京九线粉砂土路基病害原因分析及综合整治措施探讨

石 浩 上海铁路局阜阳工务段

京九线粉砂土路基病害原因分析及综合整治措施探讨

石 浩 上海铁路局阜阳工务段

根据京九线粉砂土路基土体特性和病害类型，分析原因，提出瓜子片覆盖边坡、种植香根草加固护道、铺设土工布封闭基床等路基加固与病害整治综合技术并实施，提高了路基土体强度和抗洪能力。

粉砂土路基；病害原因分析；综合防治

1 设备概况

管内京九线路基土质变化大，填料由北向南分别为粉质粘土、砂粘土和膨胀土，其中K718＋300～K748＋300长30.6km，属粉质粘土，路堤高度2m～12m，边坡种植紫穗槐防护，开通运营后少部分地段采用干砌或浆砌片石加固（见表1）。

表1 京九线粉土路基边坡防护一览表

2 病害类型特征

自投入临管运营以来，粉土路基病害突出，主要有边坡冲刷、边坡溜塌和基床陷穴等类型。均在汛期集中暴雨而发生，病害发展速度快、分布范围广、突发性强，对行车安全威胁大。

病害具体表现为：

（1）紫穗槐防护地段：受雨水冲蚀，土颗粒悬浮、流失，在坡面根部间形成冲沟或冲坑，直至把紫穗槐连根带走。

（2）干砌护坡地段：水从坡面石缝流出，坡下土体被水淘空，多处发生片石砌体大面积变形、下陷。

（3）浆砌片石地段：雨水沿路基面流入护坡碎石垫层，水携带粉质粘土，土体从淘空的基础底部流失，整个砌体表面无大的变化迹象。

（4）路基与桥涵结合部：护锥冲空，路桥结合部道心产生空洞，轨枕悬空。

3 病害原因分析

粉砂土路基病害发生的原因与土质物理力学性质、列车动荷载、持续降雨量、降雨强度以及雨水流径等因素有关。

3.1 坡面冲刷

粉土中粉粒含量约占80%，以石英、长石为主；粘粒含量占15%，以蒙脱石、水云母为主。其内摩擦角大，粘聚力较低，土体渗透系数高，抗冲蚀性差。粉质粘土颗粒的分子间相互作用，水胶连接和结晶物质的作用较弱。当颗粒吸水后，颗粒间粘聚力和摩擦力减小，抗剪强度降低。列车动荷载作用下还会发生触变现象，以及在地表径流冲蚀搬运等综合作用下，坡面形成条状鸡爪冲沟或冲坑，雨量达到一定值时，还可能产生边坡溜坍和塌方。

3.2 潜蚀破坏

当粉砂土基床产生裂隙，雨水下渗，在列车动荷载下使自由水承受一定荷载，使其具有较高水压力，对周围土颗粒有渗透和劈裂作用，当自由水流出路堤时，水在路堤中形成通路，雨水定向汇集，产生水流潜蚀，造成边坡溜坍和砌体坡面下沉、冲空。

3.3 路基陷穴

一般集中在桥台后、平改立线桥结合部，主要原因有两个：一是路基面与箱涵底高差3m～6m，水位高差大，在抽水、排水过程中，地下水下降，漏斗中心部位水位差加大，促进水在土体中的渗透与冲蚀作用，产生流砂现象。如果受暴雨作用，其颗粒间粘聚力、抗剪强度均降低，流砂将会从土体中较薄弱处形成通道涌出，形成潜蚀破坏，导致陷穴产生。二是路桥结合部回填土密实度不足，为潜蚀破坏创造了条件，易形成渗蚀通道，造成陷穴。

4 综合整治方案

为彻底消灭京九线路基病害，路局及我段多次进行现场调研，由于粉砂土路基的基床陷穴、边坡坍塌等病害均因排水不良所致，因此整治方案必须统筹考虑以下因素：

（1）只有同时对路基基床及边坡一并整治才能取得彻底整治效果。

（2）对边坡护砌处理中反滤层设置是关键，反滤层必须级配良好且厚度在0.2m以上，如果反滤层不当，粉砂土可以从水孔流出，甚至穿过浆砌基础底部流出边坡。

（3）处理基床陷穴时排水板隔断雨水下渗径，以免雨水从路肩下渗引发边坡坍塌。

经反复研究比选，提出加固和病害整治技术方案如下：

4.1 边坡病害

（1）方案一：级配碎石覆盖

在京九线K721+900～K729+800，采用级配碎石整治路基边坡冲刷、坍塌等病害，该方案主要在高度小于5.0m的路基。

级配碎石来自采石厂生产的石灰岩道碴，经分筛设备系统加工而成的。其石灰岩的物理力学性能要求如表2。

表2 级配碎石的物理力学性能表

级配碎石的要求和作用机理：覆盖厚度不小于50cm，粒径小于2cm～5cm的颗粒重量占总重的69.4%～71.9%左右，含灰量（粒径＜0.1mm）占总重的9.9%～20.0%，坡度1:1.5～1:1.75。碎石在自重作用下与坡面、地面土体形成平衡体，当降雨时，雨水直接作用在碎石体表面，大大减少雨水对边坡土体表面的直接冲蚀，雨水与坡面以渗透方式接触；而石灰岩碎石中的CaCO3粉末遇水与碎石颗粒形成一层反滤、渗水的柔性保护壳，使路基面和渗入的雨水，沿坡面反滤地流出坡脚。

我们在达到稳定状态的地段对级配碎石进行筛分试验，分析路基边坡碎石的颗粒组成，含灰量和容重，从而确定路基边坡稳定状态下，对碎石的级配要求。

碎石筛分结果见表3，稳定状态下的碎石级配曲线见图1，含灰量与容重的关系曲线见图2。

表3 碎石筛分结果表

图1 碎石级配曲线

图2 含灰量与容重的关系曲线

通过曲线图和现场稳定状态分析得出：⑴颗粒较大，含灰量较低，碎石边坡不能形成柔性保护壳，边坡处于较稳定状态；⑵颗粒较小，碎石边坡能形成柔性保护壳，但易局部产生较深的冲沟和坍塌现象，不利于稳定。

根据以上结果分析，得出最优的碎石级配为：粒径＞5mm颗粒占28.1%～31.6%；粒径5mm～2mm颗粒占34.20%～43.3%；粒径2mm～0.5mm颗粒占13.0%～15.0%；粒径0.5mm～0.1mm颗粒占0.1%～0.2%；粒径组＜0.1mm颗粒占9.9%～22%，干容重平均在15.7kN/m3左右。这种级配易形成柔性保护壳，利于表面草皮、紫穗槐等植物生长，边坡处于稳定状态。

（2）方案二：种植香根草防护

香根草以其独特的生物特性，一般草本植物无法具备的工程特性以及许多草本植物不及的生态特性，成为优良的水土保持植物。同时由于其深根性，大大提高土壤的剪切强度，而且生态、经济效益显著。

香根草根庞大且深扎，剪切强度及穿扎能力强，犹如"土壤铆钉"，可有效地网络土体和聚合土体。香根草根的抗张强度是一般钢材的极限强度的六分之一即75MPa。耐极度干旱和洪涝，适应降雨量200mm～3000mm，适应温度-15℃～50℃，适应PH值3～11的范围。该方案主要应用于路基护道等其他方案施工困难的部位。

4.2 基床陷穴

处理发生在立交桥、排水设备渗漏和圬工护砌地段基床薄弱处所的基床陷穴病害，我们采用混凝土封堵空洞与封闭基床相结合的方法。

具体工艺流程：封锁线路---开挖道床---清理空洞（隙）---灌注砼并捣实---封闭基床---回填道碴----恢复线路

（1）混凝土灌注

路桥结合部由于施工工艺、结构特点和自然环境因素影响，往往存在空隙和空洞，是雨水流通的通道，该通道的存在加剧了陷穴的产生，必须将空隙填实。灌注材料采用C10砼；配合比：水泥（普硅水泥325#）︰砂︰碎石=1︰2.6︰4。

施工中应注意严格按配合比配制砼，充分搅拌，连续灌注，做到均匀、密实。

（2）基床封闭

基床封闭就是在基床中换填中粗砂，砂层中铺设宽幅隔水材料，隔断雨水下渗。该方法既可用既有病害的处理，控制接合部陷穴的发展，也适用于新顶进立交桥桥涵的两端路基的防护加固。

施工方法是人工分段开挖至基面，垫砂铺布，回填道碴，恢复线路。技术要求：开挖深度不小于0.55m，至基面，垫砂厚度为0.25m。采用土工布封闭基床，梁式桥土工布须铺设至桥台胸墙处，涵洞要全覆盖，铺布必须整平，宽度超过路肩外侧，深入路肩以下0.1m，以利雨水从路基坡面排出。铺设位置距枕底不小于45cm，中间搭接长度为0.5m，下层垫砂厚0.15m，上层垫砂厚0.1m；基面及土工布设4%排水坡，土工布宜采用耐老化、韧性好的新材料。

4.3 综合防治技术

根据管内路基设备实际情况，综合上述方法制定综合防治技术方案，如表4。