侵蝕反應生成鈣礬石的條件，進而產生膨脹；路基面以下0.4～0.6 m范圍內的填料雖然未檢測到鈣礬石，但是檢測到了鈣礬石脫硫形成的水化硫氯酸鈣(5%)也間接說明了曾發(fā)生過侵蝕膨脹。

針對基床表層填料進行電鏡掃描分析的結果見圖8，可見大量細長針狀鈣礬石晶體，進一步論證了侵蝕膨脹過程的存在。

圖8 掃描電鏡分析結果

其他深度處土樣的礦物分析結果見表2，由表2可知，均未發(fā)現(xiàn)膨脹性或形成過程中可產生膨脹的礦物，與各部位的變形監(jiān)測結果相符合。

表2 路基填料與地基土礦物組成 %

4 結論

本文基于某無砟軌道路基上拱病害工點，通過現(xiàn)場調研、原位變形監(jiān)測初步明確了膨脹變形的特征及變形部位，通過對現(xiàn)場路基填料及地基土的膨脹性指標、易溶鹽及礦物成分檢測分析了上拱偏移的原因，主要結論如下。

(1)無砟軌道基礎上拱變形與溫度變化呈現(xiàn)出較大的相關性，一年周期內，隨著溫度的變化可分為隨溫度升高而降低或緩慢增長階段、隨溫度降低快速增長階段及隨溫度升高的回落階段，且存在較大的殘余上拱量。

(2)膨脹性分析結果顯示，土樣的膨脹性低于現(xiàn)行規(guī)范中弱膨脹的評價標準，但土樣易溶鹽含量偏高，變形與易溶鹽含量，特別是SO42-的含量存在較大相關性，以本文研究工點為例，鹽分含量較大的基床表層膨脹變形量也較大。

(3)上拱是多因素作用的結果，降溫鹽脹及負溫凍脹機理均不能有效解釋上拱變形特征，而礦物分析結果則表明硫酸鹽侵蝕水泥改良填料形成鈣礬石晶體過程中的膨脹是無砟軌道基礎上拱的最主要原因。