既有铁路线粉土路基分析及处理试验

姚殿梅，周 彬

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2.中交第二公路工程局有限公司，陕西西安 710064）

铁路路基是轨道的基础，也是整个行车系统的重要组成部分，其状态良好与否直接影响到列车行进中的平稳、安全。中国铁路既有线由于其建成时的标准偏低，在不良土质条件、气候水文环境及列车动荷载作用下，各种路基病害频繁发生。随着列车不断提速、行车密度增加、牵引质量及车辆轴重加大，加剧了线路和列车的振动，加快了路基的累积变形和疲劳破坏，会导致铁路线路的各种病害，尤其是广泛分布在黄淮海平原地区的粉土路基。

粉土作为一种特殊的路基填料，具有弱可塑性、低粘结性和高分散性等特点，工程性质极不稳定，被现行铁路路基规范列为C类填料，不适合填筑路基基床［1］。但由于早期缺乏对粉土特殊工程性质的深入认识，中国既有的几条重要铁路干线均采用了该类土填筑路基和基床。肖军华［2］指出：当线路平顺性较差、路基压实系数不高时，粉土路基的长期沉降随列车速度提高及列车荷载作用次数增加而线性增长。因此，粉土路基在列车动荷载和基床土质湿度增加的共同作用下会形成病害，给高速铁路路基的稳定性带来很大的隐患。

为增强粉质土路基的稳定性，往往用土壤固化剂对粉土进行稳定，土壤固化稳定就是通过采取一定的物理化学方法和相应的技术措施改善土的物理力学性质，综合提高土的强度、刚度和稳定性［3］。多年来，很多专家致力于对粉土改良剂的研究，以期改善铁路粉土路基的强度和稳定性：张西海［4］等人对河南商丘段粉土路基采用水泥和水泥粉煤灰进行改良试验，取得了较好的效果；葛苏闽［5］等人采用SEU－2型固化剂对黄河冲击地区粉土路基进行改良试验，论证了采用该固化剂的可行性；陈燕［6］等人进行了水泥改良粉土路基室内试验研究，得知：水泥改良粉土后，粉土的物理力学性质得到了很大改善。曹玉［7］等人对京沪高速铁路宁沪段粉土路基采用水泥和生石灰等进行改良，效果较好。作者拟通过对粉土的特点和粉土路基水损害分析，采用SCP除湿剂［8］为改良剂，与水泥、生石灰进行室内对比试验，研究改良后粉土的物理性质指标、颗粒组成、强度及水稳定性的变化，以期为改良不断沉降的高速铁路粉土路基提供进一步的参考。

1 粉土的特点

1.1 粉土的颗粒组成

《铁路路基设计规范》中，将粒径大于0.075mm的颗粒掺量不超过全部质量50%、且塑性指数小于或等于10的土定名为粉土。粉土的颗粒由细砂粒、粉粒和粘粒组成，且粘粒掺量较低，大多小于10%，中国主要粉土分布区颗粒分析统计结果见表1［9］。

表1 粉土颗粒分析成果Table 1 Analysis results of silty sand particles

1.2 粉土的结构特征

粉土含有较多的粉粒，干燥时虽具有粘结力，但易被粉碎，扬尘大，且浸水时很快被湿透，易成流体状态。粉性土的毛细水上升高度大，颗粒小，容易使路基产生水分累积，造成严重的冬季冻胀，春融翻浆，线路病害情况严重。此外，粉砂土因内摩擦角大、内聚力较低、渗透系数高及抗冲刷能力差，会导致边坡冲蚀、坍塌和基床陷穴等病害。

1.3 粉土路基的水损害分析

以粉土为填料的路堤在水分和压力作用下会产生液化。当降雨量达到一定程度时，在列车荷载作用下，由于路基不能及时排水，而形成孔隙水压力。当孔隙水压力达到与围压相等时，有效应力变为零，粉土颗粒处于悬浮状态，出现液化，颗粒沿着路堤薄弱面流动，导致路基土流失，在路基下形成空洞［10］。

水对粉土路基的损害既有表面的破坏，又有内部结构的变化。粉土粘性弱，在雨水作用下，路堤逐渐出现边坡冲孔或拉沟、路肩溜坍现象；路基面出现塌坑、下陷，在路堤边坡形成腰漏，路堤中下部出现空洞。由于粉土易受到大气降水的冲刷以及道碴囊中积水的渗透破坏，导致路堤中粉砂土流失，引起线路路基下沉，道碴囊病害进一步加剧和扩大，出现较大规模的道碴囊且聚集更多的地表水，最终引发路堤边坡溜坍、基床及路肩塌陷，严重危及行车安全。

2 粉土路基处理试验

2.1 粉土改良剂的选择

土质改良时，常用的改良剂有石灰（消石灰和生石灰）、水泥及粉煤灰等。水泥加入土中，水泥中各成分与土中水发生了强烈的水解和水化反应，分解出Ca（OH）2，且生成各种水化物。各水化物继续硬化，并在土中形成水泥石骨架。但有研究［11］表明：Ca（OH）2会与粉粒和粘粒作用，使碱性介质不能顺利形成，会妨碍水泥水化物的正常硬化，继而影响进一步的减水能力，无法快速有效地降低过湿土的含水率；生石灰减水能力较强，但对施工作业时间有一定的要求；粉煤灰的吸水能力弱，强度提高不明显，且工艺复杂，因此，目前较多地使用水泥作为改良剂。

SCP除湿剂是一种化学除湿剂，由生石灰、铝粉以及其他辅助材料组成。该除湿剂的除湿原理为化学反应过程：CaO＋H2O＝Ca（OH）2，2Al＋6H2O＝2Al（OH）3＋3H2。其原理及试验已证实该除湿剂在黄土地区有较好的除湿固化效果［8］，本研究将SCP除湿剂作为改良剂，应用于粉土路基中，与水泥、生石灰进行对比试验，掺量分别为1%～4%，研究不同改良剂的配比及对粉土的改良性能。

2.2 改良剂室内试验

试验所选土样的天然含水率为23.8%，夯实无侧限抗压强度为128kPa，饱和抗压强度为35kPa，对土样进行击实试验，试验结果如图1所示。从图1中可以看出，该土样的最大干密度为1.77kg／cm3，最佳含水率为14.8%。

图1 粉土土样干密度随含水率变化曲线Fig.1 Silty sand dry density versus water content of the silty sand

2.2.1 改良土物理性质

为观测各改良剂对原状土样的影响，参照现有研究［6－7］，按照3%的掺量对原状土样进行改良，14d后测试改良后土样的物理性质，其结果见表2。从表2中可以看出，土中掺入改良剂后，液限、塑限及塑性指数均增大。这表明土的颗粒变细，比表面积变大，土颗粒之间的结合力提高，可塑性增强。

2.2.2 改良土力学性质

在原土样中掺入1%～4%的改良剂，14d后测试土样无侧限抗压强度和饱和无侧限抗压强度，试验结果分别如图2，3所示。从图2中可以看出，无论使用哪种改良剂，粉土的强度均增大。但随掺量的不同，强度曲线变化有所不同。水泥改良粉土时，无侧限抗压强度随掺量的增大而增加。从1%～3%掺量时，变化最明显。之后继续增大掺量，无侧限抗压强度增长趋缓。当掺量为4%时，可达到550kPa。用SCP除湿剂改良时，粉土无侧限抗压强度随掺量的增大而增加，其增加趋势与水泥类似。当掺量为4%时，无侧限抗压强度可达到590kPa。而生石灰改良粉土时，无侧限抗压强度曲线呈抛物线变化。且在掺入量3%时，无侧限抗压强度达到最大值，为504kPa，是未改良前无侧限抗压强度的3倍以上。当改良剂掺量均为3%时，SCP除湿剂的改良效果最佳。

表2 改良后土样的物理性质Table 2 The physical properties of improved silty sand

图2 粉土无侧限抗压强度与掺量关系曲线Fig.2 Unconfined compressive strength versus the content of additives

图3 粉土饱和无侧限抗压强度与掺量关系曲线Fig.3 Compressive strength versus the content of additives

从图3，4中可以看出，改良后粉土饱和无侧限抗压强度增大，水稳定性明显改善。粉土中掺入水泥时，饱和无侧限抗压强度随掺量的增大而增强。当粉土中加入3%水泥时，其饱和无侧限抗压强度是未掺入水泥土的3.8倍。饱和无侧限抗压强度与不浸水强度相比，未掺入水泥时，土饱和无侧限抗压强度降低了73%。掺入3%水泥、生石灰及除湿剂时，饱和无侧限抗压强度分别降低了49%，49%及45%。由此可见，粉土中加入一定量的改良剂，其水稳定性也有明显的改善，且SCP除湿剂改良土浸水后强度降低率最小。

图4 改良粉土浸水后强度下降率Fig.4 Strength decline ratio after the immersion

由于所使用的除湿剂中含有生石灰等，遇水发生的化学反应可达到降低含水率的作用；同时，铝粉在碱性环境中与水作用生成的两性氢氧化物Al（OH）3克服了单独采用生石灰时后期氢氧化钙与粉粒作用对水化造成的不利影响，有效地增强了改良剂的减水能力。此外，其处理粉土路基后的产物可改善粉土的颗粒组成等。因此，除湿剂在处理粉土路基时体现出特有的优势。

3 结论

1）粉土的颗粒组成和掺量决定了粉土的物理力学性质：内摩擦角大，内聚力较低，渗透系数高，抗冲刷能力差。因此，在长期的荷载作用下，会导致路基各种病害的产生。

2）粉土强度低，夯后无侧限抗压强度平均值为128kPa；水稳定性差，夯后饱和无侧限抗压强度平均值为35kPa，饱和无侧限抗压强度减少了73%。

3）水泥作为改良剂，粉土中掺入1%～4%水泥改良后，粉土的塑液限指标、力学强度及水稳定性均大大提高，无侧限抗压强度及饱和无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大。因此，经水泥改良后粉土的经济性和效果得到了进一步的肯定，但考虑到经济性要求，应根据现场实际，合理确定，以满足铁路线路提速的强度标准要求。

4）粉土中掺入SCP除湿剂作为改良剂时，粉土的物理力学性能也有较大的改善。随着掺量的增大，粉土强度逐渐增大。且掺量大于2%后，采用SCP除湿剂改良粉土的强度优于用水泥改良剂的。基于合理的掺量和良好的项目，引进该除湿剂作为粉土改良剂的思路也是可行的。

5）当采用SCP除湿剂改良粉土路基时，如何进一步完善施工工艺、降低成本，还需要进一步研究。

（References）：

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