黄土高原铁路路基影响因素分析及防护研究

王美玉

（晋能控股山西煤业股份有限公司塔山铁路分公司 山西大同037003）

0 引言

黄土高原位于黄河中游地区，是世界上水土流失最为严重的区域之一[1]，地质疏松，气候干旱，雨水量少而集中，降雨多集中于夏季，且植被较少，存在严重土壤侵蚀问题，地基承载力差[2]。在这个区域修建铁路专用线，就需要解决地基承载力和稳定性的问题。本文结合黄土地基承载力相关技术标准，对黄土高原地质特性作一个简要分析，通过对山西省大同市南郊区塔山铁路分公司铁路线路的路基建设及养护情况的分析，对比了浆砌片石满砌护坡及骨架护坡的施工工艺和使用效果，为铁路路基护坡施工提供科学依据。

1 黄土高原的地质特性

1.1 气候特性

温带季风气候：夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。冬冷夏热，雨热同期。

1.2 地质特性

黄土高原位于中国中部偏北，面积40万km2，海拔1 000 m～1 500 m，高原上覆盖深厚的黄土层，黄土厚度在50 m～80 m之间，最厚达150 m～180 m。土质疏松，暴雨集中，地表缺乏植被保护，地基承载力差。温带季风气候影响和水土流失问题造成了黄土高原地面沟壑纵横，黄土中易溶性盐类、石膏、碳酸盐等遇水后随着矿物溶解，土体会迅速分散、崩解。黄土的抗侵蚀能力很弱。黄土中孔隙度一般可达45%～50%，尤其大孔隙特别突出，成为土体中水体和细粒物质迁移的通道，导致地基承载力下降。

2 地基承载力影响因素

2.1 抗震设防烈度

参考《GB50011-2013建筑抗震设计规范》国家标准。可知，大同、朔州、浑源、宁武等地抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度值为0.10G。

2.2 湿陷性黄土地质特性

黄土本身是一种较为特殊的土壤，土质疏松，颗粒间有较大的孔隙。一旦经雨水冲刷，就会使黄土地质表面及土质结构遭受极大的破坏，最终导致黄土土质呈较大辐度变形以及附加性的下沉，形成湿陷性黄土[3]。

2.3 提高黄土地基承载力的措施

针对以上黄土土质特性，在黄土地区建筑工程建设之前，需要提高该区域的承载能力，首先要对湿陷性黄土进行一系列分析，包括对湿陷性黄土区域成因、黄土下沉实际状况、在此区域施工建设所需要的最小承载力等。

目前对于铁路路基地基承载力各规范有不同的要求。《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106——2010)中3.3.2条“复合地基处理后的地基,承载力应满足下式要求Pk≤k[σ]式中,Pk为基底压力;[σ]为处理后的地基容许承载力;k为地基承载力计算修正系数,对于路堤、场坪等柔性基础地基可取1.2～1.5。按上述要求,处理后地基容许承载力应满足[σ]≥Pk/k=(0.66～0.83)Pk。《铁路路基设计规范》(TB10001-2005)中7.1.5条规定“地基表层为软弱土层,当其静力触探比贯入阻力Pk值:I级铁路小于1.2 MPa,Ⅱ级铁路小于1.0 MPa时;或天然地基基本承载力:Ⅰ级铁路小于0.15 MPa,Ⅱ级铁路小于0.12 MPa时,应根据软弱土层的性质、厚度、含水率、地表积水深度等,采取地基加固措施”。

从铁路工程实用、经济、安全角度考虑，铁路路基在满足变形要求前提下，对于无砟轨道，一般要求工后沉降不超过15 mm,按规范取值。对于有砟轨道可在规范的基础上将承载力特征值适当扩大，地基承载力分项系数如表1。天然黄土地基在不同路堤高度下的总沉降量及工后沉降量见表2。

表2 天然黄土地基在不同路堤高度下的总沉降量及工后沉降量

从表2可以知，按标准一计算的铺轨前后总沉降量随路堤高度的增加而增大，而工后沉降量随路堤高度的增加而减小，并且在两种活载作用下都满足工后沉降小于5 cm的要求。标准二全满足要求。标准三全部不满足要求。按标准一计算，中活载比ZK活载的工后沉降量大11%左右，按标准二和三计算，中活载比ZK活载的工后沉降量大1.4%左右。

3 湿陷性黄土承载力

3.1 常见的提高湿陷性黄土承载力的方法

有冲基碾压法、强夯加固法、预进水方法以及深层搅拌法。其中，深层搅拌法操作简单，可行性强，几乎不产生污染，不需要过度依靠大型机械装置，最为实用。强夯加固法是最为经济、常规的一种方法，但会用到夯锤等大冲击力的装置，会在该湿陷性黄土区域产生较大污染。最为经济、但效果不够长久的是预进水法。

3.2 提高黄土地基承载力方法论述

K1+289-K1+437.7浆砌片石护坡工程，施工顺序:平整坡面一放样挂线一施工袋装砂砾石反滤层一分段施工浆砌片石(或混凝上块)、施工泄水孔、伸缩缝。

砌块的施工顺序应自下而上进行。砌块采用挤浆法分段砌筑,分段位置宣设在伸缩缝处,分层水平砌缝应大致水平。各砌块的砌缝应相互错开,砌缝砂浆应饱满。各砌层应先砌外圈定位砌块,并与里层砌块交错连成一体。圬工所用石料应选用不易风化的石料,其抗压强度不小于30 MPa。通过夯实路基基础，铺浆砌片石基础，可以很大程度上加强护坡的地基承载力。

K7+350-K8+000处拱形骨护坡工程采用M7.5浆砌片石4×3 m拱型截水骨架。

护坡防护,截水槽采用C25预制混凝土砌筑,主骨架厚0.5 m,骨架每隔15 m～20 m设置伸缩缝一道,缝宽0.02 m,采用沥青麻筋全断面填塞,骨架内植草+栽种紫穗槐。详见4.1.1的附图。通过骨架护坡、种植草皮的方式，经济、环保，提高了护坡的地基承载力，解决了水土流失问题延长了护坡使用年限。

4 黄土地区铁路路基护坡修砌施工中应该注意的问题

基于对上述黄土地区地质特性的分析，在应用到铁路路基护坡工程中，常见作法有以下几种：铁路路基护坡常见的作法有植物防护和工程防护，植物防护顾名思义，就是采用种植防护的方法，通常有骨架护坡。工程防护又分为框格防护、封面、护面墙、干砌片石护坡、浆砌片石护坡、浆砌预制块护坡、锚杆钢丝网喷浆、喷射混凝土护坡等。

4.1 浆砌片石与种植护坡作用效果对比情况

4.1.1 浆砌片石防护方案

选大同某运煤专用线铁路路基K1+289-K1+437.7处护坡，于2005年建设，采用浆砌片石，坡度1：1～1：1.5，设计见图1.

图1 原浆砌片石护坡设计图

2015年监测，发现护坡已有明显的基础沉降，沉降约5 cm～8 cm，表面鼓包变形，地基承载作用已趋近于失效，于是，在2015年重新做了护坡。

4.1.2 种植护坡防护方案

2006年在同忻站K7+350-K8+000处采用拱形骨护坡，见图2，种植草籽，养护、补种，通过养护一到两年，直至出苗率达到80%覆盖率，通过植物根系牢牢抓住水份，起到很好的水土保持作用，但由于阴阳护坡的特定原因，导致阴面护坡种植草长势不好，相对没有阳面护坡的地基承载力稳定。通过2007、2008年连续两年观测发现护坡冻融循环现象突出，不能很好的保护护坡地基，抵抗雨水冲刷效果相对较差。

图2 拱形骨护坡设计图

4.2 护坡数据对比

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9比较因素抗压强度（28d）空隙率透水系数（定水位法）反滤作用透水性抗震性能抗侵蚀、堆土流失性能生态亲和性能及特征技术要求骨架护坡M7.5以下15-25%0.1cm/s以上反滤效果显著具有良好的透水性，可实现自由排水，故堤体及坡面都具有高度的安全性。对地震时的变形适应性强。由于自身具整体的过滤效果对侵蚀、水土流失具有一定的抵抗性能。保持完整的水土生态沟通系统，具有良好的生态和环境亲和性能，内部连通的孔隙可使水、空气等自由渗透，适合植物生长，提高自然净化能力。施工简单浆砌片石M7.5-M10砂浆不存在连通空隙1.0×10-9-5.0×10-7cm/s需做反滤层，本身不存在此功能不具备透水性，其排水只能通过排水孔来实现。与护坡基层刚度相差甚大，地震时由于两者动态特性不同而导致变形过大而断裂。使用设置滤层、排水孔等方法，易造成流线集中且流速较快，土粒子流失较严重。抗侵蚀性能强。无生态性能及特征。对石材需处理加工，施工要求高。

5 结论

砌筑护坡时不仅要注意地质条件、自然气候、工程坡度等问题，还需要有施工地点周围的地质勘测报告，要清楚周边土质是否存在湿陷性黄土，注意取必要措施改善地基承载力。如果必须要交叉作业时需详细研究设计方案，确保施工质量。

建议对于坡度在1：1～1：2之间，或坡面位于沟岸、河岸，下部可能遭受水流冲刷，且洪水冲击力强的防护地段，宜采用浆砌石护坡。对坡比小于1.0：1.5，土层较薄的沙质或土质坡面，可采取种草护坡工程。两者使用年限不同，需要不定期巡视监测，相对片石护坡使用年限更长，基础承载力更好。但对于施工难度大、土层较厚，温度、温度和当地降雨量充足，具备种植 条件的护坡，可优先采用种植护坡。