填土路堤裂缝的成因分析及防治措施

2014-04-11石浩上海铁路局阜阳工务段

上海铁道增刊 2014年4期

关键词：填方黏性路堤

石浩上海铁路局阜阳工务段

填土路堤裂缝的成因分析及防治措施

石浩上海铁路局阜阳工务段

填土裂缝是路堤的常见病害。对填土路堤裂缝的成因和类型做出了分析，并结合常用的处理措施，对裂缝的整治进行初步探讨。

路堤；裂缝；不均匀沉降；防治

填土裂缝是指由填土内部发展而成的裂缝。对于填土路堤，裂缝是一种常见的病害。其主要特点是：裂缝发展部位深，影响范围大，一旦发生，难以治理，遇雨水可能发生路堤坍塌、滑坡等，给汛期行车安全带来隐患。裂缝由于其成因不同，可能出现在路堤的各个部位。微小的裂缝是广泛存在而且无法避免的，但是过大的裂缝却会造成路堤的损坏，甚至使铁路丧失营运能力。因此，裂缝问题的研究是一项很有意义的工作，它对铁路防洪预安排、防洪预抢及汛期抢险都具有指导作用。

1 裂缝的类型和成因

填土路堤是由散粒材料填筑而成的，在自重和其它因素的作用下，路堤会产生一定程度的竖向和水平方向的变形。由于路堤各部位（或路堤与桥涵间）变形（下沉）量不同而造成不均匀沉降，从而，在路堤的不同部位形成拉伸区和压缩应变区。在拉伸区内，由于填土的抗拉强度很低，在这些部位就容易产生变形裂缝。另外，对边坡坡度较陡的路堤，由于堤身的某些部位承受的水平压力较大，在这些部位容易产生变形裂缝。对于浸水路堤，由于水流的浸蚀和渗透，也容易在路堤内部渗流变形裂缝和水力劈裂裂缝。此外，路堤由于坡面失稳，气候和大气降水的影响，都会在路堤内产生裂缝。

填土裂缝可以从不同的方面加以分类。如按其部位可分为堤面裂缝和内部裂缝。按其走向可分为横向裂缝、纵向裂缝、水平裂缝和龟裂缝。按其成因可分为变形裂缝、水力劈裂裂缝、渗流裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝和振动裂缝等。其中，对路堤影响最大、出现频率最多的是变形裂缝。

2 纵向变形沉降裂缝

纵向变形裂缝是指走向平行于线路方向的裂缝。纵向裂缝的出现

一般和地基有关，一种是由于路堤与地基的不均匀沉降引起的，称为不均匀沉降裂缝；一种是由于滑动引起的，称为滑动裂缝。当路堤两侧填方厚度不同（图1），或者由于地基可压缩土层厚度的变化（图2）造成路堤某一侧（或两侧）沉降大于路堤中部沉降时，容易出现纵向裂缝。当路堤某一侧的水平应变较大（图3），其拉应力超过填料抗拉强度时，也会出现纵向裂缝，这种裂缝类似于坡面滑动裂缝。此外半填半挖（图4）或路堤某一侧浸水而产生湿化变形时，也会造成纵向沉降裂缝。

图1 填方厚度不同产生的裂缝

图2 地基土层厚度不同产生的裂缝

图3 路堤一侧水平应变较大产生的裂缝

3 横向变形裂缝

横向裂缝是指走向垂直于线路走向的裂缝。横向裂缝的产生主要是由以下原因造成的：一是由于堤身的纵向水平应力过大，二是由于路堤的纵向不均匀沉降，有时其中一种因素起主导作用，有时，这两种因素的影响却较难区分。对于较长沟谷地段的填方路堤，形成裂缝是由于沿路堤纵向产生的不均匀沉降，使路堤有往沉降较大的地方产生变形的趋势，从而，使路堤形成压缩应变区域，在堤顶产生水平压缩。两侧沉降变形较小的区段则由于往沉降较大的一侧的位移而形成拉应变区域。在堤顶产生水平拉伸，当这些部位的拉应变超过填料的临界拉应变值时，路堤就会产生横向料费。

绝大多数横向裂缝发生在填挖交界段的路堤一侧，在填挖过渡段，当基底坡度过大时，在填方一侧极易产生横向裂缝。在基底不平顺或存在不平整台阶，在这些部位也会产生横向裂缝。

现在，已经得到设计、施工部门重视的一种横向裂缝是路堤于桥梁、涵洞等的过渡段，由于台背与填土的沉降差异，以及由于回填土（难以压实）与压实土间的沉降差异而产生的横向裂缝（图5）。这种裂缝主要由第二种原因引起。

图5 桥台背填土的裂缝

4 裂缝的防治

根据以上分析，裂缝的防治主要应从两方面考虑。

（1）采取措施尽量减少填土水平应变和差异沉降，或通过改善填料类型，增设结构层提高路堤适应差异变形的能力。

（2）在裂缝出现后，采取措施控制裂缝的发展，通过后期整治消除裂缝影响。

4.1 填筑材料的选择

从我国铁路修筑形状来看，作为路堤填料的材料可概论分为（1）巨粒土（块石、碎石）；（2）粗粒土（主要指碎石、中粗砂、细砂、粉砂、沙砾料）；（3）细粒土（粉土、黏性土）。

试验与研究表明，在这几种填料中，非黏性土压缩性最小，填石与砾质土其次，压缩性较大的是黏性土。抗塑性变形能力则以黏性土最好，砾质土其次，其后为填石和沙砾料。

对于同一类填料，成型含水量、压实度的不同，其压缩性与抗塑性变形的能力也不同。一般是压实度越高，土体压缩性越小。在相同压实度的的情况下，成型含水量越高，土体的压缩性也越大。填料在较干的情况下压实，强度高，但脆性大，易开裂。在较湿的情况下压实，其强度偏低，但抗塑性变形的能力也相应较强。

针对各种填料的压实特性，在设计或施工中可采取以下措施：

（1）在不均匀沉降或水平拉应力不是很大，但有开裂可能的地段，尽量采用抗塑性变形能力较强的填料。或填料采用偏高的含水量压实，以提高路堤抗变形的能力。但在不均匀沉降较大时，只有采用综合处治措施。同时，应注意，尽管黏性土填料抗水平应力能力较强，但有着变形大、固结慢、易干缩开裂的特点。

（2）和黏性土比较，砾质土或非黏性土能较大的减少堤身自身沉降和工后沉降。对于较高的路堤或桥涵背后的填土，应尽量采用砾质土或非黏性土。

4.2 填方基底的整治

基底整治的主要目的时通过改善基底的状况，减缓沉降变化剃度，减小填土的水平压力，从而减少或避免裂缝的产生，一般采取如下措施。

（1）在填挖过渡段，地面尽量采用较小的坡度，对于陡坡，应视情况开挖台阶或以不同的坡差过度。台阶高度与宽度应通过验算确定，一般台阶的高宽比应满足1：3。

（2）对于基底有软弱层的部位，应加以清理或整治，以避免出现过大的沉降。

4.3 特殊结构形式的采用

对于不均匀较大，且出现部位较易控制的路段，在采用前述方法处理时，效果往往不明显，这时，就应考虑采用特殊的结构形式来消除不均匀沉降。

（1）对桥涵台背填土的不均匀沉降裂缝，一般采用铺设土工垫层或采用特殊填料过渡段等综合措施进行解决。

（2）在填挖过渡段，除采取4.1，4.2节措施外，还可在填土内部适当部位增设过渡、调剂层，可采用土工网垫或其它材料作调剂层。

（3）在设计时，应尽量避免半填半挖路基或陡坡路堤（图3、图4），对于这种类型的路基，纵向不均匀沉降裂缝危害较大且难以控制。

（4）填方路堤坡面在外部水、气环境影响下，极易受到损坏，因此在路堤成型后，应及时进行坡面防护，合理的坡面防护措施可以有效的减少湿化、渗透以及干湿裂缝的产生。

4.4 后期整治

裂缝的产生总是难免的，对于以及产生裂缝的路段，可视情况采取后期整治措施。

裂缝由于其成因的不同而有不同的发展规律，不均匀沉降裂缝随沉降的发展逐渐增大，在沉降发展稳定时也趋于稳定，有着初期快，后期慢的特点。滑动裂缝在初期往往较小，在活跃期急剧增大，然后趋于稳定，呈现明显的阶段性特点。水力劈裂裂缝和渗透裂缝则随着时间的延长和水流的浸蚀而逐步扩大，无明显的收缩趋势。

除了由于偶然因素（如地震、水等）引起的路堤裂缝外，裂缝的产生和发展有一定的规律性。调查表明，产生危害的裂缝一般在路堤填筑成型后才形成，这些裂缝在经过一个雨季后，在路基面上反映出来，一般在通车三年后左右达到稳定。

由此可见，选择适当时机进行后期整治可以收到事半功倍的效果，对于水力劈裂裂缝和渗流裂缝，应及时发现及早处治，对于一些危害性较大的沉降（滑动）裂缝，通过观测，在这些裂缝基本稳定后即可进行。对于大范围的整治在通车后三年进行较为合适。

在后期整治中，可视情况采用灌浆、罩面、挖开翻修、夯实、边坡护砌、边坡植草等措施进行处理。

5 整治实例

5.1 京九线上下行K892+300～K892+700工点

该段路堤填土高度在4.5m左右，为膨胀土路堤，K892+ 700为桥头，在2009年度路基秋检时发现该段在路肩内侧出现纵向贯通裂缝，长度大约370m,宽度在1.5cm左右，后期施工中发现该裂缝深度在0.6m～1.1m不等，经分析，认为该裂缝的成因应为变形裂缝和干缩裂缝的综合反映。秋检过后，我们认为该段路堤存在不安全因素，可能会在2010年汛期发生边坡溜坍。于是，我段上报给上级业务主管部门，申请作为2010年防护预安排工程进行处理，处理方案为：挖开土体对裂缝进行夯填，然后在坡面进行浆砌片石骨架结合干砌片石护坡处理。上级主管部门同意我们的申请及方案。我们在2010年汛期前对该地段进行了处理加固，至今未发生其它不良现象，说明我们的处理方案是妥当和及时的。

5.2 阜淮上行K58+400～K60+200工点

2011年3 ～6月份我地区持续干旱，造成该段路堤路肩内侧产生干缩纵向裂缝，7月9日～11日持续降大暴雨，在水的作用下，裂缝得以发展，宽度变大，在列车振动及自重作用下，沿路肩内侧发生了多处路堤坍塌，深度达1.2m，并危及道床，造成水害断道。在后期复旧工程中，我们根据水害的发生原因，选取“在坡脚增设反压护道，降低路堤高度，路肩内侧及边坡开挖至裂缝以下采取三和土夯填裂缝，干砌片石护坡”的复旧方案进行处理。工程实施后经过两个雨季的考验，至今未发生变形，加固效果明显。