贾德刚

摘要:本文分析了湿陷性黄土铁路路基病害产生的原因和防治办法,结合实例,对劈裂压浆法处理黄土路基基床的工程应用进行了探讨,认为劈裂压浆作为一种路基补强的施工方法具有广阔的应用前景。

关键词:黄土湿陷 路基下沉 补强措施 劈裂压浆

1. 黄土铁路路基概况

在我国西北、华北广大黄土地区,分布着数条铁路干线,主要有陇海线、宝中线、兰新线、宝兰线、兰青线等等。黄土一个显著的特点是在天然状态下,未受水浸湿的黄土具有较高的强度,较小压缩性,但当遇水浸湿后,由于黄土大孔隙结构的破坏,产生了湿陷变形。

黄土的湿陷性和它本身所具有的大孔隙结构及其所含的易溶盐等化学物质成分有关。大孔隙结构的四周由于有可溶盐浓缩所形成的胶结物质的存在,增强了土粒间抗滑移的能力,阻止了土体在上覆自重压力下的压密。另外,由于碳酸钙等物质的胶结作用,使颗粒间的联结强度增加,因而在天然含水量状态下,未受水浸湿的黄土具有较高的强度,较小压缩性。但当黄土受水浸湿后,结合水膜增厚,结合水联结消失,颗粒四周的胶结盐类也溶于水中,因此颗粒间联结强度降低,在上部建筑物荷重作用下,大孔隙结构破坏,颗粒滑向大孔隙,孔隙体积减小,土体被压密,黄土则出现了湿陷变形。黄土路基病害在行车速度不太高,行车密度不大,列车轴重较低时并不显得十分突出。但随着列车朝高速、重载方向发展时,在黄土铁路路基中,作为直接承受行车及轨道荷载作用,直接受到降雨影响的路基基床,尤其是基床表层部分,所产生的病害所造成的不利影响非常突出。

2. 湿陷性黄土路基防治的基本方法

2.1整治黄土路基病害的国内外动态

为了提高用湿陷性黄土修筑的铁路路基工作性能,提高其抗变形能力,提高基床表层土体稳定性,对黄土路基基床进行改良和病害整治是必须的,国内外都对此开展了大量研究。由于黄土的湿陷性,使得路基产生了差异沉降,建筑物遭到了破坏。针对既有建筑物所出现的这种事故,要对路基进行处理,必须分两步进行。首先应找出使路基土湿陷的水源,截断水源;其次必须对已经湿陷的路基进行加固。采用经济、可靠的加固手段,使路基土的湿陷变形停止、承载力满足上部结构荷重的要求。

软弱路基的处治方法许多,如:“换土、碎石桩、旋喷桩、灰砂桩以及加入土工格栅等。这些方法主要用于结构物以及公路、铁路路基在修建之前对软弱路基进行预先处治。但是对于铁路路基修筑之后,特别是道路通车数年之后,发现因软弱路基的原因使路基下沉、线路几何尺寸难以维持,在这种状态下,对路基下的软弱路基进行处治是非常困难的,尤其是对于像天兰线这样车流密度很大的铁路干线,采取通常的处理方法处治,需要中断行车,而且要大范围破坏道床结构,是不可行的。

2.2劈裂压浆法加固黄土路基基床基本原理

由于路基长,工程地质条件千变万化,而且机具、材料等条件也会因地区不同而有较大差别。因此,对每一具体线段都要进行细致分析,从路基条件、处理要求(包括处理达到的各项指标、处理范围)、工程费用、材料、机具等诸多方面进行考虑,以确定合适的路基处理方法。铁路的路基处理不同于其它建筑物地基的处理,铁路路基处理主要是全部或部分消除其湿陷性。

对非自重湿陷性黄土路基,如基础下路基处理厚度达到压缩层下限,或达到饱和的自重压力与附加压力之和等于或小于该土层的湿陷起始压力,就可以认为路基的湿陷性全部消除。对自重湿陷性黄土路基,由于路基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水面积有关,而与压缩层厚度无关,所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。

在非自重湿陷性黄土路基上,对Ⅰ级湿陷性黄土一般不需要路基处理。对于Ⅱ级处理厚度为1.0～1.5m,如处理厚度小于1.0m时,湿陷性仍要危及构筑物或线路安全。对于Ⅲ级湿陷性黄土,处理厚度为1.0～2.0m,Ⅳ级应为2.0～3.0m。此外,应根据土层的湿陷性系数的分布情况,湿陷性黄土层的厚度等具体情况,适当增加或减少处理厚度。

本文结合陇海线整治湿陷性黄土路基病害的具体工程实例对劈裂压浆法加固黄土路基基床的工程应用进行了分析研究。劈裂压浆是利用路基的最小主应力面和堤轴线方向一致的规律,以土体水力劈裂原理,沿线路纵向布孔,在压浆压力下,以适宜的浆液为能量载体,有控制地劈裂路基,在路基形成密实、竖直、连续、一定厚度的浆液防渗固结体,同时与浆脉连通的所有裂缝、洞穴等隐患均可被浆液充填密实,从而提高基床表层土体稳定性。

3. 劈裂压浆法加固黄土路基基床的工程应用

3.1工程概况

陇海铁路天兰复线于2002年建成通车,在2003年秋季由于该区域连降大雨致使天兰复线出现多处路基下沉。从2005年下半年开始,在和有关部门配合下,开始采用劈裂压浆法对天兰复线软弱路基路段进行补强施工。前后从K1427～K1666区间范围内,对桥头、隧道洞口、单线、双线等多处路段进行了压浆补强工作。

3.2劈裂压浆的机理

劈裂压浆是利用水力劈裂原理和路基土中小主应力的分布规律,在一定的压浆压力作用下,将浆液用高压泵压入到地层当中,以克服地层的初始应力和抗拉强度,使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂,地层中的固有裂缝扩展变宽变长,然后浆液充填到了地层的所有裂缝当中,在路基中形成了许多树枝状或板状凝固体,而且使凝固体周围一定范围内的土体,由于浆液高压力的作用被挤密,从而形成了复合路基,使路基土的承载力提高、压缩性降低、湿陷性大幅度减小。

3.2.1浆在土体中运动的三个阶段

(1)鼓泡压密阶段。浆液进入土体形成浆泡并向外扩张,使浆泡土体中引起复杂的径向和切向应力系统,紧靠浆泡处的土体遭受严重的破坏和剪切,并形成塑性变形区,使土体挤密。

(2)劈裂阶段。浆液在压浆压力作用下,先后克服地层的初应力和抗拉强度,使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂,浆液由此切人,挤密土体,并与土体发生物理和化学作用,形成作为骨格的浆脉。

(3)被动土压力阶段。通过前两阶段的作用,土体得到初步加固,土中的软弱面、孔隙及裂隙都被填充满,此时浆液在较高压力作用下,克服土的被动土压力,挤密土体使其固结,同时浆脉周围的土体也被压密,形成了以浆脉网络为骨架的复合固结土体。

3.2.2压浆的应力计算

(1)砂和砂砾石地层 可按照有效应力的库仑一莫尔破坏标准进行计算:

由于压浆压力的作用,使砂砾石土的有效应力减小。当压浆压力pe达到下式时,就会导致地层的破坏:

随着孔隙水压力的增加,有效应力就逐渐减小而至与破坏包线相切,此时表明砂砾土已开始劈裂。

(2)粘性土地层 在粘性土地层中,水力劈裂将引起土体固结及挤出等现象,在只有固结作用的条件时,可用下式计算注入浆液的体积V及单位土体所需的浆液量Q:

劈裂压浆施工前,先是在基础的外侧周围布设灰土桩作为帷幕,然后在灰土桩的内侧靠近基础一边布设压浆孔。灰土桩的作用有三个:

(1)起帷幕作用,防止劈裂压浆的浆液外窜,使浆液能够进入到基础底。

(2)与劈裂压浆的浆液一起,形成一道防渗墙,阻止基础以外的水入浸路基。

(3)分担部分路基的附加应力,提高路基承载力。

劈裂压浆的浆液由水泥、黄土、粉煤灰和水所组成,将其按一定的比例配制成浆液,然后用高压泵将其压入到基础底下,完成劈裂压浆的全过程,在基础底下形成复合路基,提高路基的承载力,降低压缩性,大大地降低黄土的湿陷性。

从理论上推断,压浆后土体应为一球状,且每个球状体应相以交连,但地层的间隙、土质不可能是各项均匀,同性的浆液可能沿土层界面渗透,故在布置钻孔间距时,要综合考虑土质、孔隙、压力等因素。

路基劈裂压浆补强处理,多采用单排布孔。孔距3～5m。实际布置时,在沉陷相对较大路段应适当减小孔距,在曲线路段应适当减小孔距。此外,还应考虑路基断面形式、路基土的密室度等因素的影响。

3.4. 劈裂压浆法加固黄土路基基床应注意的问题

由于压浆目的、要求和各工程的具体条件千差万别,不同的工程只能根据自己的特点规定强度和变形要求,规定统一的强度标准是不现实的。下面仅提出几个与此相关的问题:

1. 有些浆材特别是化学浆材具有明显的蠕变性,在恒定荷载长期作用下,压浆体将随时间而产生较大的附加变形。

2. 当压浆目的为防渗时,所需浆材的强度仅以能防止水压把孔隙中的结石挤出为原则,这种情况下起作用的是结石的抗剪强度。按照抗剪破坏的原则,并假定土孔隙为有规则的平直面,如图,则抵抗水压力所需的抗剪强度为:

C=p×d/(2L) (5)

式中 C—浆液结石与孔隙壁面问的粘结力;

p—地下水的渗透压力;d—孔隙高度;L—压浆体长度。

今设p=10kg/cm2,d=0.5～1.0cm,L=100cm,代入上式得结石维持稳定所需的c值为0.025～0.05kg/cm2,此值很容易为低强度粘土水泥浆所满足,而无需采用较高强度的浆材。

3. 利用尺寸效应,可使某些低强度浆材获得很高的稳定性。在直径为d的圆形孔隙中,则由水压力p为造成的破坏力见式(6),由c造成的阻抗力见式(7):

P1=p×πd2/4 (6)

P2=c×πdL (7)

推力P1随d的二次方、阻力P2则随d的一次方增减,所以随着孔隙尺寸的减小压浆体可获得愈来愈大的抗挤出稳定性。今假定p=c•L,则稳定安全系数(P2/P1)随d的增减情况见表1。

4. 结论

在对天兰线路基下沉病害的整治中,总共完成路基补强7000米,桥头沉陷治理16处。通过近一年的观察,加固效果明显。除个别路段出现了少量下沉外,补强处理后的路基稳定,压浆法加固湿陷性黄土路基无论是在经济还是技术上都是一种切实可行、高效、经济的方案。今后应扩大压浆法路基补强的应用范围,以确保天—兰铁路线的安全畅通。

1. 从直接施工成本看,辟裂压浆法每米工程造价要比基床换填低至少150元,这就意味着每公里的投资可减少15万元。以天—兰线为例,据保守的估计,天—兰线需要进行路基补强的线路至少有100公里,全线至少可以节约投资1500万元。宝中线需要处理的路基有150公里,如果采用劈裂压浆法,至少可以节约2250万元。仅此两项就可以为全铁路局节省投资3000万元以上,经济效益十分巨大。

2. 劈裂压浆法在施工中不需要中断行车,在目前铁路运能十分紧张的情况下,可以不影响铁路的运营收入。

3. 压浆法所压入路基基床的灌浆材料是不会随时间的推移而改变,因此治理效果具有永久性。

工程实践证明,用劈裂压浆方法处理湿陷性黄土路基,可以明显地提高路基承载力,降低压缩性,使湿陷性黄土的湿陷性大大减少。劈裂压浆作为一种路基补强的施工方法具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]中华人民共和国建设部颁布.湿陷性黄土地区建筑规范.CBJ 25—90.北京:中国计划出版社1991.

[2]张登良,加固土原理.北京:人民交通出版社,1999.

[3]叶书麟,(同济大学)地基处理.北京:中国建筑工业出版社,1997.

[4 ] 钱鸿缙,湿陷性黄土路基.北京:中国建筑工业出版社,1987.