南百段膨胀土路基病害概况及防治措施

桂彬,王勇,王月中,马永政

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;3.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;4.宁波工程学院，浙江宁波315016)

南百段膨胀土路基病害概况及防治措施

桂彬1,2,王勇2,王月中3,马永政4

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;3.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;4.宁波工程学院，浙江宁波315016)

膨胀土地区的路基基床经常出现路基变形、翻浆冒泥、道渣基床土挤出等病害问题。目前，对于膨胀土基床病害的治理主要采用传统方法从设计和施工方面降低膨胀土干缩湿胀带来的不利影响。施工中路基封闭宽度不足、换填深度不够以及换填改性土质量差等问题是采用传统方法整治达不到预期效果的主要因素。通过对南昆铁路线南百段沿线的气候、水文气候条件、膨胀土特性、列车荷载影响等方面的分析，探讨了膨胀土地区铁路路基基床病害的原因，并在整治中使用粉煤灰石灰黏土制作了改性土分层碾压，用地蜂窝固砂，加大土层封闭宽度，侧沟下新修盲沟排水以及在强膨胀土路段用石灰桩处理下沉路基的方法，效果显著，可为同类工程提供借鉴。

路基基床病害;膨胀土;铁路路基

近年来随着我国铁路建设力度的加大，铁路线总里程数节节攀升，列车运行速度不断提高，这就对铁路基床安全稳定提出了更高的要求。据资料显示，膨胀土遍布我国20多个省区，全国有上万公里铁路线通过膨胀土地区。科研工作者对膨胀土性质，填筑路堤时所产生的基床病害、路堤遛塌，挖方时造成的堑坡破坏变形进行了研究，并取得了一定的成果。胡景致[1]、吴志平[2-3]对膨胀土铁路基床病害进行了原因分析；张旭芝等[4]407从施工工艺方面找出了土层改良方法；周健红[5]从膨胀土矿物化学成分方面研究了土质改性方法。本文在前人研究的基础上，对膨胀土铁路基床病害尤为严重的南昆线南百段进行病害原因分析，并提出了解决方法。

1 工程概况

1.1 地质地貌概况

南昆线南百段膨胀土均分布在以第三纪泥岩、砂质泥岩为母体的岩土底层上，其中：南宁盆地属上第三纪(N)地层；百色盆地属下第三纪(E)地层，并多分布在II级及以上阶地。膨胀土地区地貌主要为微起伏的低丘缓坡和波状垄岗地貌，岗顶平缓、浑圆，起伏小于20 m，地面坡度小于10°，与宽坦洼地相间，无天然沟谷，这是外业判别膨胀土地区的一个标志[6]。

南宁盆地受控于老第三纪开始的西北—东南和东北—西南两组断裂，平面呈V型。铁路沿线在盆地上的分布为湘桂线屯里至江西村行走在盆地东支，江西村后转折为盆地的西支。盆地中沉积了厚约100 m的老第三纪河湖相沉积物砂铄泥岩和厚约900 m的新第三纪含煤碎屑岩。新第三纪盆地上升，与线路密切相关的断层有：隆安断层，长约20 km，走向NW，倾向SW，倾角60°～70°，间距约200 m，线路于K50+600、K75+463处与断层相交；镇西河正断层，长约8 km，走向NW，倾向NE，倾角45°，与隆安正断层组成地堑式构造，线路于K73+100、K73+890处与断层相交；何德正断层，呈弧形，长约26 km，线路于K79+800处与断层相交。

1.2 病害情况

既有线路南昆线建于20世纪90年代，通车于1997年，总长276 km(图1)，经过的大部分是膨胀土地区。其中南宁—百色段膨胀土地区路基基床病害严重，主要表现为不均匀下沉，道渣囊、道渣槽挤出，翻浆冒泥等。

图1 南昆线总运营图

南昆线基床病害主要有以下3个特点：

1) 难治。南昆线中膨胀土地区的换填深度一般是0.5～1 m，沿线经常翻浆冒泥，基床土挤出，主要原因就是膨胀土的工程性质差。

2)发展快。膨胀土基床病害不是孤立的几个点，而是几十米、上百米大段出现。据统计[7]1-2，仅1997年11月30日至1998年8月，南宁百色段就产生路基病害127件，总计延长米15 760 m。

3)易反复。膨胀土由于其涨缩效应的影响，其强度可分为早期强度和长期强度，强度衰减容易受外部条件影响，因此其强度是变化的，一次整治很难根除病害。

2 线路上膨胀土特征

2.1 矿物成分

1)矿物成分含蒙脱石极少，X射线衍射图中蒙脱石反应并不强烈，含水(绢)云母≤30%的土基本不具有膨胀性。其主要成分为石英(≥45%)、高岭石(10%～15%)、水(绢)云母(≤30%)，主要分布于三叠纪(T2)地层和第四纪(Q4)地层、K115+306、K119+000、南化站、K208+215桩下等。

2)高岭石≥90%，或只含部分或少量水云母、稍含蒙脱石的土样，呈较弱的膨胀性，如K39+346、K129+125等，主要分布于第四纪地层中。

3)水(绢)云母≥80%，或者水云母≥50%，又含一定数量蒙脱石(在X衍射曲线中有反应，但不强烈)的土，具有中～弱膨胀性，所属母岩地层主要是下第三纪那读组(E2～3n)、伏平组(E2～3f)、建都岭组(E2～3j)地层，如K194+300路堤桩下、K200+892堑底等。

4)水云母≥50%，且蒙脱石含量较多(X射线衍射明显)的土，如K78+348路堑、K132+696路堑、K134+706路堤、K136+000路堑、K197+952路堤等，主要分布于下第三纪(E2～3n，E2～3b)地层以及部分上第三纪(N)的地层中，南昆线膨胀土多属于此类型。

5)蒙脱石≥87%，X射线衍射反应强烈，高岭石≤10%、石英≤10%的土，具有强膨胀性，该样为K209+540挖抗滑桩的弃土，可能落入膨胀土矿层内。

6)以堑底和堑坡为代表的林逢站土样，其黏土矿物的鉴定结果为：水云母≥50%，且含有少量蒙脱石成分。同时，对其黏土矿物的化学分析结果显示，SiO2与Al2O3的分子比率为3.17～3.2，SiO2与(Al2O3+Fe2O3)的分子比率为2.66～2.7，黏土矿物的阳离子代换量每100 g达48.5 mmol，说明该站区的膨胀土以伊利石(水云母)为主要膨胀矿物。

7)石英≥40%以上(如T2)的地层，属于非膨胀土。

2.2 化学成分

南昆线膨胀土的土样化学成分均符合一般膨胀土化学成分分类特征。南宁盆地K0—K79的土样SiO2含量略低于百色盆地的土样，但南宁盆地土样的Al2O3为25.8%～38.0%，CaO为1.94%～6.16%，MgO为1.1%～4.08%，明显高出百色盆地土样(Al2O3为22.4%～29.4%，CaO为1.4%～2.8%，MgO为0.68%～2.28%)。由中～强膨胀土的主要黏土矿物氧化物的分子比率SiO2/Al2O3为3.0～3.3，SiO2/(Al2O3+Fe2O3)约为2.9来看，沿线膨胀土的主要黏土矿物基本为伊利石(水云母)，而较弱膨胀土和非膨胀土的主要黏土矿物为高岭石，即SiO2/Al2O3为2.0～2.2，SiO2/(Al2O3+Fe2O3)约为2.1。由此可知，南昆线K0—K210段沿线膨胀土的物质成分主要有2种，一种是完全由蒙脱石主导，带少量(含量低于10%)高岭石、石英的强膨胀土，另一种是以伊利石(水云母)为主，加高岭石、石英，并含有一定数量或少量的蒙脱石，呈中～强、中～弱膨胀性，伊利石、水云母为主要致膨胀物质，它们是铁路沿线分布最多的，而前者分布较少，仅在K208+540处见到。以石英含量为主的T2地层膨胀性最弱。

2.3 颗粒成分特点

膨胀土的矿物成分是以黏土矿物为主，其颗粒成分主要是细颗粒，黏粒(≤0.005 mm)和胶粒(≤0.002 mm)的含量影响其各项物理力学性能(表1)。

表1 黏粒和胶粒含量分布表

2.4 物理参数

2.4.1 膨胀特性

膨胀特性见表2。

2.4.2 天然含水率和干密度

天然含水率和干密度值见表3。

下第三纪(E)地层中的土含水量变化范围最大，远超第四纪(Q)地层，具有强膨胀性，而Q地层具有弱膨胀性或非膨胀性。

2.4.3 液限

液限指标见表4。

表3 天然含水率和干密度

表4 液限

2.4.4 塑限Ip

南宁盆地Ip为11.0%～36%，大部分为20%～35%；百色盆地Ip为8.3%～28.5%，大部分为17%～27%。

2.4.5 膨胀力Pp

一般来说，膨胀性越强，膨胀力越大。本次试验未做原状土和重塑土极限膨胀力实验。同一地点的土样相比较，得出的范围值有差异，如中～强类原状土Pp为20～180 kPa，平均为57.8 kPa，重塑土Pp为30～200 kPa，平均为103.75 kPa；而中～弱类的Pp范围值，原状土为10～380 kPa，平均为152 kPa，重塑土为10～210 kPa，平均为90.83 kPa。但是，若采用同一地点土样做原状土和重塑土试验，中～强膨胀土Pp平均值为45.56 kPa，重塑土为110 kPa，重塑土/原状土为2.41；中～弱原状土Pp平均值为166 kPa，重塑土为121 kPa，重塑土/原状土为0.73，其结果与中～强膨胀土不一致。其原因是，中～强膨胀土初始含水率原状土平均为23.69%，重塑土为19.24%；中～弱膨胀土原状土初始含水率平均为17.64%，重塑土为17.6%。中～弱膨胀土的初始含水量较中～强膨胀土低，因此膨胀力较高。非膨胀土原状土Pp为30～220 kPa，平均为120 kPa，重塑土为10～60 kPa，平均为35 kPa。膨胀性原状土的膨胀力比重塑土的膨胀力变化范围大，这与初始含水量相关，初始含水量越小，膨胀力增大。不同膨胀性土在相同或相近含水量时，膨胀力越大，反映了其膨胀性越强。

2.4.6 膨胀土的收缩性

线缩率esl随膨胀土膨胀性的增强而加大，随膨胀性的减弱而减小。中～强膨胀土的原状土线缩率为1.4%～7.9%，平均为4.63%；重塑土线缩率为2.5%～6.2%，平均为4.95%。用同一土地点的土样做试验，原状土线缩率平均为5.17%，重塑土平均为3.92%，重塑土/原状土为0.76。中～弱原状土，线缩率为0.4%～5.4%，平均为2.21%，重塑土为2.3%～5.0%，平均为3.65%。用同一地点土样试验时，原状土平均值为2.26%，重塑土为3.57%。中～强膨胀土与中～弱膨胀土线缩率比值：原状土为2.25；重塑土为1.1。非膨胀土esl值原状土为0.6%～1.3%，平均为0.83%；重塑土为0.5%～3.6%，平均为2.01%，远低于膨胀土。

3 基床病害原因分析

基床是指路基上部受列车动力作用和大气影响较大的一层。在同样的条件下，膨胀土地区的基床病害比其他地方要严重得多，就是因为膨胀土的工程性质很差。产生基床病害的因素也是多方面的，最主要的是列车的重复动荷载、排水条件和土体性质[8]。作为路基基床，列车作用是一定的，而水对膨胀土的影响极大[3]56-57。南昆铁路南宁—百色路段处于亚热带气候，雨量充沛，日照时间长，年平均气温高，且蒸发量大于降雨量，旱季时一般为2∶1～6∶1，最大值为8.14∶1，加速了膨胀土的涨缩性循环，使膨胀土的强度衰减快，这是地段路基病害发展快的一个重要外部条件。

膨胀土地区基床病害的种类和其他土中产生的种类并没有太大差别，主要是道渣囊、道渣槽挤出，不均匀下沉和翻浆冒泥等，以南昆线基床病害调查来看，有难治、发展快、易反复的特点。同时南昆线在设计施工方面还存在以下问题：

1)设计缺陷。1995年2月铺轨并开始运营工程列车后不久，即开始出现基床翻浆冒泥病害，沿线换填渗水土厚度经常达不到要求，还有的试坑换填材料为不合格填料。从取样颗粒分析中看出，细颗粒含量小于30%的填料占了70%，其余填料的细颗粒含量超过30%，按规范规定，细颗粒含量超过30%的C类土不符合换填材料要求。从前述调查结果看，即使换填材料和换填厚度达到设计要求，也同样会出现病害，说明设计存在一定不足。

2) 施工质量。石灰土、二灰土、换填土的厚度及搅合均匀程度都达不到设计要求，尤其是雨季施工时不注意防水，造成基床换填土层下出现干湿循环效应，土体呈软塑状态，含水量高，导致病害发生。设置的一些排水孔没有起到作用，是由于列车压力大，基床变形，导致路段的排水能力下降。在土工布封闭地段，因施工问题，导致部分封闭层破坏，水下渗后土体软化，强度降低。同时，与换填渗水土质量也有关系，有些地段经调查后发现换填土为弱膨胀土，属D类土，用作基床填料，不可避免会导致病害。

4 基床病害整治

路基是轨道基础，基床又直接承受列车压力，因而基床病害可能危及行车安全[9]。

目前，基床病害整治大多采用一些传统方法，如换填河砂、三合土、二灰土。换砂加土工格室，用氯丁橡胶、塑料排水板、涂塑土工布封闭，结合纵横盲沟排水等措施[3]57。还有采用劈裂注浆法[4]408，用高压将水泥和其他化学混合物压入土层，在高压下周围土层会被压力切开，化学混合物或水泥可以沿着被切开的缝隙灌入土体，明显改善土层性质，提高基床稳定性[10]。基床换填深度与列车动力作用及水文气候影响有关，根据路基基床用1/5模型做激振试验，采用动荷载50～80 kN，加荷频率3～8 Hz，振动的结果为动应力在横向分布中道中最大，并向两侧路肩方向逐渐衰减，竖直方向上以路基下15～17 cm处应力最大，并随着深度增加逐渐衰减[7]23，根据规范要求，在挖除基床软塑土层的条件下，强膨胀土的换填深度不少于0.8 m，弱膨胀土换填深度不少于0.6 m。

在土层封闭方面，由于现采用的隔水层主要是石灰石石渣，当隔水层粉化后，水从隔水层上方逐渐渗入下方的膨胀土中，引起膨胀土膨胀，导致基床病害发生[11]。因此，应该使用透水性差的土工合成材料作为隔水层。

另外有实验[12]表明，如果土的化学成分中钾、钠、钙、镁等碱金属含量高，有可能使伊利石变为蒙脱石，导致膨胀土中的亲水矿物含量进一步增加，亲水性增强，工程性质降低。而用石灰和粉煤灰处理后，膨胀土颗粒胶结物中的Ca2+明显增加，使颗粒间联结力增大，膨胀性和收缩性减小，因此用石灰、粉煤灰对膨胀土进行改良效果较好。

4.1 K37+150—K41+650

此路段属于中～弱膨胀土地段，基床土外挤，道床隆起已压到路肩上，基床变形严重。整治时，在基床表层下换填0.6 m厚的A组填料，二层为A、B组填料或改良土0.4 m，三、五层为0.05 m的厚中粗砂，四层为复合材料防排水板[13],如图2所示。

①0.6 m厚A组填料；②0.4 m厚A、B组填料；③0.05 m厚中粗砂；④复合防排水板；⑤0.05 m厚中粗砂。图2 中～弱膨胀土路段基床治理图(单位：m)

其中在K37+780—K37+830路段的路基病害已经由边坡发展到基床，在此路段整治中，左侧边坡设置土钉墙，右侧设置土钉方格网防护，坡脚做浆砌片石挡墙。

4.2 K134+700—K140+100

该路段土质性质极其恶劣，属于中～强膨胀土，在设计时已采用了各种措施，如：挡墙、抗滑桩、锚杆、土钉墙挂网喷浆、基床土质改良等，但是仍然出现了路线下沉、钢轨扭曲等情况。在基床整治中填深度至1.9 m，1.3 m下采用两层中粗砂复合土工膜封闭，基床面层为0.6 m厚A组填料，并在侧沟底部设置纵向盲沟，如图3所示。

①0.6 m厚A组填料；②0.4 m厚A、B组填料；③0.3 m厚A、B组填料；④、⑥、⑧、⑩0.05 m厚中粗砂；⑤、⑨复合土工膜；⑦1 m厚A、B组填料；纵向盲沟。图3 中～强膨胀土路段基床治理图(单位：m)

4.3 林逢车站

林逢车站地质区域属于强膨胀土范围。站内三道全部病害严重，基床下沉外挤，钢轨变形。分别对三道进行病害整治。一道整治采用直径为0.16 m、长度为1.8 m的石灰桩，间距为0.9 m，垂直线路方向为0.7～0.9 m，并且在桩表面覆盖0.05 m厚的中粗砂和复合排水板隔水，如图4所示。

图4 林逢站一道整治

二道整治采用生石灰、粉煤灰、黏土制作改性土分层碾压，配比依次为2∶2∶21，每层碾压厚度不超过0.3 m，直到压实度为95%，换填深度为0.6～0.8 m，用大揭盖法施工，如图5所示。

图5 林逢站二道整治

三道整治采用换填中粗砂并加入复合排水板的方法。挖除道渣后，先铺设0.05 m厚的中粗砂，然后铺上复合排水板，再铺上0.53 m厚的中粗砂。施工中可以采用预留沉降高度的做法。在K135+900—K135+960段，由于该路段有翻浆冒泥现象出现且有水涌出，为了加固中粗砂，在原处理方案上增加4 m×5 m×0.15 m(长×宽×高)的地蜂窝处理，如图6所示。

图6 林逢站三道整治图

整治工程完工后，经历了2个以上旱季雨季交替，暂时未发现病害有复发迹象，工区养护工作明显减少，只需要进行普通养护，线路上的原慢行点基本撤销。从施工结束后到最后一次观测发现下沉量很小，仅在林逢站一道出现7 mm的下沉量，并且趋于稳定。经扒开基床断面检查，换填土没有发现明显裂缝。地蜂窝加固地段的基床承载力已达到0.3 MPa，满足高速重载铁路要求。在其他整治地段的基床承载力也已经超过了240 kPa，至此，整治工程已达到了预期效果。

5 结语

基床病害在铁路工程中极其普遍，它是铁路病害整治的重点，与换填的基床土和部分施工质量有关，换填渗水土的地段有的带有弱膨胀性，施工中换填的石灰土、二灰土厚度不够，搅拌不匀。另外，封闭层只有4 m宽，两侧有近1 m未做封闭，雨水下渗水直接与膨胀土接触，换填层下出现干湿循环搅动层，呈软塑或稀泥状，这也是导致病害的一个原因。

应用土工合成材料做隔水层或者采用石灰、粉煤灰改良基床土的性质，减少气候对膨胀土涨缩性的影响可以取得良好的效果。对于中～弱膨胀土路段采用换填A、B组填料，并且加入复合防排水板的方法可以显著改变基床工作环境；在中～强膨胀土路段，采用换填A、B组填料加上双层复合土工膜并在边沟底部设置纵向盲沟的方法处理基床可以取得比较好的效果；在林逢站内的一道基床下沉外挤路段使用石灰桩处理，二道用生石灰、粉煤灰、黏土按照一定配比做出改性土作为换填料，并分层碾压至压实度达到95%，在翻浆冒泥并且有水涌出的三道加入地蜂窝(土工格室)处理可以使基床稳定。这些措施在本次整治工程中取得了较为良好的效果。

膨胀土路基的加固、防治工程，由于受诸多因素影响，仍有可能出现反复病害，要使其稳定特别是基床稳定仍需要相当长的时间。

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责任编辑：唐海燕

Subgrade Disease Treatment for Expansive Soil on Nanning-Baise Railway Line

GUI Bin1,2,WANG Yong2,WANG Yuezhong3,MA Yongzheng4

(1.School of Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology,Guilin 541004;2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,430071;3.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001;4.Ningbo university of technology,Ningbo 315016)

Diseases such as subgrade deformation,mud pumping and lag soil extrusion can be seen in roadbed in the expansive soil area.Currently,traditional methods of design and construction are adopted to reduce the bad effect of material shrinkage and bulking effects brought about by expansive soil.The major reasons of not having met desired effect can be attributed to insufficient subgrade width and replacement depth,and low quality of replacement soil.Based on analysis of climate,hydrology,expansive soil characteristics and train load along the Nanning-Baise railway line,causes of subgrade diseases of expansive soil have been proposed.Treatment like applying fly ash lime clay to make modified soil for layered rolling,reinforcing sand by geocell,broadening subgrade width,building additional drainage below side ditch and treat sunken subgrade by building lime pile along the strong expansive soil section have been proved to be effective and can be applied to similar projects.

subgrade disease;expansive soil;railway subgradey

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.02.001

2016-12-15

国家自然科学基金(51579237)；湖北省科学技术厅自然科学基金(2011CDB407)

桂彬(1990— )，男，硕士研究生。

U216.42+1

A

1671- 0436(2017)02- 0001- 08