鐵路路基下沉病害原因及注漿加固處理研究

胡國(guó)偉

中鐵三局集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)分公司，山西 太原 030001

1 工程概況

山西某電氣化鐵路重載列車的開(kāi)行數(shù)量及列車載重不斷增加，盡管經(jīng)過(guò)改造，路基病害仍時(shí)有發(fā)生。鐵路路基承受鐵路荷載及機(jī)車動(dòng)力荷載的同時(shí)，還不斷遭受到雨、雪極端氣候的侵襲，以及不良地質(zhì)條件及各種人為因素的影響，最終出現(xiàn)基床下沉、外擠，甚至出現(xiàn)陷穴等病害，已經(jīng)嚴(yán)重影響路基的穩(wěn)定和鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

2 病害產(chǎn)生的原因

通過(guò)對(duì)該路基下沉段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探發(fā)現(xiàn)，路基下沉病害主要有以下原因：（1）素填土為自重濕陷性土，選用的填料不合理及填筑工藝未能使填料有效碾壓密實(shí)。鐵路所需填料要求在列車動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用下，在土質(zhì)、級(jí)配和強(qiáng)度上具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和較小的滲透性。如果填土厚度過(guò)大、壓實(shí)不足，極易產(chǎn)生壓實(shí)不足等問(wèn)題。（2）原地面砂質(zhì)黃土為自重濕陷性土，當(dāng)排水不暢時(shí)，地表水滲入砂質(zhì)黃土中，出現(xiàn)濕陷現(xiàn)象，導(dǎo)致上覆填土下沉。

該段路基填料及原地面土存在不同程度的濕陷性，在地表水的滲入、聚集，加之列車的反復(fù)碾壓下，使得路基承載力逐漸下降。隨著地表水的持續(xù)進(jìn)入，劣化填土區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終出現(xiàn)基床下沉、外擠，甚至出現(xiàn)陷穴等病害。

3 注漿治理方案選擇

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）、《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2018）中關(guān)于濕陷性土處理的主要技術(shù)內(nèi)容，選擇通過(guò)鉆孔注漿，將漿液通過(guò)鉆孔注入填土中，使填土的力學(xué)性質(zhì)得到改善，從而提高路基承載力，減少路基下沉量。該方法對(duì)行車影響最小，并且具有成本低、固結(jié)體強(qiáng)度大、可靠性高、施工簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)線路運(yùn)營(yíng)影響較小。

4 室內(nèi)模擬注漿試驗(yàn)

為了消除路堤黃土質(zhì)填土的濕陷性，且在施工過(guò)程中避免過(guò)大的路基附加沉降，選擇采用單液硅化法加固沉降段路基工程，注漿溶液主要由濃度10%～15%的硅酸鈉溶液摻入2.5%氯化鈉組成，進(jìn)行室內(nèi)模擬注漿試驗(yàn)，參照設(shè)計(jì)要求，每桶土樣采用電鉆開(kāi)4個(gè)直徑為2cm、深度為10cm的圓孔（見(jiàn)圖1），將按照設(shè)計(jì)要求配置并攪拌均勻的硅酸鈉溶液滲入土體中，每隔0.1～1h加一次溶液，防止孔內(nèi)溶液滲干，3h后孔內(nèi)有殘留溶液，停止注漿，再對(duì)注漿后試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)、直接剪切等實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2），測(cè)定注漿加固后土體的滲透性、壓縮性、濕陷性及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 土樣注漿完畢

圖2 直接剪切試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)前、后填土的各項(xiàng)指標(biāo)變化（見(jiàn)表1～表3），可以得到如下結(jié)論：（1）注漿后土體的含水率恢復(fù)到天然狀態(tài)，注漿前后土體的滲透系數(shù)、孔隙比、干密度基本無(wú)變化，可塑性指標(biāo)發(fā)生改變。表明硅酸鈉溶液采用自滲的注漿方式并沒(méi)有改變土體的原狀結(jié)構(gòu)，注漿過(guò)程并不會(huì)引起路基附加沉降。在氯化鈉催化作用下，硅酸鈉溶液與土體中的硫酸鈣或碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硅酸凝膠并膠結(jié)土粒，使可塑性大幅度提高。（2）壓縮性試驗(yàn)表明，注漿后的土體降低了在荷重下的壓縮性，有效提高了路基的承載力。（3）注漿后黃土質(zhì)填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角）均提高，隨著土體含水量的降低，以及硅酸凝膠體的膠結(jié)作用，內(nèi)聚力提高幅度較大，有利于增強(qiáng)路堤邊坡的穩(wěn)定性。（4）注漿加固后，黃土質(zhì)填土對(duì)水的敏感性降低，濕陷系數(shù)降至0.015以下，濕陷性消除，而且后期失水減濕后其濕陷性并未恢復(fù)。

表1 注漿前后黃土質(zhì)填土的壓縮性指標(biāo)

表2 注漿前后黃土質(zhì)填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表3 注漿前后黃土質(zhì)填土的濕陷性指標(biāo)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行室內(nèi)注漿加固試驗(yàn)，測(cè)出加固土體的壓縮性和濕陷性等指標(biāo)均可以滿足規(guī)范要求。

5 路基注漿設(shè)計(jì)及施工方法

施工前應(yīng)選擇一沉降段進(jìn)行多孔灌注溶液試驗(yàn)，確定注漿參數(shù)。灌注溶液試驗(yàn)結(jié)束后，間隔10d左右，取土樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定加固土的壓縮性和濕陷性等指標(biāo)。路基注漿施工時(shí)在路基兩側(cè)使用鉆機(jī)鉆孔后放入注漿管，注漿管直徑為80mm，鉆孔間距為0.6m，梅花形布置（見(jiàn)圖3～圖4）。將配好的硅酸鈉溶液灌滿灌注孔，使溶液自行滲入土中。待溶液全部注入土中后，注漿孔用二八灰土回填，注漿溶液由濃度為10%～15%的硅酸鈉溶液摻入2.5%氯化鈉溶液組成，相對(duì)密度宜為1.13～1.15，且不應(yīng)小于1.10，其模數(shù)值應(yīng)為2.5～3.3。

圖3 注漿斷面大樣圖

圖4 注漿管布置立面示意圖（單位：mm）

6 結(jié)論

通過(guò)分析地勘報(bào)告并開(kāi)展室內(nèi)單液硅化法注漿加固等一系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)定注漿加固前、后土體的壓縮性、濕陷性和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)，可以得到以下結(jié)論：路基下沉段濕陷性填土采用注漿加固后，填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角）均有所提高，可以有效降低填土在荷重下的壓縮性，增強(qiáng)了路基的承載力，而且隨著土體含水量的降低，受硅酸凝膠體的膠結(jié)作用，內(nèi)聚力提高幅度較大，路堤邊坡的穩(wěn)定性也得到了明顯提高。