易發生翻漿冒泥的細粒土物理狀態指標分析與評判

冷伍明， 粟 雨， 滕繼東， 聶如松， 趙春彥

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075）

翻漿冒泥是路基基床土受地面水或地下水的浸濕，在列車動荷載作用下軟化或液化形成泥漿，沿道床空隙向表面涌出的一種路基病害，是既有鐵路最常見的一種路基病害之一，見圖1。翻漿冒泥可以造成道砟臟污、板結而使道床降低或喪失彈性，軌道幾何尺寸變化，甚至在路基基床內形成孔洞，直接危及行車安全［1］。翻漿冒泥是影響鐵路安全運營的頑疾，嚴重影響線路的正常服役。我國在建國初期修建的鐵路，路基標準較低，經過多年運營，在相當多的路段出現了翻漿冒泥等病害現象［2］。據統計，滬寧線總長303 km，在1988—1993年間，翻漿冒泥線路長度各年度分別為3.34、4.02、5.38、4.91、5.14、3.86 km。1993 年 年 末 至1994年年初的統計則表明，滬寧線病害以基床翻漿冒泥為主，占線路全長的5%，變化范圍為3%～17%［3］。朔黃鐵路2008年統計資料顯示，翻漿冒泥達882處，嚴重影響了重載鐵路擴能改造的可行性和安全性［4］。膨脹土路基是鐵路工程中一種常見的特殊土路基，常常在水和列車荷載的共同作用下發生基床翻漿冒泥及滑坡等病害［5］。杜攀峰等建立學習向量量化神經網絡模型，對路基翻漿冒泥病害進行識別，且識別率達90%以上［6］。近年來，我國鐵路運輸事業快速發展，盡管在高速鐵路和重載列車下翻漿冒泥出現頻率越來越低，但翻漿冒泥始終是既有鐵路路基的頑疾，其維護、整治難度較大，并且費用較高［7］。

圖1 鐵路有砟軌道路基翻漿冒泥案例

翻漿冒泥病害的形成原因和產生機理比較復雜，是許多因素綜合作用的結果。目前國內外學者公認其發生的必要條件包括：（1）路基土土質不良；（2）存在自由水；（3）存在循環荷載。土性條件是翻漿冒泥的前提，也是發生翻漿冒泥的內因，水影響土體的含水量，是翻漿冒泥發生的必不可少的因素。荷載作為外因，是發生翻漿冒泥的一個必要條件。

國內外研究者對發生翻漿冒泥土的物理狀態進行了一定程度的分析。文獻 ［8］對8種發生翻漿冒泥的土質進行調研，發現大多數發生翻漿冒泥的土為中低塑性的粉土，部分含有黏質和砂質。這類土具有通暢的水力傳導通道，便于水分補給和聚集，同時具有較好的持水（毛細）特性。另外，Aw等［8］建議用塑性指數、液限、顆粒組成等指標作為衡量土發生翻漿冒泥的判據。楊新安等［9］對滬寧線下行K140＋450～K141＋450路段發生翻漿冒泥的路基土進行液限、塑性指數以及礦物成分分析，判定該路段的土為易發生翻漿冒泥的土。葛如生等［10］通過對陽安線基床病害的分析，得出當顆粒組成小于0.05 mm的含量大于80%，塑性指數大于12，液限大于32%，飽和度大于0.75的路基土，極易發生翻漿冒泥?；魟P成等［11］根據路基土的物理力學性能和水力性能采用土工合成材料治理道路翻漿，使路基的破損程度降到最低。大量文獻資料表明，前人對翻漿冒泥的研究局限于調研土體的基本物理力學參數和定性分析基本物理指標（液塑性指數、顆粒組成等）與翻漿冒泥的關系，很少有研究多個物理指標間的相關性和定量分析物理指標與翻漿冒泥之間的關系。本文通過文獻調研，收集了30個工程實例資料和61個已發生翻漿冒泥土的實測數據樣本，用塑性指數IP、液限WL、飽和度Sr、細顆粒含量P（即粉粒和黏粒在土中所占的百分含量）、滲透系數K等5個表征指標較全面反映發生翻漿冒泥土的土性特征。對發生翻漿冒泥土表征指標進行了相關性分析，篩選出3個無相關性指標（IP、Sr、P）作為易翻漿冒泥細粒土的評價指標，并基于層次分析法，提出易翻漿冒泥的細粒土綜合評判指標F，具有一定工程應用價值。

1 翻漿冒泥土性特性分析

1.1 翻漿冒泥土的物理狀態分析和表征指標

本文統計30組翻漿冒泥的土性特征，見表1，實測翻漿冒泥數據點61處。結果發現：大多數發生翻漿冒泥的土為高、中液限黏土，部分為粉質黏土和粉土。這類土可塑性強，礦物成分以伊利石和蒙脫石為主，細顆粒含量較高。翻漿冒泥土的物理特征，一般采用IP、WL表征，部分包括顆粒組成，尤其是粉粒和黏粒含量，以及土的滲透系數K，飽和度Sr，極少數采用不均勻系數。由表1可知，易發生翻漿冒泥土一般為黏土和粉土，透水性差，親水性強，細顆粒含量高，礦物成分以伊利石和蒙脫石為主，脫水易產生龜裂，遇水則易軟化，在動力作用下易產生翻漿冒泥。這類易發生翻漿冒泥土具有的一般物理狀態特征為：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

表1 發生翻漿冒泥土性特征

1.2 表征指標相關性分析

1.2.1 可塑性指標

將發生翻漿冒泥土的IP和WL畫在塑性圖上，見圖2。該塑性圖為陳仲頤等［35］結合我國黏性土的特點編制而成。圖2中線A線、B線、C線與IP＝4、WL為15%～26%的一段水平線段將整張圖分成6個區域。其中，A線、B線、C線方程分別為IP＝0.66（WL－20）、WL＝42%、WL＝26%，CH、CI、CL、OH（M H）、OI（MI）、ML分別代表高液限黏性土、中液限黏性土、低液限黏性土、高液限粉質土、中液限粉質土、低液限粉質土。發生翻漿冒泥土基本落在平行線A、D間區域，D線方程為IP＝0.66（WL＋3.39）。由此可見，平行線A線、D線間區域為細粒土易發生翻漿冒泥區域。同時，發生翻漿冒泥土大多數在C線右側，少部分位于C線左側，表明發生翻漿冒泥土大多數為高、中液限黏土，少數為低液限黏土。

圖2 I P與W L的關系

IP與WL的相關關系為

式中：WP為塑限。

1.2.2 土顆粒組成

根據土的顆粒組成，細粒土易發生翻漿冒泥的三因分類圖見圖3。由圖3可知，透水性強的砂土不容易甚至不會發生翻漿冒泥，透水性差的黏土和粉土由于顆粒細小、含水量高、遇水膨脹、抗剪強度低等特性，很容易發生翻漿冒泥。根據土的顆粒組成，將三因分類圖劃分為4個區域，分別為重黏土、黏土、粉質黏土、粉質砂黏土。本文將表1中數據匯總到三因分類圖中，得到網格線加密區域，即發生翻漿冒泥土集中區域。由圖3可得，易發生翻漿冒泥的細粒土主要為黏土、粉質黏土，土中黏粒（不大于0.005 mm）含量在30%以上，粉粒（0.05～0.005 mm）含量在40%以上。

1.2.3 K與P間的關系

發生翻漿冒泥土的K與P關系見圖4，通過數據擬合，得出發生翻漿冒泥土的K與P間存在負指數關系為

圖3 土顆粒組成的三因分類圖

圖4 K與P的關系圖

在粗細顆?；旌系耐林?，細顆粒的增加導致粗顆粒的骨架作用降低，也導致顆粒比表面積增加，靠近土粒的水被靜電引力吸引越強，在顆粒表面的水分越多，同時土體中孔隙通道堵塞的幾率增大，從而導致整個土體滲透性降低。由圖4可知，大多數發生翻漿冒泥的土位于擬合曲線上及其附近，P為0～100%，變化范圍較大，滲透系數最高不超過1 000×10－6cm／s。

2 易發生翻漿冒泥土的綜合評判指標F

基于上述分析，將翻漿冒泥5個表征指標優化為3個評價指標，即IP、Sr、P。篩選出無相關性的3個主要指標，在此基礎上，采用線性加權形式，提出綜合評判指標F，利用線性權重函數可簡潔表示各主要指標在評價易翻漿冒泥細粒土重要性。在實際工程應用中，也易于評價發生翻漿冒泥土體的主要影響指標。易發生翻漿冒泥細粒土綜合評判指標為

式中：A1、A2、A3分別為IP、Sr、P 在綜合評判指標F中所占的權重。

層次分析法是一種定性與定量相結合的分析方法，主要解決多因素復雜系統。為了得到各指標的權重系數，利用層次分析法進行計算分析，建立一個綜合評判指標F與IP、Sr、P間的兩層結構的層次結構模型，利用Saaty等［36］建議的1～9及其倒數作為標度，見表2。成對比較，得到一致性判斷矩陣，見表3。其中，各指標間相對重要性由表1中各指標被引用次數決定。表1中61處翻漿冒泥數據點各指標被引用結果見表4，IP被引用次數最多，其次是P，最后是Sr。通過計算得到判斷矩陣的最大特征值λmax＝3.038 5，對應的特征向量為［0.916 1，0.150 6，0.371 5］T，經過歸一化后得［0.64，0.10，0.26］T，所以各指標的權重系數為A1＝0.64，A2＝0.10，A3＝0.26。

表2 兩兩比較評分的標度

表3 判據指標的一致性矩陣

表4 翻漿冒泥各土性指標引用統計表

對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算一致性指標CI＝0.019 25，平均隨機一致性指標RI＝0.58，從而得到一致性比例CR＝0.033＜0.1，故認為判斷矩陣的一致性可接受。

對表1中大量文獻調研所得到的數據進行標準化處理，將IP、Sr、P對應數據通過式X′＝（X－Xmin）／（Xmax－Xmin）標準化映射成區間［0，1］中的值X′，由表1可得IP、Sr、P的最大值分別為40.5%、100%、95%，另外取Xmin＝0，由此可得F≤1.0。

得到標準化后的數據IP、Sr、P后，通過計算可得易翻漿冒泥的細粒土綜合評判指標Fmin＝0.30。

標準化后IP、Sr、P的取值范圍為［0，1］，并由此作為圖形的邊界，見圖5。圖5為細粒土易發生翻漿冒泥區域，由平面0.64IP＋0.1Sr＋0.26P＝0.3、P＝0和圖形邊界面構成，實測發生翻漿冒泥點都落在此區域內。

圖5 F值與易發生翻漿冒泥土關系圖

通過進一步文獻調研，得到5個已發生翻漿冒泥土的實測數據樣本，利用總結的翻漿冒泥土的5個表征指標及數量范圍和綜合評判指標F對5個工程樣本實例進行評判，結果見表5。由表5可見，按經驗總結得到的5個表征指標和數范圍，無法完全準確判定易發生翻漿冒泥土，存在IP＜12，發生翻漿冒泥的情況，而用綜合評判指標，評價結果更好。

表5 易發生翻漿冒泥土的2種判據指標對比

3 結論

翻漿冒泥是既有鐵路最常見的一種路基病害。本文通過國內外文獻調研，收集了30組翻漿冒泥工程實例資料和61處已發生翻漿冒泥土的實測數據樣本，經過分析和總結，得到以下幾點結論：

（1）易發生翻漿冒泥土的細粒土物理狀態可以用塑性指數IP、液限WL、飽和度Sr、細顆粒含量P、滲透系數K表征。發生翻漿冒泥土的表征指標數量范圍為：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

（2）發生翻漿冒泥的細粒土位于A線和D線之間區域，A、D線方程分別為IP＝0.66（WL－20）、IP＝0.66（WL＋3.39），其中大多數為高、中液限黏土，少數為低液限黏土。

（3）發生翻漿冒泥土K與P間存在負指數相關關系。

（4）易翻漿冒泥的細粒土評價指標建議采用IP、Sr、P。

（5）提出了易翻漿冒泥的細粒土綜合評判指標F。F能更好地評判土體易發生翻漿冒泥的可能性。

［1］孫明漳，王乃松，劉慧茹.關于土工聚合材料對鐵路路基動強度影響的探討［J］.鐵道學報，1992，14（4）：126-133.

SUN Mingzhang，WANG Naisong，LIU Huiru.Discussion on the Influence of the Material on the Dynamic Strength of the Railway Subgrade［J］.Journal of the China Railway Society，1992，14（4）：126-133.

［2］李杰生，錢春宇，廖紅建.多道瞬態面波法在鐵路路基測試中的應用［J］.巖土力學，2003，24（S2）：611-615.

LI Jiesheng，QIAN Chunyu，LIAO Hongjian.MSASW Method Appling in Inspecting Railroad Subgrade［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24（S2）：611-615.

［3］陳文海.鐵路路基翻漿冒泥病害機理及整治［J］.企業技術開發，2010，29（7）：42-46.

CHEN Wenhai.The Mechanism of Mud Pumping in Railway Subgrade and Its Treatment Measures［J］.Technological Development of Enterprise，2010，29（7）：42-46.

［4］楊新安，高艷靈.滬寧鐵路翻漿冒泥病害的地質雷達檢測［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（1）：116-119.

YANG Xin’an，GAO Yanling.Gpr Inspection for Shanghai-Nanjing Raiway Trackbed［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（1）：116-119.

［5］白顥，孔令偉.固結比對石灰土動力特性的影響試驗研究［J］.巖土力學，2009，30（6）：1590-1594.

BAI Hao，KONG Lingwei.Experimental Research on Influence of Consolidation Ratio on Dynamic Characteristics of Lime-treated Soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（6）：1590-1594.

［6］杜攀峰，廖立堅，楊新安.鐵路路基病害的智能識別［J］.鐵道學報，2010，32（3）：142-146.

DU Panfeng，LIAO Lijian，YANG Xinan.Intelligent Recognition of Defects in Railway Subgrade［J］.Journal of the China Railway Society，2010，32（3）：142-146.

［7］李玉鋒，韓會增.有機高分子改性土動力特性試驗研究［J］.巖土力學，2000，21（2）：156-158，162.

LI Yufeng，HAN Huizeng.Experimental Study on Dynamic Properties of Soil Modified by Super Polymer［J］.Rock and Soil Mechanics，2000，21（2）：156-158，162.

［8］AW E S.Low Cost Monitoring System to Diagnose Problematic Rail Bed：Case Study of Mud Pumping Site［D］.Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，2007.

［9］楊新安，周青.鐵路路基病害與動力觸探試驗研究［J］.中國礦業大學學報，2002，31（4）：31-35.

YANG Xin’an，ZHOU Qing.Railway Roadbed Diseases and Dynamic Penetration Test Research［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2002，31（4）：31-35.

［10］葛如生.陽安線基床病害整治［D］.成都：西南交通大學，2003.

［11］霍凱成，張全林，羅國榮.用土工合成材料治理道路翻漿的研究［J］.巖土力學，2003，24（1）：45-48.

HUO Kaicheng，ZHANG Quanlin，LUO Guorong.Study on Preventing Mud Boil at Roads by Using Geosynthetics［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24（1）：45-48.

［12］VOOTTIPRUEX P，ROONGTHANEE J.Prevention of Mud Pumping in Railway Embankment a Case Study from Baeng Pra-pitsanuloke，Thailand［J］.The Journal of KMITB，2003，13（1）：20-25.

［13］ALOBAIDI I，HOARE D J.Mechanisms of Pumping at the Subgrade-subbase Interface of Highway Pavements［J］.Geosynthetics International，1999，6（4）：241-259.

［14］BOOMINTAHAN S，SRINIVASAN G R .Laboratory Studies on Mud Pumping into Ballast under Repetitive Rail Loading［J］.Indian Geotechnical Journal，1988，18（1）：31-47.

［15］RAYMOND G P.Geotextile Application for a Branch Line Upgrading［J］.Geotextiles and Geomembranes，1986，3（2）：91-104.

［16］AYRES D J.Geotextiles or Geomembranes in Track British Railways’ Experience［J］.Geotextiles and Geomembranes，1986，3（2）：129-142.

［17］谷憲明.季凍區道路凍脹翻漿機理及防治研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［18］MURAMOTO K，SEKINE E，NAKAMURA T，et al.Roadbed Degradation Mechanism under Ballastless Track and Its Countermeasures［J］.Quarterly Report of Rtri，2006，47（4）：222-227.

［19］ALOBAIDI I，HOARE D J.The Development of Pore Water Pressure at the Subgrade-subbase Interface of a Highway Pavement and Its Effect on Pumping of Fines［J］.Geotextiles and Geomembranes，1996，14（2）：111-135.

［20］ALOBAIDI I，HOARE D J.Mechanisms of Pumping at the Subgrade-subbase Interface of Highway Pavements［J］.Geosynthetics International，1999，6（4）：241-259.

［21］ALOBAIDI I，HOARE D J.Qualitative Criteria for Antipumping Geocomposites［J］.Geotextiles and Geomembranes，1998，16（4）：221-245.

［22］鐘濤，梁維新.成都東站峰前場基床翻漿冒泥原因的試驗分析［J］.路基工程，1995（5）：39-41.

ZHONG Tao，LIANG Weixin.Mud Pumping Analysis of Roadbed in front of Chengdu East Railway Station［J］.Subgrade Engineering，1995（5）：39-41.

［23］山田干雄，小野一良，孫明漳.關于產生翻漿冒泥機理的初步研究［J］.路基工程，1988（3）：70-75.

KIYOTAKA Yamada，YOSHINORI Ono，SUN Mingzhang.Preliminary Study on the Mechanism of Mud Pumping［J］.Subgrade Engineering，1988（3）：70-75.

［24］楊榮興.浙贛線紅門工點翻漿冒泥的整治［J］.路基工程，1996（6）：53-56.

YANG Rongxing.Remediation of the Mud Pumping Red Gate Worksite［J］.Subgrade Engineering，1996（6）：53-56.

［25］楊若芳，楊燦文.防治翻漿冒泥新技術［M］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［26］易波.電阻率層析成像技術在陽安鐵路翻漿冒泥探測中的應用［J］.路基工程，2013（6）：150-155.

YI Bo.Application of the Resistivity Tomographic Imaging Technology in the Detection of the Mud Pumping Yang an Railway［J］.Subgrade Engineering，2013（6）：150-155.

［27］趙滿慶.裂隙土基床病害整治研究［D］.成都：西南交通大學，2002.

［28］傅鶴林，劉寶琛.路基基床翻漿冒泥病害整治的固化材料的室內試驗研究［C］／／中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集（下冊）.北京：中國土木工程學會，2003.

［29］苗雷強，岳祖潤，馮懷平.既有線重載鐵路路基翻漿冒泥成因及防治措施［J］.安徽建筑，2014，11（1）：113，121.

MIAO Leiqiang，YUE Zurun，FENG Huaiping.Causes of the Mud Pumping in Existing Heavy Loaded Railway and Prevention Measures［J］.Anhui Construction，2014，11（1）：113，121.

［30］喬連軍.京通線K245～K462路基翻漿冒泥的整治［J］.鐵道建筑，2006（10）：75-76.

QIAO Lianjun.Treatment of Subgrade Mud Pumping in Beijing Tong Line from K245 to K462［J］.Railway Engineering，2006（10）：75-76.

［31］段銘鈺.鐵路路基翻漿冒泥的原因及整治措施［J］.鐵道技術監督，2010，38（6）：23-25.

DUAN Mingyu.The Cause of the Railway Mud Pumping and Treatment Measures［J］.Railway Quality Control，2010，38（6）：23-25.

［32］李文華，李顯剛.淺析基床翻漿冒泥和邊坡坍滑的形成與治理［J］.路基工程，2002（3）：70-71.

LI Wenhua，LI Xiangang.The Analysis of Subgrade Mud Pumping and the Formation of the Slope Collapse Sliding and Governance［J］.Subgrade Engineering，2002（3）：70-71

［33］劉瀚強.淺析鐵道道床翻漿冒泥病害及其防治［J］.煤炭技術，2013，32（6）：179-181.

LIU Hanqiang.Analysis of Hazards and Control of Railway Track Bed Mud Pumping［J］.Coal Technology，2013，32（6）：179-181.

［34］崔新壯.交通荷載作用下黃河三角洲低液限粉土地基累積沉降規律研究［J］.土木工程學報，2012，45（1）：154-162.

CUI Xinzhuang.Traffic-induced Settlement of Subgrade of Low Liquid Limit Silt in Yellow River Delta［J］.China Civil Engineering Journal，2012，45（1）：154-162.

［35］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［36］SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process：Planning，Priority Setting，Resource Allocation［M］.New York：McGraw-Hill，1980.

［37］鄧帥.重載鐵路路基病害調查及其信息管理系統的研究［D］.長沙：中南大學，2011.

［38］冷伍明.重載鐵路橋梁和路基檢測與強化技術研究［R］.長沙：中南大學，2011.