基床翻浆冒泥土的物理力学性质

聂如松,冷伍明,粟　雨,郭一鹏,2

(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; 3.重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)

道床脏污和基床翻浆冒泥是铁道工程中最为常见病害.道床脏污是指道砟颗粒间孔隙被脏污材料填充的过程.其中,脏污材料来源广泛,包括道砟颗粒破碎粉化产物、行车坠落及风吹降落物、底砟层和路基层向上迁移的细颗粒以及轨枕磨损产物.Selig等[1]经过大量的现场调查分析后指出：道砟本身颗粒破碎是道床脏污的主要来源,占脏污源的76%;其次是由道床底砟层向上迁移的细颗粒,占脏污源的13%;第3个脏污源是表面渗入(主要指行车坠落物和风吹降落物),占脏污源的7%;最后两个可能的脏污源相对很少,如路基层向上迁移的细颗粒占3%,轨枕磨损产物占1%.杨志浩等[2]对大秦重载铁路翻浆冒泥病害进行现场调查,结果发现:道砟中的细颗粒由机车喷砂、煤渣和磨碎的石粉组成,其中石粉占主要部分;翻浆冒泥病害发生在道床层,而非路基基床层.道床脏污程度不同,对轨道结构的不良影响也将不同.Selig等[1]、Feldman 等[3]、Indraratna等[4]和徐旸等[5]提出了评估指标来量化道砟脏污程度,并划分了等级，认为道砟脏污严重时将诱发道床板结、翻浆冒泥等病害.

基床翻浆冒泥是指在列车荷载作用下路基面(厚度一般小于0.5 m)受水浸泡软化后,以泥浆形态向道床或者通过道床层往外翻冒的现象.基床翻浆冒泥分为土质基面翻浆冒泥、风化石质基面翻浆冒泥和裂隙泉眼翻浆冒泥3类.可见,道床脏污与基床翻浆冒泥是两个不同的概念.基床翻浆冒泥产生、发展主要取决于以下3个条件:基床土的工程性质;水和温度对基床的影响;动荷载的性质、大小和分布.土性不良是导致基床发生翻浆冒泥的内因.杨若芳等[6]在20世纪80年代对我国11条线路进行调查,经分析,总结出易发生基床翻浆冒泥地段土性特点:粉粒黏粒含量多、遇水易软化、亲水性强、渗透系数低的黏性土、易风化泥质岩石以及较为发育的裂隙地段.

客运高速化,货运重载化是铁路现代化的标志.1997—2007年这10年间,我国铁路经历了6次大提速.货运轴重由原来的23 t发展到25、30 t,编组列车由5 000 t发展到1万、2万t.客运大幅提速,运能饱和,货运轴重大幅提高以及编组加长,导致路基内的动应力水平、分布状态以及作用方式发生改变.由于轴重、速度的提高,列车作用在路基上的动应力增大,特别是已发生病害处,动应力加大使得病害加剧,继而致使轨道状态恶化,进入一种恶性循环状态.此外列车提速后,行车密度明显加大,致使维护、保养时间减少;加之列车提速后,对线路养护要求不断提高,出现维护人员难以应付的局面,长期以往,路基各种病害不断加剧.尽管目前路基养护技术水平大幅提高,但路基病害仍时常发生.根据2013年铁路总公司秋检报告[7],路基本体设备长度14.4万km,与水有关的病害主要为边坡溜坍、翻浆冒泥、排水不良以及冻害等.其中基床发生翻浆冒泥段长5 805 km,是铁路路基主要的一种病害.

本文在大量阅读国内外有关翻浆冒泥病害文献的基础上,分析和总结了国内外研究者在基床翻浆冒泥产生机理方面获得的成果.收集和统计了国内外60多组基床翻浆冒泥土物理性质指标数据,分析了翻浆冒泥土的颗粒组成、可塑性指标、渗透性及矿物成分,总结了基床发生翻浆冒泥土的基本物理力学性质,旨在为相关研究提供一定的参考和借鉴.

1　基床翻浆冒泥发生机理与外因

路基翻浆冒泥是多种影响因素耦合作用引起或产生的结果.如列车车速、轴重、长期疲劳荷载作用、路基排水不良、降水或浸水作用及影响等,这些都会共同影响和改变翻浆冒泥的物理力学性质的范围或程度.虽然过去对翻浆冒泥病害开展了不少的研究,但路基翻浆冒泥的发生机理尚不完全清楚,仍值得进一步研究.

1.1　基床翻浆冒泥发生的机理

国内外不少学者对铁路基床翻浆冒泥和公路翻浆冒泥产生机理开展了一系列研究.针对混凝土刚性路面翻浆冒泥,Van[8]指出翻浆冒泥是:(1) 当车辆通过时,路基、底基层或路肩的细颗粒和水一起从板接缝、裂缝或边缘挤出,喷溅出稀泥浆的现象;(2) 使板下材料发生重分布的现象.翻浆冒泥过程中,由于排水不畅,雨水从路面渗透到路基和底基层中,车辆荷载作用下路面板边缘、接缝和裂缝发生挠曲变形致使孔隙水压力累积.底基层、路基中的细颗粒在孔压消散过程中被携带出来,发生翻浆冒泥.Van[8]解释板下材料发生重分布的机理:主要是由于表面侵蚀致使稳定层材料表面的细颗粒迁移.在这个过程中,水在弯矩面板的接缝处聚积,当车辆从接缝前后板依次通过时,接缝处积聚的水在前后板下来回运动,细颗粒从前板底带出,滞留在后板底下,导致前板底脱空,前板易产生裂缝.

Alobaidi等[9-13]在室内开展单元试验和三轴试验,研究高速公路路基与底基层交界面翻浆冒泥机理.试验中,交通荷载用循环荷载模拟,荷载幅值为10～30 kPa.根据试验结果,建立了翻浆冒泥量与循环变形量间的关系,发现翻浆冒泥量与路基永久变形量呈正比,翻浆冒泥速度随循环荷载次数的增加而降低.他们认为底基层粗颗粒嵌入路基土中,致使接触应力降低;泥浆使土工布渗透系数降低和泥浆的黏滞性增加等是影响翻浆冒泥速度的主要因素.循环荷载的平均值增加导致循环变形降低,荷载幅值增加,永久变形速率和循环变形量增加.路基面上的滞留水越多,翻浆冒泥量就越大.荷载频率主要影响路基面孔隙水压力的发展.路基土的超固结比越大,路基的永久变形和循环变形变小.同时,他们特别指出路基面超孔隙水压的不利影响.超孔隙水压导致有效应力降低和加快永久变形的速率,最终引起路基剪切破坏.

Takatoshi[14]提出了一个物理模型来描述翻浆冒泥过程,强调了在列车荷载作用下轨枕上下起伏引起的抽吸力的重要性.

Eng Sew[15]基于近1 a的现场跟踪测试,认为基床翻浆冒泥可能发生的条件:(1) 滞留在路基与道床层交界面的水在列车反复动荷载作用下软化和冲刷路基面细颗粒;(2) 道砟局部压缩和颗粒水平滑移在轨枕下产生空隙;(3) 路基局部土质不良.

在法国,为了研究道床下土石夹层的形成及翻浆冒泥现象的驱动因素,Duong等[16-17]在室内进行物理模型试验,将道砟直接铺放在路基面上,缺少底砟层.结果发现,水是细颗粒迁移的最重要的影响因素.在路基土接近饱和状态时,循环荷载引起的超孔隙水压超过循环荷载的波谷值,导致路基土液化,超孔隙水压的消散带动细颗粒向上迁移.此外,他们也指出土的压缩性对翻浆冒泥具有较大影响,若土的压缩性较高,致使超孔压极易形成,易引发翻浆冒泥.

杨若芳等[6]经过大量的现场调研,总结了基床翻浆冒泥病害形成的条件:(1) 基床土中颗粒(颗粒直径<0.05 mm)含量>60%,液限WL>32,塑性指数IP>12;(2) 路基面下软弱层较薄,软弱层下部较坚硬,无侧限抗压强度>130 kPa,轻型动力触探N10>4.同时降雨量大,地表水疏导不畅以及地下水丰富;(3) 列车荷载的重复冲击、振动作用.

聂如松等[18-20]认为基床翻浆冒泥与路基服役状态密切相关.施工碾压不密实、基床层围压很低、承受的动偏应力很高等因素导致在路基表面形成很多细小裂缝,致使地表水能自由渗入土体中.路基面土体被水浸湿和软化后,道砟颗粒在列车荷载反复作用下易嵌入路基中,逐渐发展形成翻浆冒泥病害.

1.2　基床翻浆冒泥发生的外因

动荷载是影响基床翻浆冒泥发生的重要外因之一.列车轴重、行车速度以及线路状况是影响路基动荷载大小的关键因素.根据理论和实测分析,路基面承受的动应力与轴重呈线性关系[21].表1为世界主要重载铁路国家轴重及车长统计表.

表1　主要重载国家重载列车轴重和车长Tab.1　Typical heavy haul railway freight trains including axle loads and length worldwide

韩自力等[22]对我国既有铁路路基动应力进行分析,发现轨道状态极差或有路基病害时,路基动应力最大值比正常情况下的大2～3倍.20世纪末到21世纪初,我国既有线进行了6次大提速,虽然机车轴重加大、列车运行速度提高了几倍,但由于线路状态及日常维护管理水平和轨道结构部件强度相应提高,路基动应力并没有提高,说明轨道结构状态及平顺性对路基动应力的影响很大.

水和温度也是引起基床翻浆冒泥的重要条件.我国南方地处亚热带,夏季高温多雨,冬季温和少雨,雨热同期.降水量在800 mm以上,山地迎风坡降水较多,且常为晴雨相间,致使基床土处于干湿循环变化之中,为翻浆冒泥创造了有利条件.北方季节性冻融区,基床翻浆冒泥常在春融期发生.乔连军[23]指出季节性冻融区基床翻浆冒泥在路堤和路堑中均出现,与道床厚度、清洁程度不相关,对于刚清筛大修过地段,也发生翻浆冒泥.气温的变化对翻浆冒泥病害的程度影响较大,升温越快,翻浆冒泥程度越严重.上一年的雨雪量大,翻浆冒泥处就越多.

路基所处的地形特征也可能引起路基发生翻浆冒泥.杨荣兴[24]报道的浙赣线红门工点翻浆冒泥病害,位于山间峡谷地带,汇水面积较大,路堑深度为4～12 m,路基排水不良也为基床发生翻浆冒泥病害提供了温床.

2　基床翻浆冒泥内因——土性分析

本文收集和统计了国内外60多组翻浆冒泥土基本物理性质指标数据.这些数据样本来源中国、北美、泰国、法国、英国、印度和日本等,包括铁路、公路基床翻浆冒泥病害现场实测数据,和实验室模型试验数据,统计数据如表2.统计的参数主要包括土的级配、矿物成分、液塑限、渗透系数、孔隙比、饱和度、自由膨胀率等.

表2　翻浆冒泥土的物理性质Tab.2　Physical properties of mud pumping soils

续　表2Continued Tab.2

续　表2Continued Tab.2

注:P为质量百分数，P0.420、P0.074、P0.063分别指颗粒粒径小于0.420 、0.074 mm和0.063 mm的质量百分数;黏粒指粒径小于0.002 mm的颗粒;粉粒指粒径大于0.002 mm小于0.050 mm的颗粒;砂粒指粒径大于0.050 mm小于2.000 mm的颗粒;砾粒指粒径大于2.000 mm的颗粒;*表示最优含水率或最大干密度.

2.1　颗粒组成

易发生翻浆冒泥土的工程性质与其颗粒组成密切相关.日本在1955年对其国内发生翻浆冒泥病害的土质进行调查分析后发现,发生翻浆冒泥的路基土的颗粒组成需满足下列条件:粒径小于0.420 mm的质量百分数P0.420>70.0%;R=P0.074/P0.420>0.65[25].

杨若芳等[6]和周锡九[45]总结出基床翻浆冒泥土颗粒成分三因分类图(如图1(a)).认为:土质路基面翻浆冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒40.0%以上;风化极严重的石质路基面翻浆冒泥土一般含黏粒在30.0%以上、含粉粒30.0%以上.图中密线部分表示最易发生翻浆冒泥土、石的颗粒组成(砂黏土、粉质黏土和黏土).

(a)文献[6](b)本文图1　基床土颗粒三因分类图Fig．1　Particlesizedistributionofsubgradebedsoilsinmudpumping

将本文统计的翻浆冒泥土的颗粒组成用点在三因分类图中标出来,如图1(b)所示.从图中可以看出,绝大部分点落在黏粒含量大于20.0%、粉粒含量大于20.0%重叠的三角形区域,说明该区域的土体会发生翻浆冒泥.在这个区域内,存在一个三角区域(黏粒含量大于30.0%、粉粒含量大于40.0%)的点最多最密.该区域与杨若芳等[6]和周锡九[45]总结的结果较为一致.还有两点落在图中密线重合的三角形区域之外,这两点是在特定的情况下发生的翻浆冒泥,如Hayashi等[41]报道的日本新干线隧道内仰拱底翻浆冒泥病害.

图2为黏粒含量Pclay和粉粒含量Psilt的比值与细颗粒含量的分布图.从图中可以看出,翻浆冒泥土大部分位于图中的矩形范围内,其中有一点落在矩形之外.该点属于路基面与泉眼翻浆冒泥的综合[24],在该案例中,泉眼对基床翻浆冒泥的产生起决定性作用.从图2中还可以看出,细粒含量大于8.0%就有发生翻浆冒泥的可能.除此之外,还发现在翻浆冒泥土的细颗粒部分,粉粒的含量一般要大于黏粒的含量.这是因为,粉粒的含量大,颗粒细小而没有粘聚力,土容易处于散粒状态,更容易发生翻浆冒泥.

图2　翻浆冒泥土细粒组成分布Fig.2　Composition of fine particles in mud pumping soils

2.2　可塑性指标

伊东孝之[46]认为WL>35%,IP>9的土极易发生翻浆冒泥.杨若芳等[6]根据大量调研资料,总结出土质基面和风化石质基面翻浆冒泥病害土的可塑性指标分布图如图3所示(图中：C为黏土，M为粉土，O为有机质土；L为低液限，I为中液限，H为高液限，如CH表示为高液限黏土).同时,铁路路基设计规范(TB10001—2005)中规定Ⅰ级铁路应选用A、B组填料;Ⅱ级铁路可选用A、B、C组填料,当选用C组填料时,在降水量大于500 mm/a地区,要求IP≤12,WL≤32%;否则需改良、加固土质.

根据表2,统计出翻浆冒泥土可塑性指标分布如图4所示.图4显示翻浆冒泥土的可塑性指标分布规律与图3杨若芳等[6]总结的类似,但翻浆冒泥土的范围明显要大.WL>23%,IP>6.5的土易发生翻浆冒泥,这不仅包含了高液限、中液限土,还包含了部分低液限粉质黏土.图3、4中D、E线是根据翻浆冒泥土(表2)的可塑性指标最小值确定的,D线平行于A线,是根据翻浆冒泥土的可塑性指标分布凭经验推定,尚缺乏理论支撑.

(b) 风化石质基面图3　文献[6]的翻浆冒泥土的可塑性指标范围Fig.3　Plasticity chart of mud pumping soils suggested by Reference [6]

图4　翻浆冒泥土的可塑性指标范围Fig.4　Plasticity chart of mud pumping soils

2.3　渗透系数

杨若芳等[6]总结了翻浆冒泥土的渗透系数范围:土质基面(1.05×10-7～9.5×10-9m/s);风化石质基面(4.8×10-7～6.16×10-10m/s),为弱或不透水层.而本研究的结果(如表1所示)发现,在土的渗透性(1.0×10-6m/s)较好的情况下,仍会发生翻浆冒泥.我国高速铁路路基基床层采用级配碎石填筑,张云根[47]对级配碎石的渗透性进行了室内实验测试,发现级配碎石在K=95%,渗透系数处于(1.50～2.85)×10-5m/s之间,实际工程中,高速铁路路基基床表层的压实度要大于95%,其渗透系数要低于室内实验结果,但渗透系数在数量级不会太大变化(10-5m/s范围内).即便是级配碎石这种渗透性很好的材料,在高速铁路运营中发现,仍有部分路基出现翻浆冒泥现象.

翻浆冒泥土的细颗粒含量P与渗透系数k之间的关系如图5所示.通过拟合,发现翻浆冒泥土的k与P之间存在很好的负指数关系,相关系数R2=0.90.在粗细颗粒混合土中,细颗粒的增加会导致粗颗粒的骨架作用降低,颗粒比表面积增加;水被细颗粒静电引力吸引越强,在颗粒表面的水分越多,结果导致土体中孔隙通道被堵塞的几率增大,土体的渗透性降低.由图5可知,翻浆冒泥的土位于拟合曲线上及其附近,P的变化范围为0～100%,k≤1.0×10-5m/s.

图5　渗透系数k与细颗粒含量P的关系Fig.5　Relation between the permeability coefficient k and fine particle content P

2.4　矿物成分

表1数据中接近一半的翻浆冒泥病害发生在膨胀土中,且大部分土体的自由膨胀率小于40%.膨胀土的黏土矿物成分一类以蒙脱石为主,另一类以伊利石和高岭石为主.由于蒙脱石和伊利石是亲水性强的黏土矿物,遇水膨胀且强度衰减,失水收缩和反复胀缩变形,性质极不稳定.当路基基床层填料中细颗粒的主要矿物成分为蒙脱石时,蒙脱石晶胞间为数层水分子,有联结力很弱的O2-相互联结,晶格间具有很大的活动性,遇水后水分子可以无定量地进去晶格间,使其发生膨胀,体积可以增大数倍.此时的细颗粒与水形成泥浆,成为填料粗颗粒之间的润滑剂,包裹填充粗颗粒,使粗颗粒填料的强度显著下降,另一方面,蒙脱石的强亲水性,使基床填料的赋存水的能力显著增强,而渗透性将显著降低,致使基床层的水不能及时排出.列车动荷载反复作用下,基床层显著降低的强度和动荷载引起的超孔水压为道砟颗粒嵌入路基基床提供便利,形成道砟与路基填料混合交叉夹层.随着运行时间的延长,夹层越来越厚,道床层相对越来越薄,最终发展到道床表层翻浆冒泥.因此,在《铁路特殊路基设计规范》(TB 10035—2006)中明确规定基床表层不得采用膨胀土(岩)或其改良土填筑.当膨胀性土在改良时搅拌不均匀,效果不佳时,也容易发生翻浆冒泥病害.

3　结　论

基床翻浆冒泥是铁路路基常见的顽疾和病害,它不仅使铁路线路的技术状态发生变化,严重影响线路质量,致使线路维修工作量大大增加、线路上部建筑材料使用寿命大大缩短,同时还造成材料和劳动力的极大浪费;由于道床板结、软化,使道床的整体弹性急剧降低,严重影响行车的舒适性和安全性.本文分析和总结基床翻浆冒泥产生机理和条件,收集和统计了国内外60多组基床翻浆冒泥土基本物理性质指标数据.分析了翻浆冒泥土的颗粒组成、可塑性指标、渗透性及矿物成分,得到以下几点结论:

(1) 基床翻浆冒泥病害发生机理非常复杂,影响翻浆冒泥的因素众多,尚没有描述翻浆冒泥的理论模型,需要进一步研究.

(2) 在统计的翻浆冒泥土中,绝大部分黏粒含量大于20%、粉粒含量大于20%;其中黏粒含量大于30%、粉粒含量大于40%的土所占数量最多.翻浆冒泥土中粉粒的含量一般要高于黏粒含量.

(3) 翻浆冒泥土液限大于23%,塑性指数大于6.5,包含砂黏土、粉质黏土、黏土,部分低液限粉质黏土.

(4) 翻浆冒泥土的渗透系数

k≤1.0×10-5m/s.

翻浆冒泥土的k与细颗粒含量P之间存在很好的负指数关系,其关系式为

k=1 308e-0.06P,R2=0.90.

致谢:中南大学研究生创新项目(2016zzts080).

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