高分子材料在粉質土路基水害治理工程中的應用

李世杰

(濟南鴻運鐵路巖土工程有限責任公司,濟南 250022)

京九線濟南局管段(K372+777～K650+333),營業里程 277.556km。由于過去受“重橋輕路”設計理念的影響,京九線路基設計標準低,填料為黃河沖積形成的粉質土,土質具有粉粒含量高、黏聚力小、強度低、振動析水等特點,屬 C組填料。京九線自開通以來,路基陷槽、砟囊、暗洞發育,路基下沉、路肩寬度不足、邊坡溜坍等病害頻發,京九線在 1997年～2006年經歷的 9個汛期中(4次較大),路基共發生水害 3萬多處,正線封鎖時間達到 389h44min。京九線自 1997年開通以來,經歷 6次提速,速度已從 60km/h提高至160km/h,列車的高速行駛對路基強度及整體穩定性的要求更高。為確保行車安全,必須采用基床封閉與邊坡加固相結合的方法對京九線路基水害進行綜合整治,對高分子材料在京九線基床改良中的成功經驗進行簡要介紹。

1 粉質土特性

1.1 路基填料物理力學指標

天然含水量 14.87%～29.60%

比重 2.62～2.78

孔隙比 0.761～0.962

液限 27.6%～31.1%

塑限 20.7%～21.4%

無側限抗壓強度 0.21～0.30MPa,飽水后強度降低40%

滲透系數 1.04×10-4～1.1×10-4cm/s

1.2 顆粒成分分析(圖1)

圖1 粉質土顆粒分析曲線

從圖1可以看出,京九線粉質土的粒徑分布曲線在整體上呈陡狀。其中粒徑0.075～0.005mm的粉粒含量平均超過 75%,d＜0.005mn的黏粒含量和 d＞0.075mn的粗砂粒含量平均分別不到 10%和 15%,不均勻系數Cu=1.8～2.8,全部顆粒粒徑小于0.25mm。粉質土顆粒級配不良,不易碾壓成型,壓實系數難以達到要求。

1.3 擊實性質(圖2)

圖2 粉質土擊實曲線

由圖2可知,粉質土的最優含水量遠小于塑限,且擊實曲線偏離飽和曲線較遠,說明即使粉質土達到最大干密度,土體孔隙比仍然較大。且圖2中擊實曲線呈不對稱形狀,在最優含水量左側,曲線呈平緩狀上升,過最優含水量后,密度隨含水量的增加迅速下降,說明粉質土對水具有較強的敏感性,雨季極易導致路基水害的形成。

綜上所述,京九線粉質土路基填料具有弱可塑性、低黏結性、高分散性等特點,顆粒級配不良,難以碾壓密實。路基填料對水具有較強敏感性,汛期來臨時,隨著路基土含水量的增加,基床及邊坡填料會迅速軟化,造成強度、黏聚力顯著降低,在列車荷載的反復作用下,逐漸形成基床翻漿、路基下沉、沖溝、邊坡溜坍等病害。所以京九線路基應遵循基床封閉與邊坡加固相結合的原則,對路基水害進行綜合整治。

2 高分子材料應用

在病害整治過程中,采用邊坡防護與路基基床整治相結合的方法,其中邊坡采用片石或骨架護坡等傳統方法,基床整治多以灰土封閉為主,在高填方地段、病害嚴重地段(如路、橋結合部),普遍采用了高分子材料封閉基床,高分子材料改良后的基床具有強度高、抗滲性能強等特點,且施工工藝簡單、封鎖點時間短,具有較高推廣價值。

2.1 P.P.T高分子聚合筑路劑

P.P.T高分子聚合筑路劑是一種新型的高分子土工聚合材料,液狀、可溶于水,反應后形成不溶于水的凝膠體,它依靠材料中分子間的聚合反應,形成立體網狀結構,將土顆粒緊緊連結成一個整體,改善天然土的基本性能,使土體具半剛半柔特性,強度及抗滲性能顯著提高。

2.1.1 材料性能(表1、表2)

表1 P.P.T土質改良試驗對比

表2 P.P.T聚合土與 3∶7灰土性能指標對比

綜上分析,利用 P.P.T高分子材料改良后的粉質土,15h后無側限抗壓強度提高 8倍,滲透系數降低兩個數量級,粉質土性能指標提升明顯。另外與傳統的灰土比較,P.P.T聚合土強度高,在飽水條件下強度降低幅度小,確保了在雨水浸泡條件下路基基床更加穩定。 -20～20℃凍融 5個循環后,P.P.T聚合土強度僅降低 23%,而一個循環后灰土強度即衰減為 0,說明P.P.T聚合土具有較強耐久性。P.P.T聚合土紫外線照射 3d飽水 1d后,強度值為 28d值的 99%,說明 P.P.T聚合土抗老化能力強。通過試驗分析,P.P.T聚合土的回彈模量為 448.3MPa,灰土為 857MPa,灰土回彈模量是 P.P.T聚合土的 1.9倍,說明灰土具有更強的剛度及脆性,在列車反復荷載作用下,改良基床極易開裂,喪失封閉作用。而 P.P.T聚合土具有較好的韌性,在路基產生不均勻沉降時,它伴隨產生一定的變形,而不發生脆性斷裂,從而大大延長了改良基床的使用壽命。

2.1.2 材料配制工藝

P.P.T材料由原料 S、地材 T、交聯劑 B、引發劑C、D、E以及水按一定比例配制而成。原料 S:液狀,量產產品,國內外化工市場均有銷售,產品性能穩定;地材 T:土木工程領域普遍使用,使用時選用含雜質少的部分。交聯劑 B:粉狀,原料大多依靠進口,價格偏高,配制前先與水配成溶液。引發劑:C、D為粉狀化工產品,化工市場普遍有售,E為液狀化工產品,使用時分別與水配成溶液。

配制流程:第一步,反應池注水,按比例加入原料S、地材 T,攪拌均勻,充分反應并冷卻后形成主料裝桶。同時配制交聯劑 B水溶液,引發劑 C、D混合水溶液,以及引發劑 E水溶液,分別裝桶。第二步,施工前2～5h將交聯劑 B水溶液按比例添加至主料桶,然后將所有料桶運至施工現場。第三步,線路封鎖、拆除道床、基床攤鋪粉土后,分別將引發劑 C、D混合水溶液,E水溶液按比例加入主料桶,攪拌均勻后潑灑至基床與粉土充分混合。

2.1.3 施工工藝(圖3)

圖3 P.P.T封頂施工工藝流程

2.2 UFA高分子聚合筑路劑

UFA高分子聚合筑路劑是在京九線水害治理項目中應用的高分子材料之一,該材料是一種新型優質的土壤固化材料,具有強度高、韌性好、膠凝時間可調、抗滲性能強等特點。

2.2.1 材料性能(表3)

表3 UFA高分子聚合筑路劑性能指標匯總

2.2.2 材料配制工藝

UFA材料由兩種化工原料 S和 N、兩種引發劑 D和 E以及水按一定比例配制而成。原料 S、N:液狀,量產產品,國內外化工市場均有銷售,產品性能穩定;引發劑:C、D為粉狀化工產品,化工市場普遍有售,使用時分別與水配成溶液。

配制流程:第一步,原料 S、N按使用計量分別裝桶,同時配制引發劑 D、E水溶液,分別裝桶,然后將所有料桶運至施工現場;第二步,線路封鎖、拆除道床、基床攤鋪中粗砂后,分別將原料 S,引發劑 D、E水溶液按比例加入原料 N料桶,攪拌均勻后潑灑至基床中粗砂表層。

2.2.3 施工工藝(圖4)

圖4 UFA封頂施工工藝流程

3 施工注意事項

P.P.T、UFA兩種高分子聚合筑路劑具有凝膠時間可調的優點,非常適合既有線基床改良施工,材料引發后可在較短時間內凝膠提升強度(既有線合理凝膠時間 10min左右),凝膠 3～5min后即可上砟恢復線路并立刻通車。試驗發現環境因素對材料的反應時間與凝膠質量影響較大,施工中注意事項如下。

3.1 溫度

以上兩種高分子材料在施工過程中,一般控制凝膠時間在 10min左右,但其凝膠時間受溫度影響比較大,引發劑在相同數量下,凝膠時間夏天比冬天快,中午比早晚快,在溫度與凝膠時間曲線中,隨著環境溫度的升高,凝膠時間逐漸向驟減趨勢發展,曲線呈陡降形狀。極端環境下,施工環境溫度高于 35℃,低于 5℃時,建議不施工。

3.2 光照

室外小試過程中,材料在試杯內配制完成后,往往都是近光面首先出現渾濁并凝膠反應。根據這一現象,進行了大量的對比試驗,在環境溫度相同時,光線直接照射情況下施工時材料凝膠時間要比無光線照射情況下減少 30%左右,施工時應著重考慮有無日曬影響。

3.3 砂、土含水量

施工時,需改良的粉質土以及鋪墊的砂子,一般均外運而來,所以受土源以及降雨影響,每天施工用的土、砂含水量往往差別較大。每次施工前都要對擬用砂、土測定即時的天然含水量,然后再計算引發劑的添加量,避免砂、土含水量過高、過低影響引發劑在高分子材料土中的實際濃度,直接影響材料凝膠時間。經試驗,粉質土天然含水量低于最優含水量 30%時,應灑水拌和處理;雨天粉質土天然含水量較高時,可按照濕土重的 1%～3%比例摻加普通硅酸鹽水泥,以加快凝膠速度。

以上為 P.P.T、UFA兩種高分子材料在實際應用中總結出的施工注意事項,實際應用中往往多種影響因素同時出現,材料對于以上因素也表現出極強的敏感性,如夏季施工,引發劑的添加量僅有 10%的改變,材料的凝膠速度則會出現成倍的改變,所以施工中應養成對照曲線,勤做小試的習慣。低溫多雨季節施工可在土、砂中適量摻入水泥等無機材料,以加快高分子材料的凝膠速度。

4 應用效果

目前,P.P.T、UFA兩種高分子材料已在京九線成功應用營業里程 16km,施工路段的路基病害經處理后,經過多個雨季的運營,邊坡穩定、線路幾何尺寸保持良好,雨季沒有新的病害發生、發展。其中京九線黃河大橋南北兩側橋頭路基長 720m,路堤高 13～14m,治理前路基平均沉降量 200mm,陷槽平均深度 210 mm,砟囊、暗洞發育,大部分地段路肩已完全坍塌,局部路肩有縱向裂縫揭示,裂縫平均寬度10mm,長度65 m。設計采用 P.P.T高分子聚合筑路劑封頂施工,基床改良厚度 0.1m,全寬鋪設,工期 2個月。2009年汛期,治理后的路基基床排水順暢,路基穩定,達到了治理水害,加固路基的目的。

5 結論及建議

大量的試驗與施工應用證明,P.P.T、UFA兩種高分子材料強度高、抗滲性能強,封閉基床效果良好。材料凝膠時間短、強度提高快,在既有線基床改良工程中的適用性強。兩種高分子材料抗老化、耐久性能強,大大延長了材料的使用壽命。通過效果檢查,高分子材料的研制與應用在京九線取得了成功,達到了治理粉質土路基水害的目的。為使材料與工藝更加完善,對今后發展建議如下:

5.1 推廣應用

P.P.T、UFA兩種高分子材料的研制與成功應用,豐富了既有線路基水害的治理手段。黃河沿岸,地質情況多為粉質土分布,應用高分子材料改良粉質土的成功經驗,在下一步的工程實踐中,可以不斷推廣至公路、水利以及新建線領域,擴展應用至治理翻漿冒泥、止水、提高路基強度、膨脹土改良等工程項目,為巖土工程行業開發新材料、應用新技術提供借鑒。

5.2 降低造價

從長期維護成本分析,高分子材料的使用成本不會高于目前既有線封頂普遍采用的灰土材料,但是高分子材料因其原材料價格高,目前存在一次性投入費用較高的缺點,為快速推廣形成一定障礙。下一步應繼續加大調研工作,反復試驗,改良主材結構及材料配比,在滿足使用條件下材料成本不斷降低,使新材料、新工藝在工程實踐中不斷推廣應用,更好地服務于鐵路建設。

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