高分子材料在粉质土路基水害治理工程中的应用

李世杰

(济南鸿运铁路岩土工程有限责任公司,济南 250022)

京九线济南局管段(K372+777～K650+333),营业里程 277.556km。由于过去受“重桥轻路”设计理念的影响,京九线路基设计标准低,填料为黄河冲积形成的粉质土,土质具有粉粒含量高、黏聚力小、强度低、振动析水等特点,属 C组填料。京九线自开通以来,路基陷槽、砟囊、暗洞发育,路基下沉、路肩宽度不足、边坡溜坍等病害频发,京九线在 1997年～2006年经历的 9个汛期中(4次较大),路基共发生水害 3万多处,正线封锁时间达到 389h44min。京九线自 1997年开通以来,经历 6次提速,速度已从 60km/h提高至160km/h,列车的高速行驶对路基强度及整体稳定性的要求更高。为确保行车安全,必须采用基床封闭与边坡加固相结合的方法对京九线路基水害进行综合整治,对高分子材料在京九线基床改良中的成功经验进行简要介绍。

1 粉质土特性

1.1 路基填料物理力学指标

天然含水量 14.87%～29.60%

比重 2.62～2.78

孔隙比 0.761～0.962

液限 27.6%～31.1%

塑限 20.7%～21.4%

无侧限抗压强度 0.21～0.30MPa,饱水后强度降低40%

渗透系数 1.04×10-4～1.1×10-4cm/s

1.2 颗粒成分分析(图1)

图1 粉质土颗粒分析曲线

从图1可以看出,京九线粉质土的粒径分布曲线在整体上呈陡状。其中粒径0.075～0.005mm的粉粒含量平均超过 75%,d＜0.005mn的黏粒含量和 d＞0.075mn的粗砂粒含量平均分别不到 10%和 15%,不均匀系数Cu=1.8～2.8,全部颗粒粒径小于0.25mm。粉质土颗粒级配不良,不易碾压成型,压实系数难以达到要求。

1.3 击实性质(图2)

图2 粉质土击实曲线

由图2可知,粉质土的最优含水量远小于塑限,且击实曲线偏离饱和曲线较远,说明即使粉质土达到最大干密度,土体孔隙比仍然较大。且图2中击实曲线呈不对称形状,在最优含水量左侧,曲线呈平缓状上升,过最优含水量后,密度随含水量的增加迅速下降,说明粉质土对水具有较强的敏感性,雨季极易导致路基水害的形成。

综上所述,京九线粉质土路基填料具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等特点,颗粒级配不良,难以碾压密实。路基填料对水具有较强敏感性,汛期来临时,随着路基土含水量的增加,基床及边坡填料会迅速软化,造成强度、黏聚力显著降低,在列车荷载的反复作用下,逐渐形成基床翻浆、路基下沉、冲沟、边坡溜坍等病害。所以京九线路基应遵循基床封闭与边坡加固相结合的原则,对路基水害进行综合整治。

2 高分子材料应用

在病害整治过程中,采用边坡防护与路基基床整治相结合的方法,其中边坡采用片石或骨架护坡等传统方法,基床整治多以灰土封闭为主,在高填方地段、病害严重地段(如路、桥结合部),普遍采用了高分子材料封闭基床,高分子材料改良后的基床具有强度高、抗渗性能强等特点,且施工工艺简单、封锁点时间短,具有较高推广价值。

2.1 P.P.T高分子聚合筑路剂

P.P.T高分子聚合筑路剂是一种新型的高分子土工聚合材料,液状、可溶于水,反应后形成不溶于水的凝胶体,它依靠材料中分子间的聚合反应,形成立体网状结构,将土颗粒紧紧连结成一个整体,改善天然土的基本性能,使土体具半刚半柔特性,强度及抗渗性能显著提高。

2.1.1 材料性能(表1、表2)

表1 P.P.T土质改良试验对比

表2 P.P.T聚合土与 3∶7灰土性能指标对比

综上分析,利用 P.P.T高分子材料改良后的粉质土,15h后无侧限抗压强度提高 8倍,渗透系数降低两个数量级,粉质土性能指标提升明显。另外与传统的灰土比较,P.P.T聚合土强度高,在饱水条件下强度降低幅度小,确保了在雨水浸泡条件下路基基床更加稳定。 -20～20℃冻融 5个循环后,P.P.T聚合土强度仅降低 23%,而一个循环后灰土强度即衰减为 0,说明P.P.T聚合土具有较强耐久性。P.P.T聚合土紫外线照射 3d饱水 1d后,强度值为 28d值的 99%,说明 P.P.T聚合土抗老化能力强。通过试验分析,P.P.T聚合土的回弹模量为 448.3MPa,灰土为 857MPa,灰土回弹模量是 P.P.T聚合土的 1.9倍,说明灰土具有更强的刚度及脆性,在列车反复荷载作用下,改良基床极易开裂,丧失封闭作用。而 P.P.T聚合土具有较好的韧性,在路基产生不均匀沉降时,它伴随产生一定的变形,而不发生脆性断裂,从而大大延长了改良基床的使用寿命。

2.1.2 材料配制工艺

P.P.T材料由原料 S、地材 T、交联剂 B、引发剂C、D、E以及水按一定比例配制而成。原料 S:液状,量产产品,国内外化工市场均有销售,产品性能稳定;地材 T:土木工程领域普遍使用,使用时选用含杂质少的部分。交联剂 B:粉状,原料大多依靠进口,价格偏高,配制前先与水配成溶液。引发剂:C、D为粉状化工产品,化工市场普遍有售,E为液状化工产品,使用时分别与水配成溶液。

配制流程:第一步,反应池注水,按比例加入原料S、地材 T,搅拌均匀,充分反应并冷却后形成主料装桶。同时配制交联剂 B水溶液,引发剂 C、D混合水溶液,以及引发剂 E水溶液,分别装桶。第二步,施工前2～5h将交联剂 B水溶液按比例添加至主料桶,然后将所有料桶运至施工现场。第三步,线路封锁、拆除道床、基床摊铺粉土后,分别将引发剂 C、D混合水溶液,E水溶液按比例加入主料桶,搅拌均匀后泼洒至基床与粉土充分混合。

2.1.3 施工工艺(图3)

图3 P.P.T封顶施工工艺流程

2.2 UFA高分子聚合筑路剂

UFA高分子聚合筑路剂是在京九线水害治理项目中应用的高分子材料之一,该材料是一种新型优质的土壤固化材料,具有强度高、韧性好、胶凝时间可调、抗渗性能强等特点。

2.2.1 材料性能(表3)

表3 UFA高分子聚合筑路剂性能指标汇总

2.2.2 材料配制工艺

UFA材料由两种化工原料 S和 N、两种引发剂 D和 E以及水按一定比例配制而成。原料 S、N:液状,量产产品,国内外化工市场均有销售,产品性能稳定;引发剂:C、D为粉状化工产品,化工市场普遍有售,使用时分别与水配成溶液。

配制流程:第一步,原料 S、N按使用计量分别装桶,同时配制引发剂 D、E水溶液,分别装桶,然后将所有料桶运至施工现场;第二步,线路封锁、拆除道床、基床摊铺中粗砂后,分别将原料 S,引发剂 D、E水溶液按比例加入原料 N料桶,搅拌均匀后泼洒至基床中粗砂表层。

2.2.3 施工工艺(图4)

图4 UFA封顶施工工艺流程

3 施工注意事项

P.P.T、UFA两种高分子聚合筑路剂具有凝胶时间可调的优点,非常适合既有线基床改良施工,材料引发后可在较短时间内凝胶提升强度(既有线合理凝胶时间 10min左右),凝胶 3～5min后即可上砟恢复线路并立刻通车。试验发现环境因素对材料的反应时间与凝胶质量影响较大,施工中注意事项如下。

3.1 温度

以上两种高分子材料在施工过程中,一般控制凝胶时间在 10min左右,但其凝胶时间受温度影响比较大,引发剂在相同数量下,凝胶时间夏天比冬天快,中午比早晚快,在温度与凝胶时间曲线中,随着环境温度的升高,凝胶时间逐渐向骤减趋势发展,曲线呈陡降形状。极端环境下,施工环境温度高于 35℃,低于 5℃时,建议不施工。

3.2 光照

室外小试过程中,材料在试杯内配制完成后,往往都是近光面首先出现浑浊并凝胶反应。根据这一现象,进行了大量的对比试验,在环境温度相同时,光线直接照射情况下施工时材料凝胶时间要比无光线照射情况下减少 30%左右,施工时应着重考虑有无日晒影响。

3.3 砂、土含水量

施工时,需改良的粉质土以及铺垫的砂子,一般均外运而来,所以受土源以及降雨影响,每天施工用的土、砂含水量往往差别较大。每次施工前都要对拟用砂、土测定即时的天然含水量,然后再计算引发剂的添加量,避免砂、土含水量过高、过低影响引发剂在高分子材料土中的实际浓度,直接影响材料凝胶时间。经试验,粉质土天然含水量低于最优含水量 30%时,应洒水拌和处理;雨天粉质土天然含水量较高时,可按照湿土重的 1%～3%比例掺加普通硅酸盐水泥,以加快凝胶速度。

以上为 P.P.T、UFA两种高分子材料在实际应用中总结出的施工注意事项,实际应用中往往多种影响因素同时出现,材料对于以上因素也表现出极强的敏感性,如夏季施工,引发剂的添加量仅有 10%的改变,材料的凝胶速度则会出现成倍的改变,所以施工中应养成对照曲线,勤做小试的习惯。低温多雨季节施工可在土、砂中适量掺入水泥等无机材料,以加快高分子材料的凝胶速度。

4 应用效果

目前,P.P.T、UFA两种高分子材料已在京九线成功应用营业里程 16km,施工路段的路基病害经处理后,经过多个雨季的运营,边坡稳定、线路几何尺寸保持良好,雨季没有新的病害发生、发展。其中京九线黄河大桥南北两侧桥头路基长 720m,路堤高 13～14m,治理前路基平均沉降量 200mm,陷槽平均深度 210 mm,砟囊、暗洞发育,大部分地段路肩已完全坍塌,局部路肩有纵向裂缝揭示,裂缝平均宽度10mm,长度65 m。设计采用 P.P.T高分子聚合筑路剂封顶施工,基床改良厚度 0.1m,全宽铺设,工期 2个月。2009年汛期,治理后的路基基床排水顺畅,路基稳定,达到了治理水害,加固路基的目的。

5 结论及建议

大量的试验与施工应用证明,P.P.T、UFA两种高分子材料强度高、抗渗性能强,封闭基床效果良好。材料凝胶时间短、强度提高快,在既有线基床改良工程中的适用性强。两种高分子材料抗老化、耐久性能强,大大延长了材料的使用寿命。通过效果检查,高分子材料的研制与应用在京九线取得了成功,达到了治理粉质土路基水害的目的。为使材料与工艺更加完善,对今后发展建议如下:

5.1 推广应用

P.P.T、UFA两种高分子材料的研制与成功应用,丰富了既有线路基水害的治理手段。黄河沿岸,地质情况多为粉质土分布,应用高分子材料改良粉质土的成功经验,在下一步的工程实践中,可以不断推广至公路、水利以及新建线领域,扩展应用至治理翻浆冒泥、止水、提高路基强度、膨胀土改良等工程项目,为岩土工程行业开发新材料、应用新技术提供借鉴。

5.2 降低造价

从长期维护成本分析,高分子材料的使用成本不会高于目前既有线封顶普遍采用的灰土材料,但是高分子材料因其原材料价格高,目前存在一次性投入费用较高的缺点,为快速推广形成一定障碍。下一步应继续加大调研工作,反复试验,改良主材结构及材料配比,在满足使用条件下材料成本不断降低,使新材料、新工艺在工程实践中不断推广应用,更好地服务于铁路建设。

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