西合铁路增建二线膨胀土特性及路基设计

周建明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

西合铁路增建二线膨胀土特性及路基设计

周建明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

铁路路基常见的因膨胀土引起的病害有基床翻浆、基床下沉、侧沟外挤、边坡溜坍等。在详细分析西合铁路膨胀土工程地质特征的基础上，结合工程实践经验，提出了膨胀土的路基处理对策，即:路基填筑前对路基填料进行改良,针对膨胀土路基基床采用换填或以CMA改性剂进行处理，针对膨胀土边坡采取工程防护与绿色防护相结合的措施,可供类似工程参考。

铁路；膨胀土；工程地质特征；路基设计

膨胀土是指土中黏粒成分主要由伊利石、蒙脱石等亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水收缩、开裂，并能产生往复胀缩变形的黏性土[1]。膨胀土在中国的分布较广，主要分布于华东、华南、西南及东北地区，总面积超过10万km2[2]。西安—合肥铁路西起西安，东至合肥，线路全长957 km，是横贯中国中东部地区的客货共线的铁路重要干线。沿线经过陕西、河南、湖北、安徽四省，跨越多个地貌单元，地质类型丰富，其中河南省南阳—安棚段、河南省信阳—安徽省合肥段连续有膨胀土分布。详细查明沿线膨胀土的分布、成因及物理力学性质进行分类，并结合既有Ⅰ线膨胀土路基的状况，为确定合理的路基处理对策提供依据，对确保本线路基建设质量具有重要意义。

1 沿线膨胀土的分布特征

1.1 南阳—安棚段膨胀土

南阳—安棚段属南阳盆地，地形较平坦，膨胀土一般分布于属长江水系支流汉水流域二三级阶地区，为第四系中、上更新统冲积成因土，多为高液限黏土，硬塑—半干硬，黄褐色，并夹有灰白、灰绿夹层。厚约10～30 m，下伏第三系泥质砂岩、泥岩。南阳盆地的膨胀土中普遍夹有大量的钙质砂礓石，表1为南阳—安棚段膨胀土的膨胀潜势统计。

从统计可见，南阳—安棚段膨胀土的孔隙比均值为0.7，平均液限为43.3%，极值区间为34.3%～57.2%，属高液限土，自由膨胀率均值为58.9，极值区间为40～90.0，蒙脱石含量均值为16.5%，极值区间为10.9%～33.5%，阳离子交换量均值为277.5 mmol/kg，极值区间为204.1～450.7 mmol/kg，其自由膨胀率及蒙脱石含量均接近中等膨胀土标准，阳离子交换量属中等膨胀土标准。综合判断，可将该段膨胀土划分为中等膨胀性土。

表1 南阳—安棚段膨胀土膨胀潜势统计表

1.2 信阳—合肥段膨胀土

信阳至合肥段膨胀土主要分布于山前冲积平原、淮河高阶地，膨胀土属于上、中更新统冲积、洪积、坡积、残积(Q3、Q4)黏土、粉质黏土，硬塑状。该段土质一般较均一，偶夹铁锰结构及少量礓石。灰白、灰绿色夹层较南阳段相比明显要少，表2为信阳—合肥段膨胀土膨胀潜势统计表。

由表2可知，信阳—合肥段膨胀土的孔隙比均值为0.8，平均液限为40.9%，极值区间为33.3%～68.7%，自由膨胀率均值为50.7，极值区间为38.0～87.0，蒙脱石含量均值为14.8%，极值区间为8.2%～29.3%，阳离子交换量均值为236.4.1 mmol/kg，极值区间为158.1～411.9 mmol/kg。属弱膨胀性土。

表2 信阳—合肥段膨胀土膨胀潜势统计表

通过对比分析，南阳—安棚段为中等膨胀土，信阳—合肥段为弱膨胀土，其天然含水量、天然密度、天然孔隙比等物性指标非常接近，无明显差异。但由于成因及沉积环境不同，两段土质在膨胀性潜势方面还是有一定的差异，南阳盆地的膨胀土膨胀潜势要强于信阳—合肥段膨胀土，且液限更高。在膨胀土路基设计中应根据其特点采用相应的对策。

2 既有线膨胀土路基状况

既有西合铁路自2004年开通运营以来，已成为一条繁忙的运输干线，运营过程中陆续出现了一些路基病害，其中由于膨胀土的影响而引起的路基病害主要体现在以下几个方面：①基床翻浆冒泥。全线基床翻浆冒泥现象较普遍，其中路堤地段分布较路堑地段较常见。②路基下沉。其现象在全线路堤地段分布较普遍。据工务部门资料，仅南阳—信阳段就有约45 km的路基存在不同程度的下沉现象。③侧沟外挤。据最近的调查显示，全线膨胀土路堑段侧沟普遍有不同程度的外挤现象。④边坡坍滑。特别是雨季，边坡溜坍现象时有发生，工务部门组织过多次紧急抢修。分析其原因：主要是既有线填筑时直接采用了膨胀土填料，填料的性能较差，难以达到压实标准，长期干湿交替产生胀缩。还有就是边坡处理措施稍轻，边坡遇水易发生坍滑。

3 西合二线膨胀土路基的处理措施

膨胀土的膨胀特性决定其工程性质较差，试验资料显示：原状膨胀土与重塑(击实)膨胀土的膨胀性是有区别的，未经改良的膨胀土经击实后其膨胀力、无荷膨胀量、胀缩总率显著增长，湿化性更差。因此作为路基填料时，一般都要求进行改良处理;作为路基基床时，基床须进行工程处理。

3.1 路基填料改良

天然膨胀土一般为D组填料，根据现行铁路规范，也借鉴既有线的经验教训，膨胀土不能直接用作Ⅰ级路基的路基填料，用作填料时须进行改良处理。借鉴以往的工程经验[3]，当用于铁路路基填筑时，一般采用掺生石灰的方法来进行改良。其机理在于：掺入石灰后增加了膨胀土中钙镁离子的含量，石灰遇水后的消解反应和阳离子的交换作用，使膨胀土中的钠、钾离子逐步被钙镁离子所替换，土体的膨胀潜势随之减小，从而减低了土的胀缩性[4]。为获取本线膨胀土改良最佳掺入比，改良后膨胀性指标变化及改良土强度等关键技术参数，西合二线路基工程填筑前选取了6个代表性取土点进行膨胀土改良试验，分别进行了掺灰比为4%～8%的改良土改良前后的对比试验，对比分析膨胀土改良前后膨胀性指标、击实参数指标及无侧限抗压强度指标的变化情况，试验结果显示掺灰比为6%时改良土最具经济合理性。其改性前后各指标对比见表3 。

由表3 可知，掺入6%的生石灰对膨胀土进行改良后，土的工程性质明显改善，土的自由膨胀率下降至22%～27%之间，液限下降至35%～40%，无侧限抗压强度达0.59～1.61 MPa，夯后快剪指标也有明显提高，改良后土的水稳性显著增强。综合分析表明，经掺入6%石灰改良后的膨胀土可满足作为路基基床底层及以下填料的要求。

3.2 基床处理

因动荷载循环作用和干湿循环作用，膨胀土路堑基床易产生病害，极易形成翻浆冒泥，可能导致上部轨道结构变形、开裂。对膨胀土路基基床处理一般采用换填或以CMA改性剂进行处理，经CMA膨胀土生态改性剂改性后的土体基本上消除了胀缩特性，土体的强度大幅度提高[5]，但其工艺较为复杂，质量控制难度较大，且造价较高，目前工程应用较少。本项目路基基床采用了换填的方法，将路基基床表层换填0.5 m的A组填料、路堤基床底层采用掺灰6%的石灰改良土，路堑基床底层换填0.5 m掺灰6%的石灰改良土。基床表层以下设一层10 cm的中粗砂，中粗砂下部0.2 cm处夹铺一层两布一膜，既可很好地排出基床表层的积水，又能防止表层的水渗入基床底层，对基床有很好的防护作用(见图1)。

表3 膨胀土改良前后性质对照表

图1 膨胀土路基断面图Fig.1 Sectional drawing of expansive soil subgrade

3.3 边坡防护

(1) 膨胀土边坡的工程特性及总的防护原则。膨胀土地基上的建筑物设计应遵循预防为主、综合治理的原则[6]。水是导致膨胀土边坡坍滑的根本原因，主要体现在三个方面:一是膨胀土在遇水饱和后强度降低;二是膨胀变形使得土粒间的结合力明显减小;三是裂隙的发育使得水更容易渗入，强度值降低60%～70%左右[7]。在膨胀土的边坡设计中，保证天然状态下边坡稳定并加强防排水措施是主要对策，本线边设计总的原则是：固坡脚、缓边坡、宽平台,加强防排水措施,工程防护与绿色防护相结合。

(2) 防排水措施。边坡开挖前做好防排水措施。排水工程包括地表排水与地下排水两部分，地表排水以防渗和拦截工程坡面以外地表水,及时旁引为原则；地下排水以尽快汇集、及时疏导引出为原则。地表排水系统由排水沟、侧沟、截水沟及天沟组成。地下排水设施包括支撑渗沟、边坡斜沟、渗水井、渗水暗沟等，地表排水与地下排水系统应有机结合，组成一套完备的排水系统。

(3) 边坡防护措施。膨胀土边坡滑动具有多发性、反复性、长期潜在性[8]，滑动面一般在大气急剧影响深度内，沿线大气急剧影响深度一般仅2 m左右。适当加强膨胀土边坡的防护措施，对确保边坡的长期稳定具有重要意义。

本线路堑边坡坡高>3 m时，设置拱型截水骨架护坡，<3 m地段边坡面设截排水槽防护，骨架护坡厚度为0.8 m。南阳地区由于膨胀土的膨胀潜势更强，边坡高度超过6 m时，骨架护坡采用C25混凝土，其余地段采用M7.5浆砌片石骨架护坡。膨胀土边坡坡率的选择按一级边坡1∶1.75，二级边坡1∶2,三级及以上按1∶2.5,各级边坡之间设平台，平台宽≥4 m。骨架内采用混凝土空心砖铺面，砖内再培土撒草籽，实现坡面防护与坡面绿化的完美统一。对于边坡高度较高的边坡，坡脚加设矮挡墙，一般当路堑边坡高>6 m时，坡脚增设矮挡墙，墙高3～4 m；坡高>8 m时，根据实际情况，在边坡下部增设一排预加固钢筋混凝土抗滑桩，对膨胀土边坡的稳定有很好的效果(见图2、图3)。

图2 膨胀土路堑骨架护坡断面设计图(坡脚设矮挡墙)Fig.2 Design drawing of slope protection of cutting skeleton about expansive soil

图3 膨胀土路堑骨架护坡断面设计图(坡脚设预加固桩)Fig.3 Design drawing of slope protection of cutting skeleton about expansive soil

4 结论及建议

(1) 膨胀土具有特殊物理力学及化学性质。由于其遇水膨胀、失水收缩的特性，遇水后其强度指标衰减较快，工程建设中应需慎重对待并作特殊处理。

(2) 西合二线南阳—合肥段多为膨胀土分布地区，膨胀土一般分布于河流二、三级阶地、岗地、山前平原区，膨胀土的厚度变化较大，其中南阳—安棚段膨胀土为中等膨胀土，信阳—合肥段膨胀土属弱膨胀土。

(3) 铁路建设时，路基的处理措施主要是：基床换填,对膨胀土进行改良,加强边坡防排水措施,边坡按缓边坡、宽平台原则开挖放坡，加强边坡坡面防护，坡面工程措施与绿色防护相结合。

(4) 铁路运营期间，应加强膨胀土边坡工程的巡视，特别是防排水设施的维修和养护。对于大型的重要边坡，建议设立位移观测点，进行长期监测。

[1] 中华人民共和国铁道部.铁路特殊路基设计规范:TB10035—2006[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[2] 罗文柯,杨果林.我国部分省(区)膨胀土分布与工程特性对比研究[J].山西建筑，2005,31(23):68-69.

[3] 连继峰,杨有海.铁路路基膨胀土填料改良试验研究[J].铁道标准设计,2011(11):20-23.

[4] 戴绍斌,黄俊,夏林,等.鄂北膨胀土的矿物组成和化学成分分析[J].岩土力学，2005,26(1):296-299.

[5] 周国新.膨胀土铁路路堤工程病害与防治措施[J].铁道建筑技术,2006(1):48-50.

[6] 中华人民共和国住房与城乡建设部.膨胀土地区建筑技术规范:GB50112—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[7] 卢肇钧.膨胀力在非饱和土强度理论中的作用[C]//陈善温.卢肇钧院士科技论文选集.北京：中国建筑工业出版社，1997:183-194.

[8] 包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J].岩工工程学报，2004，26(1)：1-15

(责任编辑：陈姣霞)

Expansive Soils Characteristics and Subgrade Design of Xihe Railway

ZHOU Jianming

(ChinaRailwaySiyuanEngineeringGroupCo.Ltd.,Wuhan,Hubei430074)

The common subgrade disease are those such as mud pumping of road bed,subgrade subsidence，side ditch tilted, slope sliding collapse, etc.Based on the detailed analysis of engineering geological characteristic of expansive soil about Xihe railway,combined with engineering practice experience,the paper puts forward the countermeasures of expansive soil subgrade treatment, it can be the reference for the similar engineering.

railway; expansive soil; engineering geological characteristics; subgrade design

2015-08-26;改回日期:2015-11-18

周建明(1969-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事铁路工程勘察与设计工作。E-mail:491195371@qq.com

U213.1

A

1671-1211(2016)02-0222-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.019

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160302.1504.002.html 数字出版日期:2016-03-02 15:04