基床翻漿冒泥土的物理力學性質

聶如松,冷伍明,粟　雨,郭一鵬,2

(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; 3.重載鐵路工程結構教育部重點實驗室,湖南 長沙 410075)

道床臟污和基床翻漿冒泥是鐵道工程中最為常見病害.道床臟污是指道砟顆粒間孔隙被臟污材料填充的過程.其中,臟污材料來源廣泛,包括道砟顆粒破碎粉化產物、行車墜落及風吹降落物、底砟層和路基層向上遷移的細顆粒以及軌枕磨損產物.Selig等[1]經過大量的現場調查分析后指出：道砟本身顆粒破碎是道床臟污的主要來源,占臟污源的76%;其次是由道床底砟層向上遷移的細顆粒,占臟污源的13%;第3個臟污源是表面滲入(主要指行車墜落物和風吹降落物),占臟污源的7%;最后兩個可能的臟污源相對很少,如路基層向上遷移的細顆粒占3%,軌枕磨損產物占1%.楊志浩等[2]對大秦重載鐵路翻漿冒泥病害進行現場調查,結果發現:道砟中的細顆粒由機車噴砂、煤渣和磨碎的石粉組成,其中石粉占主要部分;翻漿冒泥病害發生在道床層,而非路基基床層.道床臟污程度不同,對軌道結構的不良影響也將不同.Selig等[1]、Feldman 等[3]、Indraratna等[4]和徐旸等[5]提出了評估指標來量化道砟臟污程度,并劃分了等級，認為道砟臟污嚴重時將誘發道床板結、翻漿冒泥等病害.

基床翻漿冒泥是指在列車荷載作用下路基面(厚度一般小于0.5 m)受水浸泡軟化后,以泥漿形態向道床或者通過道床層往外翻冒的現象.基床翻漿冒泥分為土質基面翻漿冒泥、風化石質基面翻漿冒泥和裂隙泉眼翻漿冒泥3類.可見,道床臟污與基床翻漿冒泥是兩個不同的概念.基床翻漿冒泥產生、發展主要取決于以下3個條件:基床土的工程性質;水和溫度對基床的影響;動荷載的性質、大小和分布.土性不良是導致基床發生翻漿冒泥的內因.楊若芳等[6]在20世紀80年代對我國11條線路進行調查,經分析,總結出易發生基床翻漿冒泥地段土性特點:粉粒黏粒含量多、遇水易軟化、親水性強、滲透系數低的黏性土、易風化泥質巖石以及較為發育的裂隙地段.

客運高速化,貨運重載化是鐵路現代化的標志.1997—2007年這10年間,我國鐵路經歷了6次大提速.貨運軸重由原來的23 t發展到25、30 t,編組列車由5 000 t發展到1萬、2萬t.客運大幅提速,運能飽和,貨運軸重大幅提高以及編組加長,導致路基內的動應力水平、分布狀態以及作用方式發生改變.由于軸重、速度的提高,列車作用在路基上的動應力增大,特別是已發生病害處,動應力加大使得病害加劇,繼而致使軌道狀態惡化,進入一種惡性循環狀態.此外列車提速后,行車密度明顯加大,致使維護、保養時間減少;加之列車提速后,對線路養護要求不斷提高,出現維護人員難以應付的局面,長期以往,路基各種病害不斷加劇.盡管目前路基養護技術水平大幅提高,但路基病害仍時常發生.根據2013年鐵路總公司秋檢報告[7],路基本體設備長度14.4萬km,與水有關的病害主要為邊坡溜坍、翻漿冒泥、排水不良以及凍害等.其中基床發生翻漿冒泥段長5 805 km,是鐵路路基主要的一種病害.

本文在大量閱讀國內外有關翻漿冒泥病害文獻的基礎上,分析和總結了國內外研究者在基床翻漿冒泥產生機理方面獲得的成果.收集和統計了國內外60多組基床翻漿冒泥土物理性質指標數據,分析了翻漿冒泥土的顆粒組成、可塑性指標、滲透性及礦物成分,總結了基床發生翻漿冒泥土的基本物理力學性質,旨在為相關研究提供一定的參考和借鑒.

1　基床翻漿冒泥發生機理與外因

路基翻漿冒泥是多種影響因素耦合作用引起或產生的結果.如列車車速、軸重、長期疲勞荷載作用、路基排水不良、降水或浸水作用及影響等,這些都會共同影響和改變翻漿冒泥的物理力學性質的范圍或程度.雖然過去對翻漿冒泥病害開展了不少的研究,但路基翻漿冒泥的發生機理尚不完全清楚,仍值得進一步研究.

1.1　基床翻漿冒泥發生的機理

國內外不少學者對鐵路基床翻漿冒泥和公路翻漿冒泥產生機理開展了一系列研究.針對混凝土剛性路面翻漿冒泥,Van[8]指出翻漿冒泥是:(1) 當車輛通過時,路基、底基層或路肩的細顆粒和水一起從板接縫、裂縫或邊緣擠出,噴濺出稀泥漿的現象;(2) 使板下材料發生重分布的現象.翻漿冒泥過程中,由于排水不暢,雨水從路面滲透到路基和底基層中,車輛荷載作用下路面板邊緣、接縫和裂縫發生撓曲變形致使孔隙水壓力累積.底基層、路基中的細顆粒在孔壓消散過程中被攜帶出來,發生翻漿冒泥.Van[8]解釋板下材料發生重分布的機理:主要是由于表面侵蝕致使穩定層材料表面的細顆粒遷移.在這個過程中,水在彎矩面板的接縫處聚積,當車輛從接縫前后板依次通過時,接縫處積聚的水在前后板下來回運動,細顆粒從前板底帶出,滯留在后板底下,導致前板底脫空,前板易產生裂縫.

Alobaidi等[9-13]在室內開展單元試驗和三軸試驗,研究高速公路路基與底基層交界面翻漿冒泥機理.試驗中,交通荷載用循環荷載模擬,荷載幅值為10～30 kPa.根據試驗結果,建立了翻漿冒泥量與循環變形量間的關系,發現翻漿冒泥量與路基永久變形量呈正比,翻漿冒泥速度隨循環荷載次數的增加而降低.他們認為底基層粗顆粒嵌入路基土中,致使接觸應力降低;泥漿使土工布滲透系數降低和泥漿的黏滯性增加等是影響翻漿冒泥速度的主要因素.循環荷載的平均值增加導致循環變形降低,荷載幅值增加,永久變形速率和循環變形量增加.路基面上的滯留水越多,翻漿冒泥量就越大.荷載頻率主要影響路基面孔隙水壓力的發展.路基土的超固結比越大,路基的永久變形和循環變形變小.同時,他們特別指出路基面超孔隙水壓的不利影響.超孔隙水壓導致有效應力降低和加快永久變形的速率,最終引起路基剪切破壞.

Takatoshi[14]提出了一個物理模型來描述翻漿冒泥過程,強調了在列車荷載作用下軌枕上下起伏引起的抽吸力的重要性.

Eng Sew[15]基于近1 a的現場跟蹤測試,認為基床翻漿冒泥可能發生的條件:(1) 滯留在路基與道床層交界面的水在列車反復動荷載作用下軟化和沖刷路基面細顆粒;(2) 道砟局部壓縮和顆粒水平滑移在軌枕下產生空隙;(3) 路基局部土質不良.

在法國,為了研究道床下土石夾層的形成及翻漿冒泥現象的驅動因素,Duong等[16-17]在室內進行物理模型試驗,將道砟直接鋪放在路基面上,缺少底砟層.結果發現,水是細顆粒遷移的最重要的影響因素.在路基土接近飽和狀態時,循環荷載引起的超孔隙水壓超過循環荷載的波谷值,導致路基土液化,超孔隙水壓的消散帶動細顆粒向上遷移.此外,他們也指出土的壓縮性對翻漿冒泥具有較大影響,若土的壓縮性較高,致使超孔壓極易形成,易引發翻漿冒泥.

楊若芳等[6]經過大量的現場調研,總結了基床翻漿冒泥病害形成的條件:(1) 基床土中顆粒(顆粒直徑<0.05 mm)含量>60%,液限WL>32,塑性指數IP>12;(2) 路基面下軟弱層較薄,軟弱層下部較堅硬,無側限抗壓強度>130 kPa,輕型動力觸探N10>4.同時降雨量大,地表水疏導不暢以及地下水豐富;(3) 列車荷載的重復沖擊、振動作用.

聶如松等[18-20]認為基床翻漿冒泥與路基服役狀態密切相關.施工碾壓不密實、基床層圍壓很低、承受的動偏應力很高等因素導致在路基表面形成很多細小裂縫,致使地表水能自由滲入土體中.路基面土體被水浸濕和軟化后,道砟顆粒在列車荷載反復作用下易嵌入路基中,逐漸發展形成翻漿冒泥病害.

1.2　基床翻漿冒泥發生的外因

動荷載是影響基床翻漿冒泥發生的重要外因之一.列車軸重、行車速度以及線路狀況是影響路基動荷載大小的關鍵因素.根據理論和實測分析,路基面承受的動應力與軸重呈線性關系[21].表1為世界主要重載鐵路國家軸重及車長統計表.

表1　主要重載國家重載列車軸重和車長Tab.1　Typical heavy haul railway freight trains including axle loads and length worldwide

韓自力等[22]對我國既有鐵路路基動應力進行分析,發現軌道狀態極差或有路基病害時,路基動應力最大值比正常情況下的大2～3倍.20世紀末到21世紀初,我國既有線進行了6次大提速,雖然機車軸重加大、列車運行速度提高了幾倍,但由于線路狀態及日常維護管理水平和軌道結構部件強度相應提高,路基動應力并沒有提高,說明軌道結構狀態及平順性對路基動應力的影響很大.

水和溫度也是引起基床翻漿冒泥的重要條件.我國南方地處亞熱帶,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,雨熱同期.降水量在800 mm以上,山地迎風坡降水較多,且常為晴雨相間,致使基床土處于干濕循環變化之中,為翻漿冒泥創造了有利條件.北方季節性凍融區,基床翻漿冒泥常在春融期發生.喬連軍[23]指出季節性凍融區基床翻漿冒泥在路堤和路塹中均出現,與道床厚度、清潔程度不相關,對于剛清篩大修過地段,也發生翻漿冒泥.氣溫的變化對翻漿冒泥病害的程度影響較大,升溫越快,翻漿冒泥程度越嚴重.上一年的雨雪量大,翻漿冒泥處就越多.

路基所處的地形特征也可能引起路基發生翻漿冒泥.楊榮興[24]報道的浙贛線紅門工點翻漿冒泥病害,位于山間峽谷地帶,匯水面積較大,路塹深度為4～12 m,路基排水不良也為基床發生翻漿冒泥病害提供了溫床.

2　基床翻漿冒泥內因——土性分析

本文收集和統計了國內外60多組翻漿冒泥土基本物理性質指標數據.這些數據樣本來源中國、北美、泰國、法國、英國、印度和日本等,包括鐵路、公路基床翻漿冒泥病害現場實測數據,和實驗室模型試驗數據,統計數據如表2.統計的參數主要包括土的級配、礦物成分、液塑限、滲透系數、孔隙比、飽和度、自由膨脹率等.

表2　翻漿冒泥土的物理性質Tab.2　Physical properties of mud pumping soils

續　表2Continued Tab.2

續　表2Continued Tab.2

注:P為質量百分數，P0.420、P0.074、P0.063分別指顆粒粒徑小于0.420 、0.074 mm和0.063 mm的質量百分數;黏粒指粒徑小于0.002 mm的顆粒;粉粒指粒徑大于0.002 mm小于0.050 mm的顆粒;砂粒指粒徑大于0.050 mm小于2.000 mm的顆粒;礫粒指粒徑大于2.000 mm的顆粒;*表示最優含水率或最大干密度.

2.1　顆粒組成

易發生翻漿冒泥土的工程性質與其顆粒組成密切相關.日本在1955年對其國內發生翻漿冒泥病害的土質進行調查分析后發現,發生翻漿冒泥的路基土的顆粒組成需滿足下列條件:粒徑小于0.420 mm的質量百分數P0.420>70.0%;R=P0.074/P0.420>0.65[25].

楊若芳等[6]和周錫九[45]總結出基床翻漿冒泥土顆粒成分三因分類圖(如圖1(a)).認為:土質路基面翻漿冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒40.0%以上;風化極嚴重的石質路基面翻漿冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒30.0%以上.圖中密線部分表示最易發生翻漿冒泥土、石的顆粒組成(砂黏土、粉質黏土和黏土).

(a)文獻[6](b)本文圖1　基床土顆粒三因分類圖Fig．1　Particlesizedistributionofsubgradebedsoilsinmudpumping

將本文統計的翻漿冒泥土的顆粒組成用點在三因分類圖中標出來,如圖1(b)所示.從圖中可以看出,絕大部分點落在黏粒含量大于20.0%、粉粒含量大于20.0%重疊的三角形區域,說明該區域的土體會發生翻漿冒泥.在這個區域內,存在一個三角區域(黏粒含量大于30.0%、粉粒含量大于40.0%)的點最多最密.該區域與楊若芳等[6]和周錫九[45]總結的結果較為一致.還有兩點落在圖中密線重合的三角形區域之外,這兩點是在特定的情況下發生的翻漿冒泥,如Hayashi等[41]報道的日本新干線隧道內仰拱底翻漿冒泥病害.

圖2為黏粒含量Pclay和粉粒含量Psilt的比值與細顆粒含量的分布圖.從圖中可以看出,翻漿冒泥土大部分位于圖中的矩形范圍內,其中有一點落在矩形之外.該點屬于路基面與泉眼翻漿冒泥的綜合[24],在該案例中,泉眼對基床翻漿冒泥的產生起決定性作用.從圖2中還可以看出,細粒含量大于8.0%就有發生翻漿冒泥的可能.除此之外,還發現在翻漿冒泥土的細顆粒部分,粉粒的含量一般要大于黏粒的含量.這是因為,粉粒的含量大,顆粒細小而沒有粘聚力,土容易處于散粒狀態,更容易發生翻漿冒泥.

圖2　翻漿冒泥土細粒組成分布Fig.2　Composition of fine particles in mud pumping soils

2.2　可塑性指標

伊東孝之[46]認為WL>35%,IP>9的土極易發生翻漿冒泥.楊若芳等[6]根據大量調研資料,總結出土質基面和風化石質基面翻漿冒泥病害土的可塑性指標分布圖如圖3所示(圖中：C為黏土，M為粉土，O為有機質土；L為低液限，I為中液限，H為高液限，如CH表示為高液限黏土).同時,鐵路路基設計規范(TB10001—2005)中規定Ⅰ級鐵路應選用A、B組填料;Ⅱ級鐵路可選用A、B、C組填料,當選用C組填料時,在降水量大于500 mm/a地區,要求IP≤12,WL≤32%;否則需改良、加固土質.

根據表2,統計出翻漿冒泥土可塑性指標分布如圖4所示.圖4顯示翻漿冒泥土的可塑性指標分布規律與圖3楊若芳等[6]總結的類似,但翻漿冒泥土的范圍明顯要大.WL>23%,IP>6.5的土易發生翻漿冒泥,這不僅包含了高液限、中液限土,還包含了部分低液限粉質黏土.圖3、4中D、E線是根據翻漿冒泥土(表2)的可塑性指標最小值確定的,D線平行于A線,是根據翻漿冒泥土的可塑性指標分布憑經驗推定,尚缺乏理論支撐.

(b) 風化石質基面圖3　文獻[6]的翻漿冒泥土的可塑性指標范圍Fig.3　Plasticity chart of mud pumping soils suggested by Reference [6]

圖4　翻漿冒泥土的可塑性指標范圍Fig.4　Plasticity chart of mud pumping soils

2.3　滲透系數

楊若芳等[6]總結了翻漿冒泥土的滲透系數范圍:土質基面(1.05×10-7～9.5×10-9m/s);風化石質基面(4.8×10-7～6.16×10-10m/s),為弱或不透水層.而本研究的結果(如表1所示)發現,在土的滲透性(1.0×10-6m/s)較好的情況下,仍會發生翻漿冒泥.我國高速鐵路路基基床層采用級配碎石填筑,張云根[47]對級配碎石的滲透性進行了室內實驗測試,發現級配碎石在K=95%,滲透系數處于(1.50～2.85)×10-5m/s之間,實際工程中,高速鐵路路基基床表層的壓實度要大于95%,其滲透系數要低于室內實驗結果,但滲透系數在數量級不會太大變化(10-5m/s范圍內).即便是級配碎石這種滲透性很好的材料,在高速鐵路運營中發現,仍有部分路基出現翻漿冒泥現象.

翻漿冒泥土的細顆粒含量P與滲透系數k之間的關系如圖5所示.通過擬合,發現翻漿冒泥土的k與P之間存在很好的負指數關系,相關系數R2=0.90.在粗細顆?；旌贤林?細顆粒的增加會導致粗顆粒的骨架作用降低,顆粒比表面積增加;水被細顆粒靜電引力吸引越強,在顆粒表面的水分越多,結果導致土體中孔隙通道被堵塞的幾率增大,土體的滲透性降低.由圖5可知,翻漿冒泥的土位于擬合曲線上及其附近,P的變化范圍為0～100%,k≤1.0×10-5m/s.

圖5　滲透系數k與細顆粒含量P的關系Fig.5　Relation between the permeability coefficient k and fine particle content P

2.4　礦物成分

表1數據中接近一半的翻漿冒泥病害發生在膨脹土中,且大部分土體的自由膨脹率小于40%.膨脹土的黏土礦物成分一類以蒙脫石為主,另一類以伊利石和高嶺石為主.由于蒙脫石和伊利石是親水性強的黏土礦物,遇水膨脹且強度衰減,失水收縮和反復脹縮變形,性質極不穩定.當路基基床層填料中細顆粒的主要礦物成分為蒙脫石時,蒙脫石晶胞間為數層水分子,有聯結力很弱的O2-相互聯結,晶格間具有很大的活動性,遇水后水分子可以無定量地進去晶格間,使其發生膨脹,體積可以增大數倍.此時的細顆粒與水形成泥漿,成為填料粗顆粒之間的潤滑劑,包裹填充粗顆粒,使粗顆粒填料的強度顯著下降,另一方面,蒙脫石的強親水性,使基床填料的賦存水的能力顯著增強,而滲透性將顯著降低,致使基床層的水不能及時排出.列車動荷載反復作用下,基床層顯著降低的強度和動荷載引起的超孔水壓為道砟顆粒嵌入路基基床提供便利,形成道砟與路基填料混合交叉夾層.隨著運行時間的延長,夾層越來越厚,道床層相對越來越薄,最終發展到道床表層翻漿冒泥.因此,在《鐵路特殊路基設計規范》(TB 10035—2006)中明確規定基床表層不得采用膨脹土(巖)或其改良土填筑.當膨脹性土在改良時攪拌不均勻,效果不佳時,也容易發生翻漿冒泥病害.

3　結　論

基床翻漿冒泥是鐵路路基常見的頑疾和病害,它不僅使鐵路線路的技術狀態發生變化,嚴重影響線路質量,致使線路維修工作量大大增加、線路上部建筑材料使用壽命大大縮短,同時還造成材料和勞動力的極大浪費;由于道床板結、軟化,使道床的整體彈性急劇降低,嚴重影響行車的舒適性和安全性.本文分析和總結基床翻漿冒泥產生機理和條件,收集和統計了國內外60多組基床翻漿冒泥土基本物理性質指標數據.分析了翻漿冒泥土的顆粒組成、可塑性指標、滲透性及礦物成分,得到以下幾點結論:

(1) 基床翻漿冒泥病害發生機理非常復雜,影響翻漿冒泥的因素眾多,尚沒有描述翻漿冒泥的理論模型,需要進一步研究.

(2) 在統計的翻漿冒泥土中,絕大部分黏粒含量大于20%、粉粒含量大于20%;其中黏粒含量大于30%、粉粒含量大于40%的土所占數量最多.翻漿冒泥土中粉粒的含量一般要高于黏粒含量.

(3) 翻漿冒泥土液限大于23%,塑性指數大于6.5,包含砂黏土、粉質黏土、黏土,部分低液限粉質黏土.

(4) 翻漿冒泥土的滲透系數

k≤1.0×10-5m/s.

翻漿冒泥土的k與細顆粒含量P之間存在很好的負指數關系,其關系式為

k=1 308e-0.06P,R2=0.90.

致謝:中南大學研究生創新項目(2016zzts080).

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