湿陷性黄土路基病害及防治措施研究

2023-05-19王国栋

运输经理世界 2023年3期

王国栋

（甘肃五环公路工程有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

黄土具有湿陷性的特征，在土体浸水后，会发生塌陷变形，而黄土地质在西北地区较为普遍。近年来，随着我国西北地区的铁路交通网不断完善以及相关建设标准的出台，会不可避免地遇到湿陷性黄土路基的问题，而一旦路基发生病害，极易导致列车运行的平顺度变差，影响列车的运行安全。因此，黄土路基经常发生塌陷病害，对列车的正常运行、安全性及可靠性都有着深刻的影响。在对湿陷性黄土路基病害调查的基础上，提出了设计、施工和使用阶段的湿陷性病害防治措施，并对路基发生湿陷性病害的加固措施进行了探讨。基于西北地区湿陷性黄土这一工程问题，分析了湿陷性黄土路基病害产生的原因，有助于设计人员对湿陷性黄土路基有更深入的认识和了解，对提高湿陷性黄土路基病害处理具有现实意义。

1 湿陷性黄土路基病害分类及相关原因分析

1.1 湿陷性黄土路基病害分类

对于铁路工程而言，铁路路基需要承受轨道及列车相关荷载的作用，因此是铁路工程的重要组成部分，一方面路基需要有足够的平顺度，从而保证列车的运行安全，另一方面路基基础需要足够坚固且具有良好的耐久性，从而能够在各种不利的自然环境中仍然保持良好的性能。

为了研究黄土路基病害的类型，针对兰新线兰武段的黄土路基病害进行了实地调研分析。该区域出现的病害主要包括山体滑坡、泥石流、湿陷性黄土沉陷、基床翻浆等，此外还存在部分黄土崩塌性滑坡以及路基下沉的现象，其中湿陷性黄土土质问题导致路基下沉产生的病害影响最大，主要是由于路基排水设施不完善。除此之外，也存在涵洞与路桥过渡段的病害，涵洞病害主要表现形式有基础下沉、冲刷、冲毁、淤积；路桥过渡段病害表现为差异沉降变形、填土浸水软化等。基于以上调研分析，总结了兰新线兰武段的黄土路基病害类型以及常见的表现形式见表1，各类型病害占比如图1 所示。

图1 湿陷性黄土路基主要病害类型占比

表1 兰新线兰武段黄土路基病害类型及常见表现形式

1.2 湿陷性黄土地区路基病害产生的原因

湿陷性黄土产生的原因相对比较复杂，目前存在多种研究理论，其中比较典型的分析如下：当黄土被水浸湿时，胶结材料之间发生化学反应和物理化学反应，导致黄土强度有所降低，是形成湿陷性黄土的主要成因。同时，相较于黄土周围土体颗粒的直径来说，黄土本身的孔隙直径比较大。这种结构形式也是黄土发生湿陷的条件之一，而水分入渗黄土是产生湿陷性的诱因。在铁路工程中，湿陷性黄土路基病害的主要原因如图2 所示。

图2 湿陷性黄土路基病害原因

1.2.1 不恰当的设计位置及路基处理措施

当铁路路基工程建在低洼地区或排水不良地区，或建在排水沟、水库、池塘附近，黄土容易被水浸湿，更容易发生湿陷的情况。此外，在路基处理措施方面也要因地制宜。以下是几种典型的湿陷性黄土处理措施：采用桩基础法可以消除全部黄土湿陷性；水浸法可以处理较厚、较强的湿陷性黄土；化学固结技术主要是指硅化和碱性液体加固，用于黄土产生湿陷性的相关情况。相关设计人员应根据路基处理的深度和宽度采取合理的解决措施，以满足设计要求。

1.2.2 温度对路基病害的影响

对于气候相对寒冷的地区，当温度下降时路基中的水分凝结硬化，导致黄土中的水分重新分布而产生冻胀；当温度升高后，路基中的水分融解，使得线路路基基床中的土体达到相对软化的状态。在列车荷载以及其他复杂自然环境综合因素影响下，可能导致线路几何尺寸发生不均匀的变形，影响路基的平顺度，甚至可能影响列车的运行安全。

1.2.3 不合理的防水措施

水坡设置不合理，效率低下，施工不当造成渗水隐患。渗水是路基基床发生病害的主要原因之一。如果不存在水对路基的影响，路基本身是不会发生病害的。对于黄土来说，遇水后会影响其稳定性，当黄土路基的密实度较低时表现更加明显。部分黄土，即使密实度低，在其干燥时强度相对也较高。比如，重塑黄土在遇水饱和后，强度会变得非常低，软化现象也很严重。

1.2.4 维护和管理不善

由于维护和管理不善，在使用过程中出现了渗水或管道渗漏等情况，导致土被水浸没而发生塌陷。由于施工不当，路基被水浸没或地下水条件发生变化，都可能导致湿陷。

1.2.5 列车荷载作用下路基基床变形

多种原因导致路基排水不良，路基本身含水量会因此增加。如果再次发生压缩变形，可能导致路基产生附加的压缩变形效应，因此做好路基的排水设施对保证路基的结构安全具有非常重要的意义。此外，由于列车荷载多为振动荷载，而当振动荷载的振动频率较高时，造成基床的强度进一步降低，从而会产生更多的路基病害问题。另一方面，在列车振动荷载长期作用下，会造成路基土的动力强度明显降低，而一旦形成，会引发更多的病害。

2 湿陷性黄土路基病害的预防措施

2.1 设计措施

应根据路基结构的特点采取相应的设计措施：首先，选址应尽量避开低洼地区或排水不良地区，而选择排水良好的场地，以便更好地进行排水，同时应避免不宜施工、受洪水威胁、地质条件不良、地下水位较高的场所；其次，应保证湿陷性黄土路基工程具有足够的刚度，选择合适的基础类型以及与其条件相适应的路基工程处理方式，根据实际的工程条件选择桩基础法、水浸法或者化学固结技术对路基进行处理。

2.2 施工措施

湿陷性黄土地区路基病害与施工浸水有关，有的病害发生在施工阶段，有的病害则是施工不当造成的。因此，在施工阶段，应根据湿陷性黄土的特点采取各种施工措施：减少路基基础暴露的时间，当基坑开挖接近设计高度而不能处理时，在设计高度以上保留200～500mm 厚土层；路基施工后，及时清除周围的灰、砂等杂质及废弃物；逐层回填、压实路基周围，且压实系数不应小于0.93。

路基基础施工完毕后，应尽快完成排水沟、排水管等附属设施的施工，并将雨水直接引至排水系统。以上这些措施的目的都是防止施工用水和雨水进入路基基础或基坑，避免黄土产生湿陷，导致路基工程发生塌陷。

施工阶段，如果发现地面浸水、湿陷等情况，应及时暂停施工，且应当切断积水，查明原因和浸水程度，观察路基及斜坡的平整度。对于以上问题必须采取相应的措施进行严格处理，只有达到设计要求后，才可以继续进行施工作业。

2.3 使用阶段的维护和管理措施

保养或管理不当往往会导致湿陷性病害。路基处理、结构措施、防水措施的效果与施工质量有密切的关系，同样，也与路基在整个使用期间的管理和维护有密切的关系。其中，路基的维护及管理包括以下几个重要部分：定期检查排水系统的泄水状况，定期检查排水沟、沟渠、水坡等设施的有效性；在雨季之前和大雨之后，定点检查路基周围的扰动情况。维修管理是一项贯穿整个建筑生命周期的工作，应该由专业人员来完成，在检修过程中做好维护管理记录。

3 湿陷性黄土路基病害的防治措施

湿陷性黄土路基病害的主要原因是土体被水浸湿。因此，发生湿陷性病害时，首先，应采取措施避免土体被浸没，以防止发生更大的破坏。其次，要对路基工程变形进行监测，尤其是病害发生的位置。观察湿陷性黄土路基病害的发生、发展和趋势，分析病害发生原因，提出防治措施。铁路路基工程发生湿陷性病害的防治措施如图3 所示。防治应从以下几个方面考虑。

图3 湿陷性黄土路基病害的防治措施

3.1 基础处理

湿陷性黄土路基的处理方法主要有重锤表面压实、强夯、石灰土垫层、石灰土压实桩、热处理、化学加固等。其中路基处理应根据土体的物理力学性质，消除土体湿陷性，增加土体的承载力、渗透性等。应考虑湿陷性病害的具体情况，确定路基处理的范围和深度。

3.2 基础加强

一般情况下，当路基工程遭到破坏或基础面积需要增加时，应采用基础加强措施。特别是对于路基结构，由于上部荷载不大，扩大基础面积是处理湿陷性病害最有效的措施。

3.3 防水措施

在对路基工程采取加固措施后，还要采取防水措施避免路基工程再次被水浸没，以防止发生塌陷的风险。

3.4 加强边坡防护

通过植物加强边坡防护。在路堤边坡上，种植一些典型的灌木植物以对边坡防护进行加强处理，可有效减少雨水对路基边坡的冲刷。通过多次工程实践证明，野紫薇、夹竹桃、紫穗槐、黄荆、柠条、山楂等常用灌木类型的植物方案在边坡防护及绿化施工中取得了良好的效果，既有利于路基边坡的加固，同时也可以美化环境，改善铁路工程周边的生态。

此外，也可以采取多种方式对边坡进行加固，如加筋土加固、双灰桩加固、利用土工格栅加筋土进行边坡复旧等。

湿陷性黄土路基病害有其自身的特点，主要原因是土体被水浸湿。因此，在设计和施工阶段应尽量预防湿陷性病害的发生，采取有效措施减少或避免湿陷性病害的发生，此外，还应重视路基使用阶段的维护和管理。同时，如发生湿陷性病害，应根据路基的特点选择相应的处理措施。