易发生翻浆冒泥的细粒土物理状态指标分析与评判

冷伍明， 粟 雨， 滕继东， 聂如松， 赵春彦

（1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075）

翻浆冒泥是路基基床土受地面水或地下水的浸湿，在列车动荷载作用下软化或液化形成泥浆，沿道床空隙向表面涌出的一种路基病害，是既有铁路最常见的一种路基病害之一，见图1。翻浆冒泥可以造成道砟脏污、板结而使道床降低或丧失弹性，轨道几何尺寸变化，甚至在路基基床内形成孔洞，直接危及行车安全［1］。翻浆冒泥是影响铁路安全运营的顽疾，严重影响线路的正常服役。我国在建国初期修建的铁路，路基标准较低，经过多年运营，在相当多的路段出现了翻浆冒泥等病害现象［2］。据统计，沪宁线总长303 km，在1988—1993年间，翻浆冒泥线路长度各年度分别为3.34、4.02、5.38、4.91、5.14、3.86 km。1993 年 年 末 至1994年年初的统计则表明，沪宁线病害以基床翻浆冒泥为主，占线路全长的5%，变化范围为3%～17%［3］。朔黄铁路2008年统计资料显示，翻浆冒泥达882处，严重影响了重载铁路扩能改造的可行性和安全性［4］。膨胀土路基是铁路工程中一种常见的特殊土路基，常常在水和列车荷载的共同作用下发生基床翻浆冒泥及滑坡等病害［5］。杜攀峰等建立学习向量量化神经网络模型，对路基翻浆冒泥病害进行识别，且识别率达90%以上［6］。近年来，我国铁路运输事业快速发展，尽管在高速铁路和重载列车下翻浆冒泥出现频率越来越低，但翻浆冒泥始终是既有铁路路基的顽疾，其维护、整治难度较大，并且费用较高［7］。

图1 铁路有砟轨道路基翻浆冒泥案例

翻浆冒泥病害的形成原因和产生机理比较复杂，是许多因素综合作用的结果。目前国内外学者公认其发生的必要条件包括：（1）路基土土质不良；（2）存在自由水；（3）存在循环荷载。土性条件是翻浆冒泥的前提，也是发生翻浆冒泥的内因，水影响土体的含水量，是翻浆冒泥发生的必不可少的因素。荷载作为外因，是发生翻浆冒泥的一个必要条件。

国内外研究者对发生翻浆冒泥土的物理状态进行了一定程度的分析。文献 ［8］对8种发生翻浆冒泥的土质进行调研，发现大多数发生翻浆冒泥的土为中低塑性的粉土，部分含有黏质和砂质。这类土具有通畅的水力传导通道，便于水分补给和聚集，同时具有较好的持水（毛细）特性。另外，Aw等［8］建议用塑性指数、液限、颗粒组成等指标作为衡量土发生翻浆冒泥的判据。杨新安等［9］对沪宁线下行K140＋450～K141＋450路段发生翻浆冒泥的路基土进行液限、塑性指数以及矿物成分分析，判定该路段的土为易发生翻浆冒泥的土。葛如生等［10］通过对阳安线基床病害的分析，得出当颗粒组成小于0.05 mm的含量大于80%，塑性指数大于12，液限大于32%，饱和度大于0.75的路基土，极易发生翻浆冒泥。霍凯成等［11］根据路基土的物理力学性能和水力性能采用土工合成材料治理道路翻浆，使路基的破损程度降到最低。大量文献资料表明，前人对翻浆冒泥的研究局限于调研土体的基本物理力学参数和定性分析基本物理指标（液塑性指数、颗粒组成等）与翻浆冒泥的关系，很少有研究多个物理指标间的相关性和定量分析物理指标与翻浆冒泥之间的关系。本文通过文献调研，收集了30个工程实例资料和61个已发生翻浆冒泥土的实测数据样本，用塑性指数IP、液限WL、饱和度Sr、细颗粒含量P（即粉粒和黏粒在土中所占的百分含量）、渗透系数K等5个表征指标较全面反映发生翻浆冒泥土的土性特征。对发生翻浆冒泥土表征指标进行了相关性分析，筛选出3个无相关性指标（IP、Sr、P）作为易翻浆冒泥细粒土的评价指标，并基于层次分析法，提出易翻浆冒泥的细粒土综合评判指标F，具有一定工程应用价值。

1 翻浆冒泥土性特性分析

1.1 翻浆冒泥土的物理状态分析和表征指标

本文统计30组翻浆冒泥的土性特征，见表1，实测翻浆冒泥数据点61处。结果发现：大多数发生翻浆冒泥的土为高、中液限黏土，部分为粉质黏土和粉土。这类土可塑性强，矿物成分以伊利石和蒙脱石为主，细颗粒含量较高。翻浆冒泥土的物理特征，一般采用IP、WL表征，部分包括颗粒组成，尤其是粉粒和黏粒含量，以及土的渗透系数K，饱和度Sr，极少数采用不均匀系数。由表1可知，易发生翻浆冒泥土一般为黏土和粉土，透水性差，亲水性强，细颗粒含量高，矿物成分以伊利石和蒙脱石为主，脱水易产生龟裂，遇水则易软化，在动力作用下易产生翻浆冒泥。这类易发生翻浆冒泥土具有的一般物理状态特征为：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

表1 发生翻浆冒泥土性特征

1.2 表征指标相关性分析

1.2.1 可塑性指标

将发生翻浆冒泥土的IP和WL画在塑性图上，见图2。该塑性图为陈仲颐等［35］结合我国黏性土的特点编制而成。图2中线A线、B线、C线与IP＝4、WL为15%～26%的一段水平线段将整张图分成6个区域。其中，A线、B线、C线方程分别为IP＝0.66（WL－20）、WL＝42%、WL＝26%，CH、CI、CL、OH（M H）、OI（MI）、ML分别代表高液限黏性土、中液限黏性土、低液限黏性土、高液限粉质土、中液限粉质土、低液限粉质土。发生翻浆冒泥土基本落在平行线A、D间区域，D线方程为IP＝0.66（WL＋3.39）。由此可见，平行线A线、D线间区域为细粒土易发生翻浆冒泥区域。同时，发生翻浆冒泥土大多数在C线右侧，少部分位于C线左侧，表明发生翻浆冒泥土大多数为高、中液限黏土，少数为低液限黏土。

图2 I P与W L的关系

IP与WL的相关关系为

式中：WP为塑限。

1.2.2 土颗粒组成

根据土的颗粒组成，细粒土易发生翻浆冒泥的三因分类图见图3。由图3可知，透水性强的砂土不容易甚至不会发生翻浆冒泥，透水性差的黏土和粉土由于颗粒细小、含水量高、遇水膨胀、抗剪强度低等特性，很容易发生翻浆冒泥。根据土的颗粒组成，将三因分类图划分为4个区域，分别为重黏土、黏土、粉质黏土、粉质砂黏土。本文将表1中数据汇总到三因分类图中，得到网格线加密区域，即发生翻浆冒泥土集中区域。由图3可得，易发生翻浆冒泥的细粒土主要为黏土、粉质黏土，土中黏粒（不大于0.005 mm）含量在30%以上，粉粒（0.05～0.005 mm）含量在40%以上。

1.2.3 K与P间的关系

发生翻浆冒泥土的K与P关系见图4，通过数据拟合，得出发生翻浆冒泥土的K与P间存在负指数关系为

图3 土颗粒组成的三因分类图

图4 K与P的关系图

在粗细颗粒混合的土中，细颗粒的增加导致粗颗粒的骨架作用降低，也导致颗粒比表面积增加，靠近土粒的水被静电引力吸引越强，在颗粒表面的水分越多，同时土体中孔隙通道堵塞的几率增大，从而导致整个土体渗透性降低。由图4可知，大多数发生翻浆冒泥的土位于拟合曲线上及其附近，P为0～100%，变化范围较大，渗透系数最高不超过1 000×10－6cm／s。

2 易发生翻浆冒泥土的综合评判指标F

基于上述分析，将翻浆冒泥5个表征指标优化为3个评价指标，即IP、Sr、P。筛选出无相关性的3个主要指标，在此基础上，采用线性加权形式，提出综合评判指标F，利用线性权重函数可简洁表示各主要指标在评价易翻浆冒泥细粒土重要性。在实际工程应用中，也易于评价发生翻浆冒泥土体的主要影响指标。易发生翻浆冒泥细粒土综合评判指标为

式中：A1、A2、A3分别为IP、Sr、P 在综合评判指标F中所占的权重。

层次分析法是一种定性与定量相结合的分析方法，主要解决多因素复杂系统。为了得到各指标的权重系数，利用层次分析法进行计算分析，建立一个综合评判指标F与IP、Sr、P间的两层结构的层次结构模型，利用Saaty等［36］建议的1～9及其倒数作为标度，见表2。成对比较，得到一致性判断矩阵，见表3。其中，各指标间相对重要性由表1中各指标被引用次数决定。表1中61处翻浆冒泥数据点各指标被引用结果见表4，IP被引用次数最多，其次是P，最后是Sr。通过计算得到判断矩阵的最大特征值λmax＝3.038 5，对应的特征向量为［0.916 1，0.150 6，0.371 5］T，经过归一化后得［0.64，0.10，0.26］T，所以各指标的权重系数为A1＝0.64，A2＝0.10，A3＝0.26。

表2 两两比较评分的标度

表3 判据指标的一致性矩阵

表4 翻浆冒泥各土性指标引用统计表

对判断矩阵进行一致性检验，计算一致性指标CI＝0.019 25，平均随机一致性指标RI＝0.58，从而得到一致性比例CR＝0.033＜0.1，故认为判断矩阵的一致性可接受。

对表1中大量文献调研所得到的数据进行标准化处理，将IP、Sr、P对应数据通过式X′＝（X－Xmin）／（Xmax－Xmin）标准化映射成区间［0，1］中的值X′，由表1可得IP、Sr、P的最大值分别为40.5%、100%、95%，另外取Xmin＝0，由此可得F≤1.0。

得到标准化后的数据IP、Sr、P后，通过计算可得易翻浆冒泥的细粒土综合评判指标Fmin＝0.30。

标准化后IP、Sr、P的取值范围为［0，1］，并由此作为图形的边界，见图5。图5为细粒土易发生翻浆冒泥区域，由平面0.64IP＋0.1Sr＋0.26P＝0.3、P＝0和图形边界面构成，实测发生翻浆冒泥点都落在此区域内。

图5 F值与易发生翻浆冒泥土关系图

通过进一步文献调研，得到5个已发生翻浆冒泥土的实测数据样本，利用总结的翻浆冒泥土的5个表征指标及数量范围和综合评判指标F对5个工程样本实例进行评判，结果见表5。由表5可见，按经验总结得到的5个表征指标和数范围，无法完全准确判定易发生翻浆冒泥土，存在IP＜12，发生翻浆冒泥的情况，而用综合评判指标，评价结果更好。

表5 易发生翻浆冒泥土的2种判据指标对比

3 结论

翻浆冒泥是既有铁路最常见的一种路基病害。本文通过国内外文献调研，收集了30组翻浆冒泥工程实例资料和61处已发生翻浆冒泥土的实测数据样本，经过分析和总结，得到以下几点结论：

（1）易发生翻浆冒泥土的细粒土物理状态可以用塑性指数IP、液限WL、饱和度Sr、细颗粒含量P、渗透系数K表征。发生翻浆冒泥土的表征指标数量范围为：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

（2）发生翻浆冒泥的细粒土位于A线和D线之间区域，A、D线方程分别为IP＝0.66（WL－20）、IP＝0.66（WL＋3.39），其中大多数为高、中液限黏土，少数为低液限黏土。

（3）发生翻浆冒泥土K与P间存在负指数相关关系。

（4）易翻浆冒泥的细粒土评价指标建议采用IP、Sr、P。

（5）提出了易翻浆冒泥的细粒土综合评判指标F。F能更好地评判土体易发生翻浆冒泥的可能性。

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