高铁路基工程专题技术探讨的

高速铁路路基工程专题技术探讨The Study on High-speed Railway Subgrade Technology摘 要高速铁路是铁路现代化的标志之一,它具有快速、平稳、无污染、安全舒适等优点,是目前我国铁路线路发展的主要方向。路基作为高速铁路的基础,它的坚固平稳与否,直接影响线路的运行速度和安全性。然而,由于铁路路基一直暴露在复杂的自然环境之中,受各种不确定性因素影响较大,路基沉降和遭受破坏等病害在所难免。本论文通过查阅相关资料,经分析整理,对以下几方面做了总结归纳。通过分析对路基沉降影响最为严重的特殊性质土和水产生病害的机理,制定路基加固和防排水措施；路基边坡不仅可以保证路基免受雨水风沙的破坏,而且还能美化环境,本文对目前应用比较成熟的边坡防护技术作了介绍；通过分析路桥过渡段的特殊结构,对目前常用的治理措施作了介绍；最后,就高速铁路路基检测维修重点做了简单介绍。关键词：高速铁路 路基病害 路基检测维修 路基沉降 AbstractHigh speed railway as the symbol of the modernization of railway which features of high speed, stability, non-pollution, safe and comfortable, etc. and it is the main development direction of the railway at present in China. Subgrade as the foundation of the high speed railway, its solidarity and stability have direct affect on operation speed and safety of line. However ,because the subgrade is always exposed in complex natural environment ,affecting by varies uncertainty factors, it is suffered from embankment settle and destroyed by disease.This paper, by consulting relevant information and with reference with analysis, make a summary of followaspects:according to the analysis the special properties soil and the mechanism of water disease which affected heavily. And take measures of subgrade reinforcement and the drainage; embankment slop is not only can prevent the subgrade from destruction of sand and water, but also can beautify the environment. In this paper ,there is an introduction about the popular slop protection technology and a analysis with the special structure of transition section of bridge .Finally, make a brief introduction about the main point of test and maintenance of high railway subgrade.Keywords: high-speed-railway subgrade disease subgrade settlement slope-protection目 录第1章绪论11.1 高速铁路概述11.2 高速铁路路基21.2.1 概述21.2.2 常见病害31.2.3 论文容4第2章特殊性质土壤处理52.1 概述52.2 湿陷性黄土路基处理技术52.2.1 湿陷性黄土的概念52.2.2 湿陷性黄土的特征52.2.3 湿陷原因52.2.4 湿陷性黄土地基的处理52.3 冻土地区路基处理技术112.3.1 冻土的概念112.3.2 冻土区不良工程地质现象122.3.3 冻土地区路基的处理132.4 软土地区路基处理技术172.4.1 软土的概念172.4.2 软土的成因类型及工程特性172.4.3 软土路基的处理172.5 膨胀土地区路基处理技术242.5.1 膨胀土的概念242.5.2 膨胀土的工程特性242.5.3 膨胀土的路基的病害252.5.4 影响胀缩变形的主要因素262.5.5 膨胀土地基处理27第3章路基排水与防护283.1 概况283.2 路基排水的目的及原则283.3 主要容293.3.1 路基地面排水293.3.2 路基地下水的降低与排除32第4章路基边坡的防护养护424.1概述424.2 路基边坡对降雨的防护424.2.1 问题分析424.2.2 防护措施434.3 风沙对铁路路基边坡的风蚀以及对路基的沙埋494.3.1 工程防护措施504.3.2 植物防护措施534.3.3 沙区施工注意事项53第5章路桥过渡段常见问题探讨545.1 概述545.2 京沪高铁施工实践545.2.1 过渡段的结构设计及质量标准545.2.2 施工工艺及填筑参数的确定555.2.3 注意事项605.2.4 效果605.3 高速铁路路桥过渡段变形原因分析605.4 路桥过渡段的处理方法625.4.1 桥头设搭板和枕梁625.4.2 粗粒级配料填筑635.4.3 加筋土路基结构645.4.4 桥头路面结构的改进655.5 过渡段处理注意事项665.6 结语66第6章高速铁路检修重点67第7章结束语68参考文献69致70附录A 外文资料翻译71A.1 英文71A.2 译文821 / 93第1章 绪论1.1 高速铁路概述高速铁路,简称高铁,是指通过改造原有线路,使营运速率达到每小时200公里以上,或者专门修建新的高速新线,使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外,车辆、路轨、操作都需要配合提升。高速铁路的概念20世纪60年代以来,高速铁路在世界发达国家崛起,铁路发展进入了一个崭新的阶段。高速铁路的蓬勃兴起,在世界围引发了一场深刻的交通发展变革。近年来,随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,我国也开始重视提高旅客列车的速度。20XX客运专线铁路最高试验速度达到了321.5 km/h,20XX京津城际铁路最高试验速度达到了394.3 km/h,20XX12月武广铁路客运专线在两车重联情况下跑出了394.2 km/h的试验速度。20XX开通的京沪高铁运营速度为350km/h。京沪高速铁路于20XX4月18日开工,从南站出发终止于虹桥站,总长度1318公里,总投资约2209亿元。全线纵贯、XX、三大直辖市和、四省。是新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路。20XX6月30日正式开通运营,到最快只需4时48分,实现千里京沪一日还。图 1-1 高速铁路列车图1-2 我国2020年将建成的高速铁路网1.2 高速铁路路基1.2.1 概述在高速铁路快速发展的同时,一些问题也逐渐显现出来。由于在轮轨接触的铁路技术中,随着速度的提高,对基础设施和移动的车辆都提出了新的要求,主要可以归结为两个方面,一方面当速度超过250 km/h以后,空气动力特性发生显著变化,因此对车辆结构和铁路基础设施提出新的要求；另一方面由于高速运行的列车需具备持久稳定、高平顺性及安全舒适的运行条件,因此对轨下基础提出新的要求。路基是轨道的基础,也叫线路下部结构。高速铁路的出现对传统铁路的设计施工和养护维修提出了新的挑战,在许多方面深化和改变了传统的设计方法和观念。铁路路基是铁路工程的重要组成部分,是承受轨道和列车荷载的基础。它的稳定和安全将直接影响今后长期运营的安全与效益,而路基这种土工结构物的工程性质极为复杂,其强度与稳定性受多种因素的影响与制约。对铁路路基的沉降变形进行控制,能够明显的提高铁路路基的质量,保证铁路运输的安全。随着国家铁路第六次大提速的完成,铁路运输对路基的抗沉降能力有了更高要求。因此加强对铁路路基沉降变形和控制措施的研究,对保证铁路运输的安全,推动我国经济的发展有着重要的作用。图1-3 高速铁路无砟轨道路基1.2.2 常见病害高速铁路路基常见病害有：路基沉降、边坡损坏、雨水风沙冲蚀、特殊地质条件下的病害等。本文着重探讨的是对行车影响最为关键的沉降问题,以及边坡防护。图1-4 铁路路基遭到破坏1.2.3 论文容本论文的主要容为影响铁路路基稳定的因素：土壤的性质铁路的修建是一项规模庞大的工程,因此,在项目施工的过程中,势必会遇到不同的地质状况以及性质各异的土体类型。而土壤的性质根据其类型的不同也有着明显的差异.成为了影响铁路路基沉降的首要因素。例如黄土地区,由于黄土具有较强的湿陷性,故而成为引发铁路路基沉降变形的重要原因。同样,在软土地区进行铁路铺设时,也需要注意土体的性质对铁路路基的影响。由于均匀并且土质良好的土壤,在沉降过程中沉降均匀,所以本文不作介绍,而主要介绍特殊性质土壤的处理措施。这些将在第2章详细介绍。水分的影响水分对于铁路路基的影响是不可小视的。在地质岩性较强,土壤的排水能力较好的地带,降水对铁路路基的影响相对较小。但是当铁路铺设在土质疏松或土壤湿陷性强的地区时,水分的多少会对铁路路基的沉降起到重要的影响。如在土质疏松的地区,强降水会不断冲刷路基两侧的土壤,破坏路基填土的稳定性,降低路基填土的抗剪强度。从而导致路基沉降变形现象的发生。而在土壤湿陷性较强的地区,降水不仅影响着路基填土的承载力,也会对土体的结构产生破坏最用,最终引起路基的沉降变形。这些将在第3章详细介绍。影响边坡的主要因素是降雨和风沙侵蚀,边坡的破坏将直接影响路基的长期稳定喝列车的正常运营,所以应足够重视边坡的防护,对于保护路基免受损坏、美化环境也有很大帮助,在第4章将着重介绍边坡的防护。路桥过渡段的影响路桥过渡段由于是两种不同性质的路基的突然变化,造成沉降不一致,会出现沉降差,影响旅客舒适性。具体介绍在第5章。工程的质量铁路项目的工程质量是直接影响路基沉降量的重要因素。在施工的过程中,对路基的处理方式、填料的选择、填筑的厚度、路基的压实度以及自然沉降的时间,都对路基的工后沉降量起到了一定的决定作用。因此,在铁路的设计施工中,要严格的对工程质量加以控制,尽可能的减少路基的沉降量。根据影响路基病害的因素,采取相应的措施,既能对病害发生前的预防提供指导,又能对病害发生后制定整治措施提供科学依据。第2章 特殊性质土壤处理2.1 概述普通土壤一般工程性质良好,沉降均匀稳定,受环境变化影响较小,对于此类土壤的处理措施已经非常成熟,可参考资料也非常多,故不作介绍。特殊性质的土壤,工程性质较差,常发生灾害,对行车安全和养护维修造成很大影响,本文将着重介绍几种常见的影响较大分布广泛的特殊性质土。主要有：湿陷性黄土冻土软土膨胀土2.2 湿陷性黄土路基处理技术2.2.1 湿陷性黄土的概念在上覆土层自重应力作用下,或者在自重应力和附加应力共同作用下,因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土称为湿陷性土2.2.2 湿陷性黄土的特征在上覆土层自重应力作用下,或者在自重应力和附加应力共同作用下,如遇到浸水情况,土体结构将发生显著变形,导致土体塌陷。有些杂填土也具有湿陷性。湿陷性黄土广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区。2.2.3 湿陷原因黄土的湿陷现象是一个复杂的地质、物理、化学过程,对其湿陷的原因和机理,国外学者有种种假说,如毛细管假说、溶盐假说、胶体不足假说、水膜楔入假说、欠压密理论和结构学说等。2.2.4 湿陷性黄土地基的处理根据建筑物的重要性、地基湿陷类型、地基湿陷等级进行地基设计。当地基的总湿陷量不大于5cm时,各类建筑均可按非湿陷性地基设计；在非自重湿陷性地基上,当地基各土层的湿陷起始压力均大于其附加压力与上覆土的饱和自重压力之和时,各类建筑也可按非湿陷性地基设计。地基设计包括承载力、湿陷变形、压缩变形和稳定性计算。进行湿陷性黄土地基处理,在处理深度和处理围上区分： 浅处理,即消除建筑物地基的部分湿陷量；深基础处理,即消除建筑物地基的全部湿陷量,这种方法包括采用桩基础或深基础穿透全部的湿陷性黄土层。2.2.4.1 防水措施以防止大气降水、生产和生活用水以及浸入地基,是湿陷性黄土地区建筑物设计中不可缺少的措施。如做好总体的平面和竖向设计,保证整个场地排水通畅,并做好防洪措施,保证水池类构筑物或管道与建筑物的间距,符合防护距离的规定,确保管网和水池类构筑物的工程质量,防止漏水；对于屋面和房屋地面,应有排除雨水和防水的措施：对经常受水浸湿或可能积水的地面还应按防水地面设计严防漏水,基坑施工阶段需做好临时性防水、排水工作。2.2.4.2 结构措施结构措施的目的是为了减少结构物的不均匀沉降,或使结构物适应地基的变形。当地基不处理或仅消除地基的部分湿陷量时,结构设计应根据建筑物类别,地基湿陷等级或地基处理后下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值或剩余湿陷量以及建筑物的不均匀沉降、倾斜和构件等不利情况,采取下列结构措施：选择适宜的结构体系和基础形式。墙体宜选用轻质材料。加强结构的整体性与空间刚度。预留适应沉降的净空。在上述两种措施的基础上,力求简单的建筑平面布置、加强其整体结构的刚度,在适当位置布设沉降缝,减小不均匀沉降对建筑物的影响,使建筑物自身有调节地基湿陷变形的条件。2.2.4.3 地基处理方法由于受水浸湿这一特定条件的不确定性,土体湿陷对工程建设具有极大的危害性,轻者使工程结构产生裂缝和下沉,重者使工程结构体系失稳直至彻底破坏。因而,在湿陷性黄土的地基中选择可行的、经济合理的地基处理方法非常重要理必须慎之又慎,要在正确掌握场地工程地质特性的基础上,严格按国家现行规进行。灰土垫层法灰土垫层是湿陷性黄土地区使用最早和最广泛的地基处理方法之一。灰土垫层是先将需要处理的湿陷性黄土挖除,换之以消石灰和粉质黏土的混合体分层压实。灰土具有一定的胶凝强度和水稳定性,具有较好的强度、承载力、较低的压缩性和良好的耐久性、水稳性及不透水性。灰土的这种特性取决于灰土的压实度和掺灰量。掺灰量用消石灰和土料的体积配合比表示,一般为2：8或3：7等,根据设计要求确定。灰土垫层具有一定的强度、承载力,也具有水稳定性和抗渗性,且施工工艺简单、取材方便、工程费用低、施工质量易控的特点得到广泛应用。据不完全统计,在陕北地区的建筑工程中,有将近一半多层建筑使用灰土垫层。图2-1 土方开挖平面图强夯法强夯法又名动力固结法,是将很重的锤从高处自由落下,给地基以冲击能和振动。国外最大的夯击能曾达到50MNm。它适合加固从砾石到不饱和粘性土的各类地基土。强夯法不仅能提高地基的强度,降低其压缩性,而且还能改善其抵抗液化的能力和消除黄土的湿陷性。强夯法施工设计参数主要有有效加固深度、夯击能、夯击遍数、间歇时间、夯点布置及间距等。影响有效加固深度的因素很多,除了锤重和落距以外,地基土的性质、不同土层的厚度及其他强夯设计参数等都与有效加固深度有着密切的关系。强夯法施工设备简单；施工工艺、操作简单；适用土质围广；加固效果显著,可取得较高的承载力,一般地基强度可提高25倍,变形沉降量小,压缩性可降低21O倍,加固影响深度可达610m；土粒结合紧密,有较高的结构强度；工效高,施工速度快、较换土回填和桩基缩短工期一半；节省加材料；施工费用低,节省投资；它的适用围十分广泛。其缺点是施工时噪声和振动较大,不宜在人口密集的城市使用。图 2-2 强夯法施工深层搅拌桩法深层搅拌桩是复合地基的一种,近几年在黄土地区应用比较广泛,可用于处理含水量较高的湿陷性弱的黄土。它具有施工简便、快捷、无振动,基本不挤土,低噪音等特点。深层搅拌桩的施工方法有干法施工和湿法施工两种。干法施工就是粉喷桩,其工艺是用压缩空气将固化材料通过深层搅拌机械喷入土中并搅拌而成。因为输入的是水泥干粉,因此必然对土的天然含水量有一定的要求,假如土的含水量较低时,很轻易出现桩体中心固化不充分、强度低的现象,严重的甚至根本没有强度。在某些含水量较高的土层中也会出现类似的情况。因此,应用粉喷桩的土层中含水量应超过30%,在饱和土层或地下水位以下的土层中应用更好。湿法施工是将水泥搅拌成浆后注入土中的方法。水泥浆通过柱塞式泥浆泵强制注入,除非非凡情况很少断浆,施工中一般采用预搅下沉时就喷浆的工艺,因此桩体的均匀性比干法施工好。图 2-3 深层搅拌桩法施工中应注意的问题：必须在设计或施工中采取有效措施来保证搅拌桩复合地基各参数能达到各自的设计值,否则设计的可靠度会降低,如桩端为硬土,或桩长超过临界桩长时,取值高于规定,就必须采取设置褥垫层或其他方法使桩间土发挥较高的强度,选用较高的桩体强度时,就必须采取增加水泥用量、掺加外加剂、复搅等措施,才能保证设计与预期的实际结果比较一致。灰土挤密桩法灰土挤密桩法属于一种柔性桩复合地基,它是通过夯实的桩身和挤密的桩间土提高地基强度,又通过桩间土的挤密达到消除湿陷性的目的,是湿陷性黄土地区重要的地基处理方法之一。灰土挤密桩一般适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土,处理深度5-15m,处理宽度两端要超过基础宽度的0.25倍,并不应小于0.5m。施工时,先利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔,然后向孔夯填灰土成桩。成桩时,通过成孔过程中的横向挤压作用,桩孔的土被挤向周围,使桩间土得以挤密,然后将备好的灰土分层填入桩孔,并分层捣实至设计标高,二者分别与挤密的桩间土组成复合地基,共同承受基础的上部荷载。灰土通常采用3:7灰土或2:8灰土。桩径一般采用300600mm,桩距控制在22.5倍桩径比较合理,桩孔按正三角形布置,桩间土挤密后3个孔之间土的平均挤密系数不宜小于0.93。桩孔深度应根据建筑物的分类情况、湿陷类型、湿陷等级、湿陷土层厚度综合确定。图 2-4 灰土挤密桩法预浸水法对于自重湿陷性黄土,可在施工前在建筑场地构筑小埝,围成浅塘,向塘中注水并保持一定的水深,让水充分浸入土中,使土产生自重湿陷。若土层很厚,可先在土层中钻孔,填以粗砂和碎石形成砂井,然后在塘放水浸泡,水深保持0.30.5m。预浸水法处理地基方法简单、投资低,但需要一定的浸水时间才能施工,而且因上部4m土体的自重小,不足以消除湿陷性,需采取其他处理措施。化学加固法化学加固则多用于湿陷事故处理。利用某些化学溶液注入地基土中,通过化学反应生成胶凝物质或使土颗粒表面活化,在接触处胶结固化,以增强土颗粒间的连结,提高土体的力学强度的方法称为化学加固法。在我国湿陷性黄土地区地基处理应用很多,并取得实践经验的化学加固法包括硅化加固法和碱液加固法,其加固机理如下：硅化加固法：通过打入带孔的金属灌注管,在一定的压力下,将硅酸钠溶液注入土中；或将硅酸钠及氯化钙两种溶液先后分别注入土中。硅化加固湿陷性黄土的物理化学过程,一方面基于浓度不大的、粘滞度很小的硅酸钠溶液顺利地渗入黄土孔隙中,另一方面溶液与土的相互凝结,土起着凝结剂的作用。碱液加固：利用氢氧化钠溶液加固湿陷性黄土地基在我国始于20世纪60年代,其加则为：氢氧化钠溶液注入黄土后,首先与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反映,反映结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物。碱液对土的加固作用不同于其他的化学加固方法,它不是从溶液本身析出胶凝物质,而是碱液与土发生化学反应后,使土颗粒表面活化,白行胶结,从而增强土的力学强度及其水稳定性。但对下列情况不宜采用碱液加固：对于地下水位或饱和度大于80%的黄土地基； 已渗入沥青、油脂和其他石油化合物的黄土地基。除上述处理方法,还有深层搅拌桩法、振冲碎石桩法、孔深层强夯法、夯坑置换法、压力灌浆法等都不失为好方法地基处理是主要的工程措施。防水措施、结构措施的采用,应根据地基处理的程度不同而有所差别。在实际工作中,对地基做了处理,消除了全部地基土的湿陷性,就不必再考虑其他措施,若地基处理只消除地基主要部分湿陷量,为了避免湿陷对建筑物危害,还应辅以防水和结构措施。2.3 冻土地区路基处理技术2.3.1 冻土的概念凡是土温等于或低于零摄氏度的土,成为冻土。这种状态保持三年或三年以上者,成为多年冻土。多年冻土层的顶面,成为多年冻土上限,简称上限；其地面,称为多年冻土下限,简称下限。在大自然条件下形成的上限,称为天然上限；受人为活动影响形成的新上限,称为人为上限。多年冻土上限和季节融冻层相衔接,称为衔接的多年冻土,多年冻土上限和季节融冻层之间为不冻层隔开的称为不衔接的多年冻土。多年冻土的地下水可分为层上水、层间水、层下水。季节融冻层的季节地下水,不衔接的多年冻土地区的季节融冻层与多年冻土之间的常年地下水,均在上限以上,统称为层上水。在上限以下,下限以上的多年冻土层局部融区的地下水,成为层下水。我国多年冻土分布地区很广,约占全国面积的1/5,较集中的地区是东北大小兴安岭和青藏高原。2.3.2 冻土区不良工程地质现象融沉冻土融沉性是冻土在融化过程中及融化后发生沉陷的特性。这是由于土中冰变为水和部分水的排出而造成。冻土融沉包括与外荷载无关的融化沉降和与外荷载直接有关的压密沉降。在多年冻土地区,由于地下冰层较厚且埋藏较浅.在道路施工及通车运营过程中由于各种因素的共同作用,使多年冻土局部融化 冻土覆土层在土体本身的自重和外力作用下产生沉陷,造成路基严重变形。冻土融沉可导致路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡滑塌等。冻胀冻胀是由于路基土中水的冻结和冰体的增长引起土体膨胀、路基不均匀隆起、裂缝。冻胀一般会导致路基发生变形,形成冻胀垄岗。冻胀的原因包括土中原有的水结冰体积膨胀；同时也包括土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻结面富集,水分相对集中,水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层,使土体积膨胀。冻胀产生的原因主要有几个方面： 路基基床表面不平整,未按设计坡率施工,造成积水冻结膨胀形成冻胀病害；路基垫层不洁,污染严重,杂物较多 遇积水后产生冻胀；路基不同朝向形成不均匀冻胀。如道路走向为东西时,路基有向阳坡面和背阴坡面 两侧路基填土的含水量和冻结深度出现差异,易形成单侧冻胀,引起路基不均匀沉降。冻胀本身不仅引起道路路基 路面的破坏,还可引起桥梁、涵洞基础的冻害 特别对早期所修建的下部结构尤为突出。冰锥、冰丘在寒季流出封冻地表或封冻冰面的地下水或河水,冻结后形成丘状隆起冰体称为冰锥。在寒季地面冻结,地下水受地面和下部多年冻土的遏阻,在薄弱地带冻结膨胀而把地表抬起形成的隆起土丘,称为冰丘。热融坍滑由于自然应力或人为活动,破坏了有地下冰分布的斜坡热平衡,使地表土体在重力作用下沿融冻界面呈牵引式位移而形成的坍塌称为热滑坍。热熔沉陷和热熔湖。由于自然应力或人为活动,破坏了多年冻土的热平衡,使地表下沉所形成的凹地或水凹地,称为热熔沉陷和热熔湖。冻土沼泽多年冻土层地表因受积雪及地表水的影响,在平坦与低洼地形成沼泽。因沼泽中多生长有喜水植物及覆盖有泥炭层,保护了多年冻土,形成了隔水层,使地表长期积水或处于潮湿状态。2.3.3 冻土地区路基的处理2.3.3.1 遮阳板路基近几年,国外保护冻路基研究的一个方向就是遮阳板路基,遮阳板置于路基体外,遮挡部分路基体 用来阻挡太直接辐射并且阻隔雨水下渗,从而达到保护冻土路基的目的。用遮阳板遮挡路基在俄罗斯和美国阿拉斯加地区己有研究和应用；在国,尚处于应用研究阶段。图 2-5 遮阳板遮阳板路基的优点遮阳板阻止了太阳对路基阳面边坡的直接辐射。 明显减少了路基吸收的辐射热,显著降低了路基的温度,以达到保护冻土路基的目的。遮阳板能够减少或阻隔带有融化潜热的雨水下渗路基,切断路基边坡的雨水补给 还能保证蒸发散热边界条件有利于蒸发散热,综合作用使得遮阳板路基工程措施降温趋势更明显。遮阳板遮蔽太阳对路基直接辐射效果在暖季和在辐射强烈空气稀薄的高原地区表现得更突出一些。遮阳板路基可调控阴阳面吸热不均,对融化盘偏移,不均匀沉陷,路基纵向裂缝等病害的防治效果显著,既可用于新路,也可用于铁路潜在病害路段的早期治理与防控。遮阳板路基是一项相当好的保护冻土路基形式 对于高海拔,强辐射的高原多年冻土地区,遮阳板工程措施是一种行之有效的降低路基温度保持冻土稳定的地温调控方法。遮阳板路基的缺点遮阳板面板易变形、损坏,多年冻土地区温差大,遮阳板材料热胀冷缩量大,遮阳板在使用中因应力导致结构变形、损坏,不利于工程措施持久使用。路基下冻土地温在人为扰动后的变化是复杂长期的过程。遮阳板路基的效果将达到一个什么样的程度,趋于怎样一种平衡状态,需要经历多长时间才能稳定等问题还需继续观测研究。2.3.3.2 片石通风路基片石通风路基是一种控制热量传输过程的工程措施。片石通风路基通过改变路基的表面形状和热传输机理来调整路基的温度状态,达到保护多年冻土的目的。在暖季 可以阻止外界热量传人路基。起到类似保温材料的隔热作用；寒季可以加快路基散热,起到类似通风管的储冷作用,这是由片石路基特殊的热传输特性决定的。片石通风路堤主要适用于高温、高含冰量、极不稳定的冻土地段及冰层埋藏浅.厚度大且风沙小的地段。图 2-6 片石通风路基片石通风路基的优点片石通风路基能够起到降低基底温度和增加地层冷储量的作用。是一种较好的主动防护冻土的工程措施,适合在多年冻土区使用。片石通风路基减缓了人为上限的不对称性。不仅有利于路稳定,对防止路基的不均匀变形和开裂 也有一定作用。片石通风路基的缺点在车辆荷载作用下,土体冻融时水汽容易迁移,细颗粒土可能挤入片石层中,造成片石孔隙的部分堵塞,同时还会影响路基的稳定性。片石通风路基对片石的性质要求较高 所用石料应洁净、无级配、强度符合要求。且在自然因素的作用下片石容易风化,影响路基稳定性。最佳孔径问题是控制的难点。2.3.3.3 通风管路基通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施,通风管路基主要由路基土体和通风管构成。其工作原理是：在寒冷季节,有较大的密度冷空气在自重和风的作用下将通风管中的热空气挤出,并不断将周围路基土体中的热量带走,达到保护地基土冻结状态的目的。在以后多年冻土新建公路中将是一种很有使用前途的路基型式。图 2-7 通风管路基通风管路基的优点适用于高原严寒气候地区的多年冻土通风管路基通过强迫对流换热方式降低地温,能很好的起到保护下伏多年冻土维持冻结状态的作用。在路基中埋入通风管,可有效阻止路基表面吸收的辐射热量下传,能够有效降低了基底以下部位的地温。通风管路基的人为上限抬升幅度相当大,通风管埋设在路基体中,可抬升多年冻土的上限,对多年冻土起到保护作用。通风管路基的缺点夏季, 通风管也成了热空气的流通通道,对保护冻土非常不利。因此需要在通风管两侧设置空气开关,冬季由于热胀冷缩原理,开关自动打开,冷空气可在管自由流动,而到了夏季 通风管关闭以阻止外部热空气进入管。随着气温不断升高和沥青路面吸热作用,路基的坡脚处会出现融化核,影响路基的稳定性。通风管的设计高度问题。通风管在设置高度一般要高出地面一定距离,高度过低会使水流进入通风管,影响降温性能,并导致一定的沉降变形。2.3.3.4 热棒路基热棒技术是一种无须外加动力源的冷冻技术,应用热棒技术可以通过外加不对称冷量的输入来平衡温度场,既能冷却路基土体,同时也能使路基温度场对称、路基变形均匀。热棒是在密闭真空腔体注入低沸点工质而构成,管的上部装有散热片,管的下部埋入多年冻土中,中间为绝热段。在寒冷季节空气温度低于冻土温度,热管中的液体工质吸收冻土中的热量,蒸发成气体。蒸汽在压差的驱动下,沿热管向上流动至热管上部,遇到较冷的管壁冷凝成液体,冷凝液体在重力作用下,沿管壁流回蒸发段再蒸发,如此循环,把地基冻土中的热量不断地传输到大气中。图 2-8 热棒路基热棒路基的优点热棒的短期冷却路基效果非常明显的,热棒的热系数可高达纯银的数千倍,可在短时间迅速冷却路基。热棒单向传热,反向不传热。在温暖季节。热棒会停止工作,因为温暖季节空气温度高于冻土温度。液体工质蒸汽到热管上部后不能冷凝,达到气液相平衡后,液体停止蒸发,热管停止工作,即热棒的单向传热特性。热棒路基的缺点热棒的使用效果受到众多因素的影响,特别是冻结期长短问题,若冻结期短,融化期长,冻结核尚未在下一个冬季来临之前就全部融化,那么就失去了热棒的应用价值。热棒路基的造价较高,在实际应用中应根据地温特点,工程造价等斟情选择。2.3.3.5 复合路基单一工程措施在具体使用时, 大多数都有较强的时效性, 有些路基形式能在冬季能发挥积极作用,在夏季作用不大或起相反作用。所以当单凭某一种路基工程措施不能有效处理多年冻土路基病害时,可按照不同措施的优缺点,结合病害路段冻土工程实际情况,采用复合式路基,驱利避弊选用保护冻土路基的最优组合措施。2.4 软土地区路基处理技术2.4.1 软土的概念软土是淤泥和淤泥质土的总称。主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。具有天然含水量高、天 然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物 理力学性质相差较大等特点。2.4.2 软土的成因类型及工程特性软土在我国滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围及山涧谷底均有广泛分布。在软土地基上修筑路基,若不加处理,往往会发生路基失稳或过量沉陷,导致路基病害的产生,继而影响列车正常运行。软土一般是指主要由细粒土组成的空隙比大、天然含水率大于或等于液限、压缩性高、强度低和具有灵敏结构性的土层。根据软土的孔隙比及有机质含量,并结合其他指标,可将其划分为软粘性土、淤泥、泥炭质土及泥炭五种类型。习惯上常把淤泥、淤泥质土、软粘性土总称为软土,而把有机质含量很高的泥炭、泥炭质土称为泥沼。泥沼比软土具有更大的压缩性,但它的渗透性强,受荷后迅速固结,工程处理也比较容易。下面介绍天然强度低、压缩性高且透水性小的软土路基问题。2.4.3 软土路基的处理路堤超过临界高度时,为确保路堤在施工和运营期安全使用,必须进行路堤和路基加固处理。加固技术大致可分三类：改变路堤的结构形式；人工地基；排水固结。2.4.3.1 改变路堤的结构形式反压护道反压护道是通过在路堤两侧填筑一定高度的护道起反压作用,防止地基破坏,保证路基稳定的一种有效的工程措施,如图2-9所示图 2-9 反压护道h极限平衡区路堤反压台BLL2L反压护道施工简易,既不需特殊的施工机械和昂贵的材料,也不需控制施工速率,用于非耕作区和土源丰富的地区较为合适,在耕作区则不宜采用。为保证护道本身的稳定,其高度不能超过临界高度,多采用路堤高度的1/31/2,因此反压护道适用于路堤高度不大于临界高度2倍的情况。反压护道的宽度用圆弧法检算确定,护道形式以单级式为佳。铺设土工材料在路堤底部铺设一层或多层土工合成材料,可以起到柔性柴排的作用。土工合成材料主要是聚酯了高分子材料的化合物,耐酸碱,耐腐蚀,并具有较大的抗拉强度。土工合成材料的种类很多,可根据工程要求选用。土工合成材料铺设于路堤地层后,由于其具有较高的强度和韧性,能紧贴地表,使上部填土荷载较均匀的分布到地层中,并能抵抗土坡滑动,阻止冲击破坏面的产生,提高地基的承载力,增强路堤稳定性。此外,还有在路基坡脚附近设置板桩、木排桩、钢筋混凝土桩或片石齿墙等限制软土地基侧向位移的方法。2.4.3.2 人工地基人工地基是软土地基设置各种材料制成桩,构成复合地基或将地基土换成性能良好的土料,以保证路基稳定的一类方法。换土换土是以人工、机械、爆破的方法将软土移除,换填强度较高的黏性土或砂、砾石、碎石等渗水材料。因为彻底地改变了地基土的性质,效果很好。它适用于软土层较薄、无硬土覆盖的情况。若软土被水淹没,施工时可在路堤两侧设置围堰,以便于施工,并使填土过程不受水的浸泡,保证施工质量。当软土的液性指数较大,水不易抽干时,可采用抛石挤淤的方法强迫换土。直接抛石施工时,可先抛中间部分,将淤泥挤向两侧,再向两侧抛石,挤出淤泥。当软土埋藏较深,但厚度不大,换土施工困难或路堤较高、工期紧迫时,可利用爆破法排出淤泥以加速施工。挤密砂桩将砂桩打入软土地基,挤密软弱土层,形成复合地基。在外荷载作用下,应力向砂桩集中,使桩周围土层承受的压力减小,沉降也相应减小。根据我国在淤泥质黏土中打桩前后的荷载试验,其沉降量可比天然地基减小20%30%,因而适用于对沉降要求较高的工程。同时,砂桩与砂井一样,在土中形成排水通路,能加速地基固结沉降的速率,改善地基的整体稳定性,提高地基承载力。图 2-10 挤密砂桩挤密砂桩采用中、粗混合砂料,含水量不得大于5%,也可以用砂和角砾的混合材料。设计规则规定,灌砂要密实,灌砂率不应小于90%。砂桩直径根据置换率要求及施工机械、成桩方法等综合因素考虑,宜选用较大直径。我国目前常用30cm的直径,最大达5070cm,国外多用6080cm,最大可达150200cm。桩在平面上布置成三角形或正方形,桩长不应小于危险滑弧的深度,对于厚度不大的软土,桩长应穿透软弱层。砂桩顶面应铺以砂垫层以利排水。碎石桩碎石桩是以碎石为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或租颗粒土桩。所谓散体桩是指无粘结强度的桩,由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。目前在国外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。图 2-11 碎石桩机碎石桩是散体桩的一种,按其制桩工艺可分为振冲碎石桩和干法碎石桩两大类。采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩或湿法碎石桩。采用各种无水冲工艺制成的碎石桩统称为干法碎石桩。当以砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等为填充料制成的桩称为砂石桩。生石灰桩生石灰桩是用25cm的生石灰块填入软土孔眼中,形成生石灰桩地基,桩的平面布置与砂井相同,桩径通常为2040cm,桩距为桩径的3倍左右,桩长视土层厚度而定,一般不宜很长,10m以。作用机理：使用生石灰砂桩加固地基的主要依倨是利用生石灰吸水膨胀的性质。生石灰在遇水消解的过程中,其体积发生膨胀,对周围土体产生出压密效果 也就是说,生石灰一方面吸收桩周围土体孔隙中的水分,同时,由于挤压作用使土体的孔隙比减小,从而达到加固地基的目的。在生石灰块中掺入一定比倒的砂子,一方面是填充其中的孔隙,增大石灰砂拄的作用效果。另一方面,由于生石灰熟化后生成的氢氧化钙,其韧期为胶凝状,强度较低,而掺八砂子则正好弥补了这方面的不足。粉体喷射搅拌法粉体喷射搅拌法是近年国外常用的一种深层软基加固技术。它以生石灰粉和水泥等粉体材料为加固材料,通过特定的施工机械,用压缩空气将粉体呈雾状喷入土中,使粉体与原土搅拌,形成石灰黏土混合的柱体。它的强度大,水稳性好,可提高软土地基的承载力,减小沉降量。加固深度一般在1015m。2.4.3.3 排水固结排水固结是在软土中设置垂直井,在地表铺设砂垫层,以缩短孔隙水的流程,加速土体的固结的一类方法。这类加固方法,对提高土体强度和地基承载力,增强路堤稳固性,效果十分显著。排水砂井软土地基在荷载作用下,孔隙水慢慢排出,孔隙水压力逐渐消散,有效应力逐渐提高,孔隙体积逐渐减小,地基发生固结沉降,地基强度相应增大。根据固结理论,粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比。土层越后,固结所需的时间越长。为了加速土层固结,最有效的方法是增加土层的排水通道,缩短排水距离。砂井就是按照这个原理而设置的。砂井砂垫层临时性填土永久性填土图 2-12 排水砂井砂井是打桩机具在地基中击入钢管,或用高压射水、爆破等方法在地基中形成按一定规律排列的孔眼,在轻重灌以粗砂而成。砂井顶面应铺设一定厚度的砂垫层以连通砂井,构成完整的地基排水系统。软土地基设置砂井后,改善了地基的排水条件,在附加荷载作用下,排水估计过程大大加快,地基强度迅速提高,因而也改善了地基承载力和路堤稳定性。砂井直径要能满足地基排水固结的要求,在地基沉降过程中不至于被剪断或被细土粒淤塞。虽然理论上需要的直径很小,但在实际中,直径过小难于施工,并且在使用过程中,容易发生侧向位移造成上下错断而失效。根据实践经验,井径采用2030cm为宜,并视打桩机具的套筒尺寸而定。井距直接关系到排水固结的速度,井距愈小,固结愈快。采用小的井距,理论上是合理的。瑞恰特通过理论证明,砂井有效间距缩短一半,将使地基固结度达90%所需的时间缩短为1/6,；而砂井直径增大20倍,是能使固结度达90%所需的时间减少为1/4。说明砂井应采取小而密的原则。井距应保证在给定的施工期限达到要求的地基固结度,使路堤安全填筑。井距的大小用固结理论计算而确定,一般为井径的810倍,常用24米。砂井在平面上的布置,有三角形和正方形两种排列方式,一般采用三角形布置。砂井深度即砂井长度,应根据地基土层情况及路堤高度而定。当软土层较薄时,砂井应贯穿整个软土。当软土层较厚时,砂井不必贯穿软土,其长度通过稳定分析而定。用砂井加固软土地基时,路堤底部必须铺设砂垫层以沟通砂井,将砂井中渗透出来的孔隙水引到路堤坡脚之外。垫层的厚度应保证地基沉降后不至错断和便于施工。垫层和砂井的分布宽度稍大于路堤底面宽度。袋装砂井袋装砂井是在合成材料编织袋充填中粗砂,装入地基孔,以加速地基排水固结,其击鼓原理、设计方法与砂井完全相同。袋装砂井的直径按其排水及施工工艺的要求确定。一般采用712cm,我用较多的是7cm直径。袋装砂井的编织袋应有良好的透水性,袋的砂不易流失,袋子的材料应有足够的透水性,有一定的抗老化、抗地下水腐蚀性。与普通砂井相比的一些优点：袋装砂井直径小,用砂量小,其费用仅为普通砂井的40%50%,造价低廉。由于编织袋是一个整体,能够保持砂的连续性和密实性,不会因地基变形而切断,使用效果良好。砂井直径小,施工时对土层扰动小。由于砂井断面小,重量轻,减小了施工设备的质量,提高了施工效率。基于以上优点,袋装砂井已经被普遍采用,几乎完全代替了普通砂井。塑料排水板塑料排水板法是将预制的带状塑料排水板用插板机将其竖直地插入土中,形成类似砂井的排水通道,使孔隙水沿塑料板的通道流出,从而加固地基土的方法。塑料板的结构形式可分为多孔制单一结构和复合结构型两大类。多孔制单一结构用聚氯乙烯经特殊加工而成,由于其素材本身能形成连通的孔隙,固透水性极好。复合结构型是指由塑料芯板外套既透水又挡泥的滤膜组成,芯板用硬质聚氯乙烯和聚丙烯制成,断面成回字形或十字形等,使其能纵向排水,透水挡泥滤膜由透水性好的涤纶类或丙烯类合成纤维制成。如图：图 2-13 塑料排水板排水砂垫层排水砂垫层是在路堤底部的地面上铺设的一层砂垫层,其作用是在软土层顶面增加一个排水面。在填土过程中,软土中渗出来的水就可以从砂垫层排出来,加速地基固结,提高软土的强度,增强路堤的稳定。0.61.00.51.0砂垫层图 2-14 排水砂垫层2.5 膨胀土地区路基处理技术2.5.1 膨胀土的概念膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限黏土。特征是吸水膨胀、软化、崩解、失水急剧收缩开裂,并能产生往复变形。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石,为一种高塑性粘土,一般承载力较高,具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性,性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形,造成位移、开裂、倾斜甚至破坏,且往往成群出现,尤以低层平房严重,危害性很大,裂缝特征有外墙垂直裂缝,端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝,、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等；地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝。一般于建筑物完工后半年到五年出现。2.5.2 膨胀土的工程特性膨胀土粘粒成份主要由强亲水性矿物质组成,并且具有显著胀缩性的粘性土。该土具有吸水膨胀,失水收缩并往复变形的性质,对路基的破坏作用不可低估,并且构成的破坏是不易修复的。为了保证道路在较长时间路基的稳定和路面的平整度,达到安全、舒适行车的目的,必须处理好施工维护过程中的一些问题。胀缩性膨胀土吸水体积膨胀,使其上部建筑物隆起,如膨胀受阻即产生膨胀力。失水体积收缩,造成土体开裂,并使建筑物下沉。膨胀土在塑限和液限含水率的收缩量与膨胀量,称为极限胀缩潜势。土中有效蒙脱石含量越高,胀缩潜势越大。土的初始含水率越低,膨胀量与膨胀力越大。崩解性膨胀土浸水后体积膨胀,在无侧限条件下则发生吸水湿化。不同类型的膨胀土其崩解性是不一样的,强膨胀土浸入水中后,几分钟就能完全崩解；弱膨胀土浸入水中后,则需要较长时间才能完全崩解。多裂隙性膨胀土中的裂隙,可分垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体分割为具有一定几何形态的块体,破坏了土的完整性。裂隙面光滑有擦痕,且大多充填有灰白或灰绿色黏土薄膜、条带或斑块,其矿物成分主要为蒙脱石,有很强的亲水性,具有软化土体强度的显著特征。膨胀土路基边坡的破坏,大多与土中裂隙有关,且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面所控制。超固结性膨胀土大多具有超固结性,天然孔隙比较小,干密度大,初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后,将产生土体超固结力释放,边坡与路基面呈现卸荷膨胀,并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区,使边坡容易破坏。强度衰减性膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度,具有峰值强度极高、残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性,其初期强度极高,一般现场开挖都很困难。然而,由于土中蒙脱石矿物的亲水性以及多裂隙结构,随着土受胀缩效应和风化作用的时间的增加,抗剪强度将大幅衰减。2.5.3 膨胀土的路基的病害溜坍 路基边坡上局部表层土体,由于降水下渗含水率过大以及土的胀缩作用,强度降低而溜坍。滑坡 和一般滑坡相同,斜坡土体沿土中软弱面而滑动。这一软弱面多为裂隙面、层面或其他结构面。由于土体存在滑坡趋势,当失去前部支撑时,便产生滑动。膨胀土地段的滑坡,其滑动面土体含水率较大,强度低,有时虽然土体边坡已经放缓,但仍易产生滑动。坍滑 路堤边坡坍滑是膨胀土地段的路堑、路堤边坡经常发生的一种变形现象。不少地段的坍滑体厚度不大,但在边坡上却不易扩展。2.5.4 影响胀缩变形的主要因素影响膨胀土胀缩变形的因素,可以归纳为部和外部两种,其中,因是根据,外因是条件,外因通过因起作用。其主要因素有5种：土的黏粒含量膨胀土的黏粒含量高,多达35%85% ,其中粒径0.002 mm的胶粒含量一般也在30%40% 。液限一般为40%68% ,塑性指数多在2035。因此,一般膨胀土均属于高塑性黏土。黏土颗粒小,分散性大,比表面积大,则表面能大,故其遇水对水分子的吸附能力高。因此,土中黏粒含量愈多,土的塑性指数愈高,则土体的胀缩性愈大。土的含水率在工程施工中,建造在含水量保持不变的黏土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当黏土的含水率发生变化,立即产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水率的轻微变化,仅1%2% 的量值,就足以引起有害的膨胀。土中含水率的变化而发生相应的膨胀或收缩变形,特别是在场地膨胀性土层厚度不一,均匀性不一,不同部位处含水率的变化以及建筑物基底压力不等时,就会导致地基土不均匀的隆起或下陷,使得建筑物产生墙体开裂、地面隆起或下陷等破坏。一般来讲,很干的黏土表示有危险。这类黏土能吸收很多的水,其结果是对结构物发生破坏性膨胀。反之,比较潮湿的黏土,由于大部分膨胀已经完成,进一步膨胀将不会很大。但应注意的是,潮湿的黏土在水位下降或其它的条件变化时,可能变干,显示的收缩性也不可低估。土的密度土的密度大,孔隙比就小,浸水膨胀强烈,而失水收缩小；相反,土的密度小,孔隙比就大,浸水膨胀小,失水收缩大。而孔隙比处于中间值时,土的胀缩变形都较大。土的结构强度土的结构强度能承受膨胀或收缩变形,即结构强度愈大的土,抵制胀缩变形的能力也愈大。地形地势条件在丘陵区和山前区,不同地形和高程地段地基土的原始条件及其受水蒸发条件不同。因此,地基土产生胀缩变形的程度各不相同。高旷地带蒸发条件好,地基土易干缩,建造的单层浅基建筑物裂缝多；而建在低洼处附近有水田水塘的单层房屋裂缝少,是因为低洼地带地基土中水分不易散失,有补给来源,较能保持相对稳定湿度的缘故。2.5.5 膨胀土地基处理膨胀土的这种遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形的特殊工程性质,给工程带了较大的危害,准确地了解膨胀土的特性及变化的条件,就能够知道地基将会产生怎样的变形,从而采取相应的地基处理措施。膨胀土地基常用的处理方法有5个：换土可采用非膨胀性材料或灰