京九线粉土工程特性及其路基病害整治方法研究

李光林

(济南铁路局，山东济南 250001)

京九铁路经过鲁西南黄泛平原区，路基填料多取自两侧取土坑中的粉土，当遭受降雨和地下水的影响作用后，各种路基病害频繁发生，对行车安全产生了严重危害[1]。针对京九线粉土路基频发的几类病害特征：路基下沉，边坡冲刷冲沟，路望宽度不足和路基边坡溜坍或滑坡等，对京九铁路K372+777至K650+333间粉土工程特性展开试验分析，结合其病害形成条件，提出针对粉土路基病害的整治措施，为今后粉土分布区域的路基工程建设提供借鉴。

1 粉土工程特性

1.1 基本物理和化学性质

测试样品取自京九线K381+000～K594+434山东聊城、荷泽附近曲线改造后废弃路段的路基填土。粉土的物质组成主要是原生矿物砂、粉粒，含有较少的次生黏土矿物，试验得出的基本物理性质及指标如表1。比重变化很小，平均为2.64 mg/m3，液限和塑限的变化范围分别为27.64%～30.43%和20.71%～21.41%，塑性指数变化范围相对较大，为6.93～9.02。根据《铁路路基设计规范》[2]规定，选取测试土样为低液限粉土。

表1 粉土样本基本物理性质指标

1.2 粒度组成分析

对所取土样进行粒度分析，分析结果如图1所示。由图1可看出，所取粉土样本的粒径分布曲线均呈阶梯式陡然下降，全部颗粒粒径小于0.25 mm，其中粉粒的平均含量(0.075～0.005 mm之间)超过75%，而黏粒含量(d<0.005 mn)和粗砂粒含量(d>0.075 mm)分别不到10%和15%，通过计算可得不均匀系数Cu=1.8～2.8，说明该粉土颗粒粒径分布上存在一定不连续，使得该土样不易成型，难以达到所要求的压实系数。

图1 粉土颗粒分析曲线

图2 击实曲线

1.3 击实性质

为了解该路段路基土压实的最大干密度和相应最佳含水量，使用普氏击实仪进行击实试验，试验结果和计算结果如图2所示。该粉土的最优含水量约为12%，与试验测得塑限(20.71%～21.41%)相比较小，击实曲线呈不对称形状，在小于最优含水率时上升较为平缓，大于时则表现为快速降低，说明干密度代表的土体压实性对于含水率影响较大。此外，饱和曲线位于击实曲线右上方，可推断出即使在该粉土样本为最大干密度时，其饱和度仍然较低，与饱和含水量相差较大，主要还是由于土体的孔隙比仍然较大造成的。

为了进一步分析粉土干密度与最佳含水量的定量关系，采用多种不同击实功条件下的击实试验(2 687.0 kJ/m3、5 374.0 kJ/m3、8 061.0 kJ/m3和9 752.0 kJ/m3)进行分析，击实试验结果和相关计算指标见表2及图3。综合图表分析可知：最大干密度(ρdmax)与土样中空气体积(Va)同击实功(w)呈正相关，最佳含水量(Wopt)，孔隙比(e)和饱和度(Sr)则同击实功(w)呈负相关关系。击实曲线与饱和曲线始终保持一定的偏离，并未因为增加压实功而向饱和曲线靠近。通常来说，击实作用可减少土颗粒间空隙的体积，降低孔隙气体体积，从而提高土的密实度[3]。在本压实试验结果中，根据下式

Vw=Vv-Va， (Vw为土中水的体积)

图3 不同击实功下粉土的击实曲线

随击实功增加该类土孔隙比(e)降低，说明孔隙体积(Vv)减小，而空气体积(Va)实际表现增大，则进一步说明孔隙体积(Vv)的减小主要是由于水的体积(Vw)减小导致，这也是使得饱和度(Sr)降低的关键因素。在压实作用下，该粉土内部的土球形堆积结构在排出部分孔隙水后，并不能有效减小空气体积，提高饱和度和改变毛细管径。实际工程应用中，压实后的粉土路基，由于其孔隙发育、水稳定性差的特征，在行车振动作用下可引起颗粒的错位与重新排列，表现为强度不稳定与变形不均匀，从而反映出提高击实功对于改善该类粉土的强度及变形特征效果不明显。

1.4 压缩性质

土体的压缩变形与荷载的关系也是土质路基重要的工程特性。所取粉土样本的压缩试验表明，压实系数大于0.85以上的粉土属于中压缩性土体，压实系数大于0.85以后，提高压实系数对土体的压缩性能改善不很明显，同时说明粉土难于压实，且增加压实功对于提高土体的密实度和刚度力学性质也不明显(见图4)。相比较而言，粉土对水的敏感性较强，压实系数为0.95的粉土，从最优含水量12%增加到18%左右时，压缩模量ES1-2下降3 MPa。这说明，压实粉土遇水其刚度明显下降，且产生过大的残余累积变形(见图5)。

图4 压实系数对e-p曲线的影响(w=wopt)

图5 含水量对e-p曲线的影(γd=0.95γdmax)

1.5 粉土的渗透性及增湿变形规律

土的渗透性是表征土体被水透过的性能，也是土体的基本力学性质之一。通过对不同压实系数土体的试验研究，可得出粉土渗透系数与压实系数关系以及湿化变形的特征。

(1)饱和压实粉土的渗透系数及与压实系数的关系

表3所示为不同压实系数条件下粉土的孔隙比和渗透系数测定结果。由表3易看出，压实系数在0.80以上的粉土渗透系数在10-6～10-4cm/s之间，且提高压实系数对改善粉土的渗透系数效果很明显，压实系数从0.80上升到0.85，其渗透系数改变一个数量级单位。由于孔隙比与土体的渗透性有很大的关系[4]，因此本文对多种形式孔隙比和渗透系数做了相关性分析，发现压实粉土的渗透系数k与孔隙比e3/(1+e)成正比例关系(如图6所示)，说明其渗透系数随孔隙比增大而增大，该结果与砂土渗透试验结果相同。

表3 压实系数对渗透系数的影响

图6 粉土的渗透系数与孔隙比的关系曲线

(2)非饱和粉土的浸水增湿规律

非饱和土体的浸水增湿不仅会导致强度的降低，并且会产生一定量的湿化变形。通过比较某应力状态下非饱和土样和土样干、湿应力-应变曲线对应的应变之差，可对非饱和土体的湿化变形特征进行分析。图7和图8为不同压实系数和含水率时偏应力与轴向应变的试验结果，由图中曲线可看出：①轴向湿化增量变形εa随偏应力增加明显增大；②在相同偏应力大小和压实系数条件下，轴向湿化增量变形εa随压实系数的增大而减小，这反映出干密度对湿化变形量影响较为显著。因此，非饱和粉土易于浸水，且浸湿后可产生明显的湿化变形。对路基而言，自身侧向应力较小，当车辆附加轮轴应力较大时，路基将产生过大的塑性变形。

图7 粉土应力-应变曲线(γd=0.8γdmax，σ3=150 kPa)

图8 粉土应力-应变曲线(γd=0.9γdmax,σ3=150 kPa)

2 粉土路基病害产生条件

根据实地调查，研究区内粉土路基在水、列车荷载作用下产生的病害类型主要为：路基下沉、坡面冲蚀、边坡溜坍、路基渗透、和基床陷槽等[1]。在诱发这些病害过程中，粉土的工程性质、水的作用以及列车荷载作用是最主要的影响因素。

2.1 粉土工程性质

粉土的物质组分中，由于含有较多的粉粒，颗粒级配分布不良，压实时土粒之间的空隙不能完全被填充，易形成“搭积木”式的构架，且颗粒之间形成薄层气体屏蔽，难以压实。通过计算，土体在最大干密度时的空气体积率为8%，大于一般土体4%左右的最小空气体积率，说明即使该类填土路基压实系数达到100%，仍有相当大的空隙，行车荷载作用下，路基容易产生大量的残余变形，且压实后路基由于毛细管发育，在路堤浸水的情况下，极易吸水聚冰、冻胀翻浆，这与路基现场调查的现象一致。因此，粉土填筑的路基易发生路基下沉或不均匀下沉及桥涵两侧路基沉陷。此外，粉土的物质组成主要为原生矿物砂、粉粒，并含有较少的次生黏土矿物，具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等特点。粉土中的矿物含量以石英占多数，蒙脱石、云母等黏粒含量较低。而石英颗粒不像黏土矿物中的Ca2+等阳离子一样可与极性水分子紧密结合而表现出较强的水胶结作用力，致使粉土颗粒间联结强度较低。因此，粉土填筑的路基易发生水土流失，如边坡冲刷冲沟、路基潜蚀破坏等。

粉土具有一定湿化变形的特性，是引起路基产生不均匀沉降和裂缝的关键因素，也是造成边坡塌滑的重要因素。京九铁路粉土路基，由于修筑路基时就地取土，取土坑普遍距离路堤太近，有的取土坑在雨季积水后直接出现浸泡路基，在积水长时间浸泡中，路基加剧下沉。

从上述土性条件分析可知，粉土由于级配不良难于压实、低黏结性和遇水强度显著降低是粉土路基产生病害的主要根源。

2.2 水的作用

由土的工程性质和上述试验结果可知，水是影响粉土力学性质的关键因素。在京九铁路黄泛粉土区，水的来源主要来自大气降水。聊城工务段管辖范围内的京九线铁路，地处温暖带半湿润季风性气候区域，横贯黄河、金堤河、徒骇河、京杭运河、马颊河和卫运河等六大河流流域，所经之地地表水和地下水源丰富，全年降雨量主要集中在6至9月份，约占全年降雨量的百分之八十多，临清至梁山区段汛期年平均降雨量在450 mm；梁山至闫店楼区段约为500 mm，其降雨特点是突发性强，历时短，雨量大，时空分布不均，破坏性强。而且该区域内的线路，虽然横贯黄河、金堤河、等六大河流，但铁路沿线并没有与之平行的河流，加上京九线在路基修筑时在铁路两侧就地取土筑路，路基两侧因取土形成的取土坑既深又长，雨季成了铁路周边天然的蓄水池，取土坑内积水因无河流与之相连无法排泄，只能靠自然挥发和渗入地下来消耗积水，两侧积水使路基长期处于浸泡之下。可以看出，水的作用是导致路基发生病害的直接条件。

2.3 列车荷载

高速、重载化的行车条件，增加了路基承受动荷载与振动频率的水平，提高了线路列车的振动以及路基的振动加速度，在长期作用下加速了路基的累积变形和疲劳破坏。实践证明，列车动荷载是既有铁路路基产生病害的重要外因[5]。聊城工务段管内京九线线路自1996年开通运营以来历经6次铁路大提速，至今客货运量比刚开通时翻了2倍还多。国内同行在既有线提速路基上的应力实测表明，在线路平顺性条件较好的情况下，随着列车轴重的增加和时速的加大，路基面上的动应力有所增大。当线路条件较差时，动应力增加值非常明显。因此，随着列车速度的不断提高，路基暴露出的问题也越来越严重。提速后行车密度加大，维修作业时间相对减少，加之提速列车要求更高的线路养护标准。速度提高后，列车对路基产生的动应力增加，特别是在原有路基病害处，动应力加大致使病害加重，病害加重又致使轨道状态恶化，造成线路的恶性循环，影响行车安全。因此，随着列车速度的不断提高，对于频繁发生的路基问题应引起更多的重视。

3 京九线粉土路基病害整治措施研究

基于前人对于粉土路基病害防治措施研究[6-8]，该路段路基病害采用综合整治的方案。主要整治措施包括：通过钻孔注浆加固路基本体；利用山皮土帮宽路堤和路肩，恢复路堤标准横断面；采用土钉及骨架内干砌片石护坡，拱型骨架植物护坡；设置疏干排水孔，加强路堤内雨水的排导；用P.P.T高分子聚合筑路剂封闭基床表层，提高基床排水和抗渗能力。

3.1 加固路堤本体

拆除护坡浆砌片石后进行钎探，结合钎探，对空洞、塌陷坑等首先用山皮土或三七灰土回填密实，然后钻孔注浆，充填深部洞穴，加固疏松土体，提高路基基床和本体密实度及承载力，提高路基本体抗冲刷能力。注浆孔位置根据现场病害发育情况和钎探结果综合确定。

3.2 恢复路堤标准横断面

用山皮土帮宽路堤边坡和路肩，使路肩宽度符合要求。沿边坡开挖成每层高度不小于60 cm的台阶，分层夯填山皮土帮宽，每层夯实后厚度不超过20 cm，由下往上逐级施工。顶部帮宽不小于0.5 m，底部帮宽不小于顶部。

3.3 坡面加固防护

根据病害发育程度，可采用不同边坡防护措施进行加固。

土钉加固边坡与骨架内干砌片石护坡。土钉等边三角形布置，与坡面垂直，土钉孔采用干法成孔，然后用重力或低压注浆方法灌注。以钢筋混凝土骨架相连的土钉，上下用浆砌片石镶边，骨架内砌筑干砌片石。沿线路方向，每隔15.0 m左右设一道沉降缝，用沥青麻筋充填。坡面每100 m于适当位置设浆砌片石阶梯形踏步。坡脚挡墙基底夯填20 cm厚碎石垫层，沿线路方向每隔15 m设一道沉降缝，缝内沿墙内、外、顶三边填塞沥青麻筋。

坡脚设重力式挡墙，其余地段坡脚设护脚墙。重力式挡墙墙身地面以上部分每隔2 m上下左右交错设置泄水孔，反滤层设于墙顶0.6 m以下及泄水孔以上范围。挡土墙基坑底部开挖应加宽0.5 m作为工作面，按1∶1比例放坡，无法放坡时采用挡土板支护。

拱型骨架植物护坡。采用浆砌片石拱型截水骨架，骨架内喷播植草和种紫穗槐。拱型骨架护坡起、终点侧边镶边0.5 m。沿线路方向，每隔14.22 m设一道伸缩缝，用沥青麻筋充填。泄水孔处设置粗砂反滤层。当先施工拱型骨架后施工疏干排水孔时应按照疏干孔位置和角度预留出疏干孔孔位。

3.4 完善路堤排水系统

在路堤基床内设置疏干排水孔，及时排出路堤内雨水，避免由于水的浸泡使路堤土体强度降低，以及水从边坡自然排出时对土体的冲刷，从而提高路堤土体强度和稳定性，避免路基病害的发生。

3.5 封闭基床表层

为改善基床粉土的黏聚性、渗透性，防止基床粉土遇水软化、崩解，降低强度从而形成道碴陷槽或道碴囊等病害的同时，还应保证改良后的基床土具有一定的韧性，能随路基的不均匀下沉而相应发生一定的形变，但并不发生断裂或裂缝等破坏其原有性能的情况。建议采用粉土土质改良新材料P.P.T (Permanent Polymer for Traffic)高分子聚合筑路剂封闭基床表层，该材料是一种新型的高分子土工聚合材料，液状、可溶于水，反应后形成不溶于水的凝胶体，它依靠材料中分子间的聚合反应，形成立体网状结构，将土颗粒紧紧连结成一个整体，改善天然土的基本性能，使土体具半刚半柔特性，强度及抗渗性能显著提高。具体做法为封锁线路后拆除轨枕，扒除道床至设计高程，铺底砂5～8 cm，均匀泼洒P.P.T三遍，待形成均匀不透水层时，铺面砂8～10 cm，再恢复线路。

4 结论

通过试验测试得到粉土的工程特性，对粉土路基病害的产生条件进行分析，提出了粉土路基病害的整治措施。

(1)粉土的工程性质主要表现为低黏结性、弱可塑性和高分散性等特点；另一方面由于粉土颗粒不均、级配不良，难于压实，提高击实功对于改善压实效果并不明显。

(2)粉土在浸水增湿时，可产生明显的湿陷变形，其中干密度影响显著。压实系数在0.80以上的粉土的渗透系数k在10-6～10-4cm/s之间，且提高压实系数对改善粉土的渗透系数效果很明显。

(3)粉土本身独特的工程性质加上与水的作用，是导致粉土路基病害产生最重要和直接的条件，运营后列车荷载作用则是后期产生工程病害的重要外因

(4)通过实践经验表明，针对粉土路基病害产生的主要因素，采用多种方法结合的综合整治措施对于粉土路基的加固和病害整治具有很好的效果。

[1] 任成进，李志刚，刘运桥.京九线粉土路基病害机理研究[J].铁道标准设计,2008(9):7-11

[2] TB10001—2005 铁路路基设计规范[S]

[3] 彭丽云，刘建坤，肖军华,等.京九线路基压实粉土力学特性的试验[J].北京交通大学学报，2007(4):56-60

[4] 刘文白，徐海侠.砂土宏观力学特性与细观结构的相关性试验研究[J].武汉理工大学学报,2011(4):683-687

[5] 王秀丽，王军龙.浅谈京九线粉土路基病害整治方法[J].工程技术， 2011(9):15-18