无砟轨道路基上拱原因试验研究

王鹏程，尧俊凯，陈 锋，张千里

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

近年来，我国多条无砟轨道线路出现了路基上拱病害。由于无砟轨道对线路平顺性要求极为严格，且变形调节能力有限，因此，路基及地基微小的上拱变形都会严重影响线路的正常运营[1]，最终只能采取限速措施，甚至拆除重建。上拱变形问题同样存在于建设阶段，如果不能合理地判断、处理微膨胀填料，可能造成大量的填料浪费，引起弃砟等环境问题。

西北地区一典型工点路基从2014年8月—2016年6 月上拱变形曲线见图1。可见，随着季节的变化路基上拱变形持续增加，没有明显的回落变形。

图1 典型工点路基上拱变形曲线

路基上拱变形的可能原因之一是膨胀土(岩)中的膨胀性物质遇水膨胀、软化、崩解，多发生在低矮路堤及路堑段。杨吉新等[2]对成渝高速铁路路基上拱问题进行了探讨，认为路堑上拱主要是由于特深路堑边坡卸载引起的弹塑性体回弹隆起、路堑高边坡及基床下岩体蠕变变形2种因素综合造成的。崔晓宁等[3]对高速铁路路基填料及地基土的膨胀性进行了大量的室内试验并提出了新的分级标准。

研究发现，水泥改良填料在适当的温度、湿度条件下与硫酸盐发生化学反应生成结晶体(如钙矾石晶体)也会引起路基膨胀上拱，此类上拱持续时间较长。钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)主要由钙离子、氧化铝和硫酸盐结合形成。钙矾石最大的特点是会产生体积膨胀。当钙矾石形成时，一个钙矾石晶体分子要结合和吸附31～32个水分子，其中点阵牢固结合水6个，配位水26个，使钙矾石的固相体积剧烈增大225%[4]。钙矾石固相不稳定，在一定条件下可转化为水化硫铝酸钙。

与钙矾石类似，硅灰石膏的生成过程也会引起体积膨胀，体积膨胀率约为钙矾石的45%，不同之处在于硅离子替代了铝离子。

文献[5]对美国德克萨斯州82号公路东侧路基上拱变形的原因进行调查，认为路基上拱是由土中石灰稳定剂与硫酸盐矿物质之间的反应引起的。扫描电子显微镜(SEM)试验结果证明了钙矾石的形成是上拱的主要原因。

文献[6]述及马德里和巴塞罗那之间高速铁路某水泥改良填料填筑的路桥过渡段在2年的时间里持续上拱了120 mm，且降雨后膨胀率明显增加，膨胀对路基和桥台造成了严重的破坏。对上拱段路基填料进行X射线衍射分析证实了膨胀性物质钙矾石存在。

本文对我国西北地区一无砟轨道线路多个典型上拱工点的路基填料及地基土进行取样分析，明确路基上拱的原因，为针对性地采取整治措施提供依据。

2 取样与试验方案

2.1 上拱工点情况

对我国西北地区一无砟轨道线路的上拱情况进行全面调查分析，发现大部分上拱工点位于路桥(涵)过渡段。选取其中上拱变形较为严重的6个工点进行取样分析。6处工点地势较平坦，桥涵过渡段均有不同程度开挖。

原设计情况为：基床表层采用级配碎石填筑，基床底层采用A,B组填料，基床以下采用B 组填料；在涵洞与路基过渡段，基床表层采用级配碎石掺5%的P.O 42.5 普通硅酸盐水泥填筑，基床表层以下采用级配碎石掺3%的P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。各工点的具体结构特征及截至2017年9月的最大上拱变形见表1。

表1 上拱工点情况

在每个上拱监测断面的基床表层、基床底层、基床以下、地基分别进行现场取样。在路肩、路基坡脚处进行开挖分别得到路基、地基不同深度的试样。

2.2 试验内容

将现场取得的试样过0.5 mm筛，依据《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)[7]和《铁路工程岩

土化学分析规程》(TB 10103—2008)[8]进行化验，主要内容及标准为：

1)膨胀性指标。对自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量等膨胀性指标进行化验，依据《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB 10038—2012)[9]中有关膨胀土潜势分类的标准进行分析。土质符合表2所列任意2项以上指标时，即判定为该等级。

表2 膨胀潜势分类标准

2)易溶盐。对易溶盐总量与碳酸根、重碳酸根、氢氧根、氯离子、硫酸根离子、钙离子、镁离子、钠离子、钾离子等易溶盐离子含量进行化验，计算各类易溶盐离子占总质量的比例。

3)矿物成分。通过X衍射分析(XRD)确定现场填料的矿物成分及其含量。

3 试验结果分析

3.1 膨胀土(岩)的影响

工点Ⅳ和工点Ⅵ泥岩地基的膨胀性判定结果(见表3)显示，这两处填土部分均不具有膨胀性，而地基泥岩均具有膨胀性，地基处的含水率也相对偏高。在2016年各工点采取防排疏水措施后，膨胀变形基本收敛，说明泥岩的膨胀变形是引起这2个工点上拱的主要原因。

表3 泥岩地基工点膨胀性判别

3.2 易溶盐含量的影响

盐渍土在温度、含水率发生变化时，盐分吸水结晶并析出而造成土粒间孔隙增大，体积膨胀引起上拱。《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[10]规定，土中易溶盐含量>0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性时应判定为盐渍土。对上拱段地基土及路基填料的易溶盐监测分析结果见表4，可见，上拱段的易溶盐含量偏高，部分试样已经达到或接近了盐渍土的标准。所有试样中，工点Ⅲ填料及地基土的易溶盐含量最低，其对应的上拱变形也最小；易溶盐含量相对较高的Ⅰ工点，其上拱变形也相对较大，说明易溶盐含量与上拱变形具有正相关性。

表4 上拱工点盐分与变形情况

3.3 水泥改良填料的影响

在前期对工点Ⅴ上拱偏移工点的调研发现，路基上拱的同时两侧电缆槽向外侧推出。初步分析认为这是由基床表层膨胀引起。通过基床表层材料的矿物成分分析发现其含有针状钙矾石(见图2)。

图2 钙矾石针状晶体扫描电镜图像

XRD试验分析同样发现土样含有钙矾石(见表5)。

表5 工点Ⅴ基床表层XRD试验测得主要矿石含量 %

此外，工点Ⅱ地基顶部水泥卵砾石垫层的XRD试验分析发现其含有大量硅灰石膏(见表6)，以往的路基上拱变形可能与此有关。

表6 工点Ⅱ地基顶部水泥卵砾石垫层XRD试验 测得主要矿石含量 %

由于钙矾石及硅灰石膏的形成过程伴随着较大的膨胀，认定硫酸盐侵蚀水泥改良填料形成这两种矿物的过程是路基上拱的可能原因之一。

4 结论

1)膨胀性指标检测结果表明，上拱区段与泥岩的膨胀性特征相吻合。

2)路基填料和地基土中均含有不同程度的易溶盐，易溶盐含量与上拱变形呈正相关性，说明含少量盐分的地基土或填料的膨胀也会严重影响线路的平顺性。

3)掺水泥级配碎石和水泥卵砾石垫层中含有钙矾石、硅灰石膏等成分，其形成过程中产生膨胀变形，以往的上拱变形可能与此有关。

4)盐、泥岩引起的膨胀变形均与水有关，上拱变形层位的试样含水率偏高。从上拱工点的结构形式、地形地貌特征来看，上拱处通常地势平坦，过渡段均有不同程度的下挖，易汇水。建议对上拱地段的路基采取防水、排水、疏水措施。

[1]中华人民共和国铁道部.TB 10716—2013 高速铁路工程动态验收技术规范[S].北京:中国铁道出版社,2013.

[2]杨吉新，马旭超，刘前瑞.关于成渝高铁路基上拱问题的探讨[J].铁道建筑，2016,56(8):112-115.

[3]崔晓宁，王起才，张戎令,等.基于无砟轨道膨胀路基的膨胀土分类分级试验研究[J].科学技术与工程，2017，17(12):248-251.

[4]TALLURI N，PUPPALA A,CHITTOORI B.Calcium-based Stabiliser Treatment of Sulfate-bearing Soils[J].Ground Improvement,2014，167(3)：162-172.

[5]CHEN D H,HARRIS P,SCULLION T.Forensic Investigation of a Sulfate-Heaved Project in Texas[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，2005，19(4):324-330.

[6]ALONSO E E,RAMON A.Massive Sulfate Attack to Cement-treated Railway Embankments[J].Geotechnique，2013，63(10):857-870.

[7]中华人民共和国铁道部.TB 10102—2010 铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[8]中华人民共和国铁道部.TB 10103—2008 铁路工程岩土化学分析规程[S].北京:中国铁道出版社,2009.

[9]中华人民共和国铁道部.TB 10038—2012 铁路工程特殊岩土勘察规范[S].北京:中国铁道出版社,2012.

[10]中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50021—2001 岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2009.