西北鹽漬土地區(qū)鐵路線路防護(hù)柵欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

常 凱，杜曉燕，馬偉斌，王志偉

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵路工務(wù)技術(shù)中心，北京 100081）

我國(guó)鹽漬土分布范圍超過(guò)20 萬(wàn)km2，約占國(guó)土總面積的2.1%。其中，內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)鹽漬土覆蓋范圍較廣，鹽漬土中離子種類(lèi)齊全且含鹽量較高，腐蝕性極強(qiáng)。處于該地區(qū)的混凝土材料如鐵路防護(hù)柵欄結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)期遭受腐蝕，耐久性不斷惡化，嚴(yán)重威脅鐵路防護(hù)安全，應(yīng)引起足夠的重視。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)鹽漬土的腐蝕特性及其改良等方面進(jìn)行了大量的研究［1-5］，但有關(guān)鹽漬土對(duì)混凝土工程結(jié)構(gòu)和材料腐蝕影響的研究較少。本文在分析鹽漬土腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，論證應(yīng)用玻璃鋼材料取代混凝土結(jié)構(gòu)的可行性。研究結(jié)果將為西北鹽漬土地區(qū)鐵路防護(hù)柵欄腐蝕問(wèn)題提供新的解決方法。

1 工程概況

包蘭鐵路起自包頭東站終至蘭州站，全長(zhǎng)990 km。線路穿越內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，屬于干旱、半干旱地區(qū)，降雨稀少；中經(jīng)河套平原和銀川平原，蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽漬土分布范圍廣泛，其中以巴彥淖爾至烏海段鹽漬化最為嚴(yán)重。

由于土壤中含有各種易溶鹽，混凝土防護(hù)柵欄結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈的腐蝕作用。混凝土立柱下部表層酥碎、剝落，從而使鋼筋裸露在空氣中，產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕，導(dǎo)致防護(hù)柵欄耐久性急劇下降?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，腐蝕最嚴(yán)重的柵欄立柱，底部混凝土完全腐蝕、剝落（見(jiàn)圖1），僅剩幾根鋼筋支撐，隨時(shí)有傾覆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。烏海工務(wù)段須每年投入大量人力、物力進(jìn)行柵欄維護(hù)，急需尋求可替代鋼筋混凝土的適用于鹽漬土地區(qū)的新型柵欄立柱材料。

圖1 防護(hù)柵欄受侵蝕情況

2 混凝土立柱腐蝕機(jī)理分析

2.1 鹽漬土取樣調(diào)查及檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)臨河站及巴彥高勒站之間的多數(shù)區(qū)段防護(hù)柵欄立柱腐蝕最為嚴(yán)重，因此選取該段作為試驗(yàn)對(duì)象。在取樣點(diǎn)進(jìn)行分層取樣，再對(duì)鹽漬土土樣進(jìn)行分析。每個(gè)地段選取2 個(gè)鹽漬化較嚴(yán)重、有代表性的區(qū)域取樣，每個(gè)鹽漬土土樣采集深度分別在地表以下0～5，5～25，25～50，50～75，75～100 cm。取樣時(shí)盡量避免破壞土體的天然結(jié)構(gòu)。

經(jīng)檢測(cè)，得到3個(gè)地區(qū)每2個(gè)采樣點(diǎn)1.0 m 深度內(nèi)的 K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-等離子的濃度和pH值，并計(jì)算得到總含鹽量，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知：①采樣點(diǎn)Cl-/SO42-平均值為0.35。按照J(rèn)TGE40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》和GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》的含鹽量分類(lèi)規(guī)定，該地區(qū)主要以硫酸鹽漬土為主。②采樣點(diǎn)1.0 m 以內(nèi)土壤含鹽量為1.89%～3.93%，采樣點(diǎn)含鹽量隨深度增加快速降低。本地區(qū)鹽漬土鹽分含量高，且土壤中K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-等離子種類(lèi)齊全。

綜上所述，該地區(qū)存在大量硫酸鹽漬土，并且鹽分含量較高，因此工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以抗硫酸鹽腐蝕為主。

表1 易溶鹽檢測(cè)結(jié)果

2.2 鹽漬土腐蝕機(jī)理分析

硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕破壞過(guò)程較為復(fù)雜，主要分為物理腐蝕和化學(xué)腐蝕。

1）物理腐蝕。硫酸鹽的物理腐蝕即結(jié)晶腐蝕，腐蝕機(jī)理為：混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境中的SO42-經(jīng)混凝土孔隙滲透進(jìn)入結(jié)構(gòu)本體，當(dāng)環(huán)境濕度降低時(shí)混凝土孔隙中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致硫酸鹽晶體析出，產(chǎn)生結(jié)晶壓力，當(dāng)結(jié)晶壓力大于混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)崩裂破壞。

2）化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕的機(jī)理為：混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境中的SO42-經(jīng)混凝土孔隙進(jìn)入其中，與水泥石中某些礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物體積增大，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，使混凝土崩裂破壞?；瘜W(xué)反應(yīng)主要有鈣礬石型與石膏型2種。

鈣礬石型反應(yīng)方程式為

石膏型反應(yīng)方程式為

在該地區(qū)硫酸鹽的結(jié)晶和化學(xué)腐蝕共同影響下，防護(hù)柵欄混凝土立柱強(qiáng)度降低或膨脹開(kāi)裂，最終導(dǎo)致混凝土立柱結(jié)構(gòu)破壞。

3 防護(hù)柵欄立柱設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

3.1 立柱材料

針對(duì)內(nèi)陸地區(qū)硫酸鹽腐蝕問(wèn)題，工程上采取了一系列措施，如改善混凝土自身性能、表面涂防護(hù)層、包裹隔離等。盡管這些方法對(duì)于抗硫酸鹽腐蝕有一定的作用，但也都存在一些問(wèn)題。改善混凝土自身性能須外摻防硫成分，成本較高，經(jīng)濟(jì)上不可取。表面涂防護(hù)層須在一定條件下進(jìn)行，操作工藝較復(fù)雜。包裹隔離法中的包裹層與混凝土的親和性較差，易與混凝土剝離，造價(jià)高，更換困難。玻璃鋼作為一種優(yōu)良的高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗高溫復(fù)合纖維材料，其環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)，性價(jià)比極高，目前已在工程上得到廣泛應(yīng)用。用玻璃鋼材料替代混凝土用于西北鹽漬土地區(qū)的防護(hù)柵欄將能夠改善混凝土硫酸鹽腐蝕現(xiàn)狀，保障工程結(jié)構(gòu)安全。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

防護(hù)柵欄立柱設(shè)計(jì)采用與既有立柱同等尺寸的矩形管，截面尺寸120 mm×120 mm，厚度5 mm。為了提高立柱的抗彎能力，在矩形管內(nèi)垂直線路方向設(shè)置橫肋，具體如圖2所示。

圖2 柵欄立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)TB/T 3522—2018《鐵路線路防護(hù)柵欄》對(duì)柵欄設(shè)計(jì)荷載的規(guī)定，人為破壞力取1 kN/m；風(fēng)壓力依照風(fēng)力等級(jí)11 級(jí)考慮，荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.6 kPa；地震烈度取8 度。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］，得出可變荷載效應(yīng)控制的組合設(shè)計(jì)值為最不利組合，其中人為的偶發(fā)荷載為主要因素。柵欄計(jì)算模型及荷載分布如圖3所示。

圖3 柵欄計(jì)算模型及荷載分布

建模分析時(shí)立柱采用玻璃鋼，金屬網(wǎng)片采用Q345鋼材，材料參數(shù)見(jiàn)表2。由于在風(fēng)荷載與人為破壞力作用下構(gòu)件以受彎為主，因此采用彎曲強(qiáng)度確定塑性區(qū)。該塑性區(qū)數(shù)值分析時(shí)等價(jià)于鋼材與混凝土材料的塑性區(qū)，玻璃鋼材質(zhì)進(jìn)入塑性區(qū)視為破壞，而鋼材進(jìn)入塑性區(qū)僅視為屈服。

表2 材料參數(shù)

防護(hù)柵欄玻璃鋼立柱的變形和受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。可知，玻璃鋼立柱受力狀態(tài)良好，沒(méi)有出現(xiàn)破壞情況。其中，立柱最大拉應(yīng)力28.5 MPa，最大水平位移為61.7 mm，出現(xiàn)在立柱頂部。

圖4 防護(hù)柵欄變形與受力計(jì)算結(jié)果

4 室內(nèi)試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)柵欄水平方向的承載力進(jìn)行檢測(cè)，以檢驗(yàn)玻璃鋼柵欄立柱是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試用的可行性。

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案基于GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，結(jié)合鐵路線路防護(hù)柵欄高度及受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)荷載由等效集中力代替，并采用2組柵欄，每組選取3個(gè)加載點(diǎn)，分別位于單組護(hù)欄距離立柱1/4護(hù)欄長(zhǎng)度處及護(hù)欄中間，加載方向垂直于柵欄（如圖5所示，其中L為單組柵欄長(zhǎng)度）。根據(jù)普通人的平均身高以及施加最大破壞力的位置，人為荷載加載高度選取1.2 m。為便于荷載施加，金屬網(wǎng)片采用玻璃鋼欄片代替。

圖5 柵欄加載及測(cè)點(diǎn)位置

4.2 加載方案

荷載試驗(yàn)裝置安裝就位后，采用分級(jí)加載，共分6級(jí)。第1 至第5 級(jí)每級(jí)加載砝碼20 kg，第6 級(jí)加載砝碼10 kg。試驗(yàn)荷載作用持荷后分級(jí)進(jìn)行卸載，第1 級(jí)卸載砝碼30 kg，第2 級(jí)及其后每級(jí)卸載砝碼40 kg 直至全部卸載。試驗(yàn)（見(jiàn)圖6）前宜進(jìn)行預(yù)壓以檢查試驗(yàn)裝置的工作是否正常。預(yù)壓荷載可取為檢驗(yàn)荷載的20%。每級(jí)加載完成后應(yīng)持續(xù)10 min；在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下應(yīng)持續(xù) 30 min［7-9］。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)防護(hù)柵欄在各級(jí)荷載作用下的試驗(yàn)記錄，整理出測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3不同加載量時(shí)對(duì)應(yīng)的撓度實(shí)測(cè)值，見(jiàn)表3、表4。

表3 水平荷載條件下不同測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值

表4 風(fēng)壓荷載條件下不同測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值

由表3、表4可知：在設(shè)計(jì)水平人為破壞力或風(fēng)壓荷載作用下，欄桿立柱及各連接部位均未發(fā)現(xiàn)松弛或脫落情況，且卸載后玻璃鋼立柱殘余變形很小。在水平荷載作用下，中間立柱撓度實(shí)測(cè)值最大為54.56 mm，卸載后的立柱水平最大殘余撓度為3.60 mm；在風(fēng)壓荷載作用下，欄桿跨中撓度實(shí)測(cè)值最大為26.46 mm，卸載后的欄桿水平最大殘余撓度為1.78 mm?？梢?jiàn)，在試驗(yàn)條件下玻璃鋼立柱防護(hù)柵欄變形較小，滿足防護(hù)柵欄正常使用功能要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于數(shù)值計(jì)算及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，選取防護(hù)柵欄腐蝕嚴(yán)重需替換的100 m 長(zhǎng)路段作為試驗(yàn)段，采用工廠預(yù)制并對(duì)柵欄進(jìn)行嚴(yán)格出廠檢驗(yàn)，參照TB/T 3522—2018進(jìn)行新型防護(hù)柵欄的現(xiàn)場(chǎng)安裝及施工。圖7為包蘭線烏海工務(wù)段管內(nèi)玻璃鋼材質(zhì)防護(hù)柵欄，截至目前已更換2年，立柱未見(jiàn)腐蝕跡象?？梢?jiàn)，纖維增強(qiáng)塑料防護(hù)柵欄對(duì)鹽漬土有較好的適用性，可滿足防護(hù)柵欄在特殊區(qū)域的耐久性要求。

圖7 新型防護(hù)柵欄現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

6 結(jié)論

1）經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)包蘭鐵路烏海段易溶鹽種類(lèi)齊全，尤其是硫酸鹽覆蓋范圍廣且鹽分含量較高，腐蝕性較強(qiáng)。硫酸鹽通過(guò)孔隙侵入工程結(jié)構(gòu)，在物理與化學(xué)雙重作用下工程結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重腐蝕。

2）基于現(xiàn)有防護(hù)柵欄尺寸，以玻璃鋼作為立柱材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)載荷作用下，玻璃鋼柵欄立柱整體表現(xiàn)良好，均未出現(xiàn)破壞或者變形過(guò)大情況。

3）用玻璃鋼材料替代混凝土用于西北鹽漬土地區(qū)防護(hù)柵欄效果良好，保障了工程結(jié)構(gòu)安全，為鹽漬土地區(qū)防護(hù)柵欄結(jié)構(gòu)形式提供了新選擇。