既有鐵路線粉土路基分析及處理試驗

姚殿梅，周 彬

（1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西西安 710064）

鐵路路基是軌道的基礎，也是整個行車系統的重要組成部分，其狀態良好與否直接影響到列車行進中的平穩、安全。中國鐵路既有線由于其建成時的標準偏低，在不良土質條件、氣候水文環境及列車動荷載作用下，各種路基病害頻繁發生。隨著列車不斷提速、行車密度增加、牽引質量及車輛軸重加大，加劇了線路和列車的振動，加快了路基的累積變形和疲勞破壞，會導致鐵路線路的各種病害，尤其是廣泛分布在黃淮海平原地區的粉土路基。

粉土作為一種特殊的路基填料，具有弱可塑性、低粘結性和高分散性等特點，工程性質極不穩定，被現行鐵路路基規范列為C類填料，不適合填筑路基基床［1］。但由于早期缺乏對粉土特殊工程性質的深入認識，中國既有的幾條重要鐵路干線均采用了該類土填筑路基和基床。肖軍華［2］指出：當線路平順性較差、路基壓實系數不高時，粉土路基的長期沉降隨列車速度提高及列車荷載作用次數增加而線性增長。因此，粉土路基在列車動荷載和基床土質濕度增加的共同作用下會形成病害，給高速鐵路路基的穩定性帶來很大的隱患。

為增強粉質土路基的穩定性，往往用土壤固化劑對粉土進行穩定，土壤固化穩定就是通過采取一定的物理化學方法和相應的技術措施改善土的物理力學性質，綜合提高土的強度、剛度和穩定性［3］。多年來，很多專家致力于對粉土改良劑的研究，以期改善鐵路粉土路基的強度和穩定性：張西海［4］等人對河南商丘段粉土路基采用水泥和水泥粉煤灰進行改良試驗，取得了較好的效果；葛蘇閩［5］等人采用SEU－2型固化劑對黃河沖擊地區粉土路基進行改良試驗，論證了采用該固化劑的可行性；陳燕［6］等人進行了水泥改良粉土路基室內試驗研究，得知：水泥改良粉土后，粉土的物理力學性質得到了很大改善。曹玉［7］等人對京滬高速鐵路寧滬段粉土路基采用水泥和生石灰等進行改良，效果較好。作者擬通過對粉土的特點和粉土路基水損害分析，采用SCP除濕劑［8］為改良劑，與水泥、生石灰進行室內對比試驗，研究改良后粉土的物理性質指標、顆粒組成、強度及水穩定性的變化，以期為改良不斷沉降的高速鐵路粉土路基提供進一步的參考。

1 粉土的特點

1.1 粉土的顆粒組成

《鐵路路基設計規范》中，將粒徑大于0.075mm的顆粒摻量不超過全部質量50%、且塑性指數小于或等于10的土定名為粉土。粉土的顆粒由細砂粒、粉粒和粘粒組成，且粘粒摻量較低，大多小于10%，中國主要粉土分布區顆粒分析統計結果見表1［9］。

表1 粉土顆粒分析成果Table 1 Analysis results of silty sand particles

1.2 粉土的結構特征

粉土含有較多的粉粒，干燥時雖具有粘結力，但易被粉碎，揚塵大，且浸水時很快被濕透，易成流體狀態。粉性土的毛細水上升高度大，顆粒小，容易使路基產生水分累積，造成嚴重的冬季凍脹，春融翻漿，線路病害情況嚴重。此外，粉砂土因內摩擦角大、內聚力較低、滲透系數高及抗沖刷能力差，會導致邊坡沖蝕、坍塌和基床陷穴等病害。

1.3 粉土路基的水損害分析

以粉土為填料的路堤在水分和壓力作用下會產生液化。當降雨量達到一定程度時，在列車荷載作用下，由于路基不能及時排水，而形成孔隙水壓力。當孔隙水壓力達到與圍壓相等時，有效應力變為零，粉土顆粒處于懸浮狀態，出現液化，顆粒沿著路堤薄弱面流動，導致路基土流失，在路基下形成空洞［10］。

水對粉土路基的損害既有表面的破壞，又有內部結構的變化。粉土粘性弱，在雨水作用下，路堤逐漸出現邊坡沖孔或拉溝、路肩溜坍現象；路基面出現塌坑、下陷，在路堤邊坡形成腰漏，路堤中下部出現空洞。由于粉土易受到大氣降水的沖刷以及道碴囊中積水的滲透破壞，導致路堤中粉砂土流失，引起線路路基下沉，道碴囊病害進一步加劇和擴大，出現較大規模的道碴囊且聚集更多的地表水，最終引發路堤邊坡溜坍、基床及路肩塌陷，嚴重危及行車安全。

2 粉土路基處理試驗

2.1 粉土改良劑的選擇

土質改良時，常用的改良劑有石灰（消石灰和生石灰）、水泥及粉煤灰等。水泥加入土中，水泥中各成分與土中水發生了強烈的水解和水化反應，分解出Ca（OH）2，且生成各種水化物。各水化物繼續硬化，并在土中形成水泥石骨架。但有研究［11］表明：Ca（OH）2會與粉粒和粘粒作用，使堿性介質不能順利形成，會妨礙水泥水化物的正常硬化，繼而影響進一步的減水能力，無法快速有效地降低過濕土的含水率；生石灰減水能力較強，但對施工作業時間有一定的要求；粉煤灰的吸水能力弱，強度提高不明顯，且工藝復雜，因此，目前較多地使用水泥作為改良劑。

SCP除濕劑是一種化學除濕劑，由生石灰、鋁粉以及其他輔助材料組成。該除濕劑的除濕原理為化學反應過程：CaO＋H2O＝Ca（OH）2，2Al＋6H2O＝2Al（OH）3＋3H2。其原理及試驗已證實該除濕劑在黃土地區有較好的除濕固化效果［8］，本研究將SCP除濕劑作為改良劑，應用于粉土路基中，與水泥、生石灰進行對比試驗，摻量分別為1%～4%，研究不同改良劑的配比及對粉土的改良性能。

2.2 改良劑室內試驗

試驗所選土樣的天然含水率為23.8%，夯實無側限抗壓強度為128kPa，飽和抗壓強度為35kPa，對土樣進行擊實試驗，試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出，該土樣的最大干密度為1.77kg／cm3，最佳含水率為14.8%。

圖1 粉土土樣干密度隨含水率變化曲線Fig.1 Silty sand dry density versus water content of the silty sand

2.2.1 改良土物理性質

為觀測各改良劑對原狀土樣的影響，參照現有研究［6－7］，按照3%的摻量對原狀土樣進行改良，14d后測試改良后土樣的物理性質，其結果見表2。從表2中可以看出，土中摻入改良劑后，液限、塑限及塑性指數均增大。這表明土的顆粒變細，比表面積變大，土顆粒之間的結合力提高，可塑性增強。

2.2.2 改良土力學性質

在原土樣中摻入1%～4%的改良劑，14d后測試土樣無側限抗壓強度和飽和無側限抗壓強度，試驗結果分別如圖2，3所示。從圖2中可以看出，無論使用哪種改良劑，粉土的強度均增大。但隨摻量的不同，強度曲線變化有所不同。水泥改良粉土時，無側限抗壓強度隨摻量的增大而增加。從1%～3%摻量時，變化最明顯。之后繼續增大摻量，無側限抗壓強度增長趨緩。當摻量為4%時，可達到550kPa。用SCP除濕劑改良時，粉土無側限抗壓強度隨摻量的增大而增加，其增加趨勢與水泥類似。當摻量為4%時，無側限抗壓強度可達到590kPa。而生石灰改良粉土時，無側限抗壓強度曲線呈拋物線變化。且在摻入量3%時，無側限抗壓強度達到最大值，為504kPa，是未改良前無側限抗壓強度的3倍以上。當改良劑摻量均為3%時，SCP除濕劑的改良效果最佳。

表2 改良后土樣的物理性質Table 2 The physical properties of improved silty sand

圖2 粉土無側限抗壓強度與摻量關系曲線Fig.2 Unconfined compressive strength versus the content of additives

圖3 粉土飽和無側限抗壓強度與摻量關系曲線Fig.3 Compressive strength versus the content of additives

從圖3，4中可以看出，改良后粉土飽和無側限抗壓強度增大，水穩定性明顯改善。粉土中摻入水泥時，飽和無側限抗壓強度隨摻量的增大而增強。當粉土中加入3%水泥時，其飽和無側限抗壓強度是未摻入水泥土的3.8倍。飽和無側限抗壓強度與不浸水強度相比，未摻入水泥時，土飽和無側限抗壓強度降低了73%。摻入3%水泥、生石灰及除濕劑時，飽和無側限抗壓強度分別降低了49%，49%及45%。由此可見，粉土中加入一定量的改良劑，其水穩定性也有明顯的改善，且SCP除濕劑改良土浸水后強度降低率最小。

圖4 改良粉土浸水后強度下降率Fig.4 Strength decline ratio after the immersion

由于所使用的除濕劑中含有生石灰等，遇水發生的化學反應可達到降低含水率的作用；同時，鋁粉在堿性環境中與水作用生成的兩性氫氧化物Al（OH）3克服了單獨采用生石灰時后期氫氧化鈣與粉粒作用對水化造成的不利影響，有效地增強了改良劑的減水能力。此外，其處理粉土路基后的產物可改善粉土的顆粒組成等。因此，除濕劑在處理粉土路基時體現出特有的優勢。

3 結論

1）粉土的顆粒組成和摻量決定了粉土的物理力學性質：內摩擦角大，內聚力較低，滲透系數高，抗沖刷能力差。因此，在長期的荷載作用下，會導致路基各種病害的產生。

2）粉土強度低，夯后無側限抗壓強度平均值為128kPa；水穩定性差，夯后飽和無側限抗壓強度平均值為35kPa，飽和無側限抗壓強度減少了73%。

3）水泥作為改良劑，粉土中摻入1%～4%水泥改良后，粉土的塑液限指標、力學強度及水穩定性均大大提高，無側限抗壓強度及飽和無側限抗壓強度隨水泥摻量的增大而增大。因此，經水泥改良后粉土的經濟性和效果得到了進一步的肯定，但考慮到經濟性要求，應根據現場實際，合理確定，以滿足鐵路線路提速的強度標準要求。

4）粉土中摻入SCP除濕劑作為改良劑時，粉土的物理力學性能也有較大的改善。隨著摻量的增大，粉土強度逐漸增大。且摻量大于2%后，采用SCP除濕劑改良粉土的強度優于用水泥改良劑的。基于合理的摻量和良好的項目，引進該除濕劑作為粉土改良劑的思路也是可行的。

5）當采用SCP除濕劑改良粉土路基時，如何進一步完善施工工藝、降低成本，還需要進一步研究。

（References）：

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