冷伍明， 粟 雨， 滕繼東， 聶如松， 趙春彥

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

翻漿冒泥是路基基床土受地面水或地下水的浸濕，在列車(chē)動(dòng)荷載作用下軟化或液化形成泥漿，沿道床空隙向表面涌出的一種路基病害，是既有鐵路最常見(jiàn)的一種路基病害之一，見(jiàn)圖1。翻漿冒泥可以造成道砟臟污、板結(jié)而使道床降低或喪失彈性，軌道幾何尺寸變化，甚至在路基基床內(nèi)形成孔洞，直接危及行車(chē)安全［1］。翻漿冒泥是影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)的頑疾，嚴(yán)重影響線路的正常服役。我國(guó)在建國(guó)初期修建的鐵路，路基標(biāo)準(zhǔn)較低，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，在相當(dāng)多的路段出現(xiàn)了翻漿冒泥等病害現(xiàn)象［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滬寧線總長(zhǎng)303 km，在1988—1993年間，翻漿冒泥線路長(zhǎng)度各年度分別為3.34、4.02、5.38、4.91、5.14、3.86 km。1993 年 年 末 至1994年年初的統(tǒng)計(jì)則表明，滬寧線病害以基床翻漿冒泥為主，占線路全長(zhǎng)的5%，變化范圍為3%～17%［3］。朔黃鐵路2008年統(tǒng)計(jì)資料顯示，翻漿冒泥達(dá)882處，嚴(yán)重影響了重載鐵路擴(kuò)能改造的可行性和安全性［4］。膨脹土路基是鐵路工程中一種常見(jiàn)的特殊土路基，常常在水和列車(chē)荷載的共同作用下發(fā)生基床翻漿冒泥及滑坡等病害［5］。杜攀峰等建立學(xué)習(xí)向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)路基翻漿冒泥病害進(jìn)行識(shí)別，且識(shí)別率達(dá)90%以上［6］。近年來(lái)，我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)快速發(fā)展，盡管在高速鐵路和重載列車(chē)下翻漿冒泥出現(xiàn)頻率越來(lái)越低，但翻漿冒泥始終是既有鐵路路基的頑疾，其維護(hù)、整治難度較大，并且費(fèi)用較高［7］。

圖1 鐵路有砟軌道路基翻漿冒泥案例

翻漿冒泥病害的形成原因和產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，是許多因素綜合作用的結(jié)果。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)其發(fā)生的必要條件包括：（1）路基土土質(zhì)不良；（2）存在自由水；（3）存在循環(huán)荷載。土性條件是翻漿冒泥的前提，也是發(fā)生翻漿冒泥的內(nèi)因，水影響土體的含水量，是翻漿冒泥發(fā)生的必不可少的因素。荷載作為外因，是發(fā)生翻漿冒泥的一個(gè)必要條件。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)發(fā)生翻漿冒泥土的物理狀態(tài)進(jìn)行了一定程度的分析。文獻(xiàn) ［8］對(duì)8種發(fā)生翻漿冒泥的土質(zhì)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)發(fā)生翻漿冒泥的土為中低塑性的粉土，部分含有黏質(zhì)和砂質(zhì)。這類土具有通暢的水力傳導(dǎo)通道，便于水分補(bǔ)給和聚集，同時(shí)具有較好的持水（毛細(xì)）特性。另外，Aw等［8］建議用塑性指數(shù)、液限、顆粒組成等指標(biāo)作為衡量土發(fā)生翻漿冒泥的判據(jù)。楊新安等［9］對(duì)滬寧線下行K140＋450～K141＋450路段發(fā)生翻漿冒泥的路基土進(jìn)行液限、塑性指數(shù)以及礦物成分分析，判定該路段的土為易發(fā)生翻漿冒泥的土。葛如生等［10］通過(guò)對(duì)陽(yáng)安線基床病害的分析，得出當(dāng)顆粒組成小于0.05 mm的含量大于80%，塑性指數(shù)大于12，液限大于32%，飽和度大于0.75的路基土，極易發(fā)生翻漿冒泥。霍凱成等［11］根據(jù)路基土的物理力學(xué)性能和水力性能采用土工合成材料治理道路翻漿，使路基的破損程度降到最低。大量文獻(xiàn)資料表明，前人對(duì)翻漿冒泥的研究局限于調(diào)研土體的基本物理力學(xué)參數(shù)和定性分析基本物理指標(biāo)（液塑性指數(shù)、顆粒組成等）與翻漿冒泥的關(guān)系，很少有研究多個(gè)物理指標(biāo)間的相關(guān)性和定量分析物理指標(biāo)與翻漿冒泥之間的關(guān)系。本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，收集了30個(gè)工程實(shí)例資料和61個(gè)已發(fā)生翻漿冒泥土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本，用塑性指數(shù)IP、液限WL、飽和度Sr、細(xì)顆粒含量P（即粉粒和黏粒在土中所占的百分含量）、滲透系數(shù)K等5個(gè)表征指標(biāo)較全面反映發(fā)生翻漿冒泥土的土性特征。對(duì)發(fā)生翻漿冒泥土表征指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析，篩選出3個(gè)無(wú)相關(guān)性指標(biāo)（IP、Sr、P）作為易翻漿冒泥細(xì)粒土的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于層次分析法，提出易翻漿冒泥的細(xì)粒土綜合評(píng)判指標(biāo)F，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

1 翻漿冒泥土性特性分析

1.1 翻漿冒泥土的物理狀態(tài)分析和表征指標(biāo)

本文統(tǒng)計(jì)30組翻漿冒泥的土性特征，見(jiàn)表1，實(shí)測(cè)翻漿冒泥數(shù)據(jù)點(diǎn)61處。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)發(fā)生翻漿冒泥的土為高、中液限黏土，部分為粉質(zhì)黏土和粉土。這類土可塑性強(qiáng)，礦物成分以伊利石和蒙脫石為主，細(xì)顆粒含量較高。翻漿冒泥土的物理特征，一般采用IP、WL表征，部分包括顆粒組成，尤其是粉粒和黏粒含量，以及土的滲透系數(shù)K，飽和度Sr，極少數(shù)采用不均勻系數(shù)。由表1可知，易發(fā)生翻漿冒泥土一般為黏土和粉土，透水性差，親水性強(qiáng)，細(xì)顆粒含量高，礦物成分以伊利石和蒙脫石為主，脫水易產(chǎn)生龜裂，遇水則易軟化，在動(dòng)力作用下易產(chǎn)生翻漿冒泥。這類易發(fā)生翻漿冒泥土具有的一般物理狀態(tài)特征為：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

表1 發(fā)生翻漿冒泥土性特征

1.2 表征指標(biāo)相關(guān)性分析

1.2.1 可塑性指標(biāo)

將發(fā)生翻漿冒泥土的IP和WL畫(huà)在塑性圖上，見(jiàn)圖2。該塑性圖為陳仲頤等［35］結(jié)合我國(guó)黏性土的特點(diǎn)編制而成。圖2中線A線、B線、C線與IP＝4、WL為15%～26%的一段水平線段將整張圖分成6個(gè)區(qū)域。其中，A線、B線、C線方程分別為IP＝0.66（WL－20）、WL＝42%、WL＝26%，CH、CI、CL、OH（M H）、OI（MI）、ML分別代表高液限黏性土、中液限黏性土、低液限黏性土、高液限粉質(zhì)土、中液限粉質(zhì)土、低液限粉質(zhì)土。發(fā)生翻漿冒泥土基本落在平行線A、D間區(qū)域，D線方程為IP＝0.66（WL＋3.39）。由此可見(jiàn)，平行線A線、D線間區(qū)域?yàn)榧?xì)粒土易發(fā)生翻漿冒泥區(qū)域。同時(shí)，發(fā)生翻漿冒泥土大多數(shù)在C線右側(cè)，少部分位于C線左側(cè)，表明發(fā)生翻漿冒泥土大多數(shù)為高、中液限黏土，少數(shù)為低液限黏土。

圖2 I P與W L的關(guān)系

IP與WL的相關(guān)關(guān)系為

式中：WP為塑限。

1.2.2 土顆粒組成

根據(jù)土的顆粒組成，細(xì)粒土易發(fā)生翻漿冒泥的三因分類圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，透水性強(qiáng)的砂土不容易甚至不會(huì)發(fā)生翻漿冒泥，透水性差的黏土和粉土由于顆粒細(xì)小、含水量高、遇水膨脹、抗剪強(qiáng)度低等特性，很容易發(fā)生翻漿冒泥。根據(jù)土的顆粒組成，將三因分類圖劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為重黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂黏土。本文將表1中數(shù)據(jù)匯總到三因分類圖中，得到網(wǎng)格線加密區(qū)域，即發(fā)生翻漿冒泥土集中區(qū)域。由圖3可得，易發(fā)生翻漿冒泥的細(xì)粒土主要為黏土、粉質(zhì)黏土，土中黏粒（不大于0.005 mm）含量在30%以上，粉粒（0.05～0.005 mm）含量在40%以上。

1.2.3 K與P間的關(guān)系

發(fā)生翻漿冒泥土的K與P關(guān)系見(jiàn)圖4，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得出發(fā)生翻漿冒泥土的K與P間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系為

圖3 土顆粒組成的三因分類圖

圖4 K與P的關(guān)系圖

在粗細(xì)顆?；旌系耐林校?xì)顆粒的增加導(dǎo)致粗顆粒的骨架作用降低，也導(dǎo)致顆粒比表面積增加，靠近土粒的水被靜電引力吸引越強(qiáng)，在顆粒表面的水分越多，同時(shí)土體中孔隙通道堵塞的幾率增大，從而導(dǎo)致整個(gè)土體滲透性降低。由圖4可知，大多數(shù)發(fā)生翻漿冒泥的土位于擬合曲線上及其附近，P為0～100%，變化范圍較大，滲透系數(shù)最高不超過(guò)1 000×10－6cm／s。

2 易發(fā)生翻漿冒泥土的綜合評(píng)判指標(biāo)F

基于上述分析，將翻漿冒泥5個(gè)表征指標(biāo)優(yōu)化為3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即IP、Sr、P。篩選出無(wú)相關(guān)性的3個(gè)主要指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，采用線性加權(quán)形式，提出綜合評(píng)判指標(biāo)F，利用線性權(quán)重函數(shù)可簡(jiǎn)潔表示各主要指標(biāo)在評(píng)價(jià)易翻漿冒泥細(xì)粒土重要性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，也易于評(píng)價(jià)發(fā)生翻漿冒泥土體的主要影響指標(biāo)。易發(fā)生翻漿冒泥細(xì)粒土綜合評(píng)判指標(biāo)為

式中：A1、A2、A3分別為IP、Sr、P 在綜合評(píng)判指標(biāo)F中所占的權(quán)重。

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的分析方法，主要解決多因素復(fù)雜系統(tǒng)。為了得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，利用層次分析法進(jìn)行計(jì)算分析，建立一個(gè)綜合評(píng)判指標(biāo)F與IP、Sr、P間的兩層結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)模型，利用Saaty等［36］建議的1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度，見(jiàn)表2。成對(duì)比較，得到一致性判斷矩陣，見(jiàn)表3。其中，各指標(biāo)間相對(duì)重要性由表1中各指標(biāo)被引用次數(shù)決定。表1中61處翻漿冒泥數(shù)據(jù)點(diǎn)各指標(biāo)被引用結(jié)果見(jiàn)表4，IP被引用次數(shù)最多，其次是P，最后是Sr。通過(guò)計(jì)算得到判斷矩陣的最大特征值λmax＝3.038 5，對(duì)應(yīng)的特征向量為［0.916 1，0.150 6，0.371 5］T，經(jīng)過(guò)歸一化后得［0.64，0.10，0.26］T，所以各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為A1＝0.64，A2＝0.10，A3＝0.26。

表2 兩兩比較評(píng)分的標(biāo)度

表3 判據(jù)指標(biāo)的一致性矩陣

表4 翻漿冒泥各土性指標(biāo)引用統(tǒng)計(jì)表

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性指標(biāo)CI＝0.019 25，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI＝0.58，從而得到一致性比例CR＝0.033＜0.1，故認(rèn)為判斷矩陣的一致性可接受。

對(duì)表1中大量文獻(xiàn)調(diào)研所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將IP、Sr、P對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)式X′＝（X－Xmin）／（Xmax－Xmin）標(biāo)準(zhǔn)化映射成區(qū)間［0，1］中的值X′，由表1可得IP、Sr、P的最大值分別為40.5%、100%、95%，另外取Xmin＝0，由此可得F≤1.0。

得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)IP、Sr、P后，通過(guò)計(jì)算可得易翻漿冒泥的細(xì)粒土綜合評(píng)判指標(biāo)Fmin＝0.30。

標(biāo)準(zhǔn)化后IP、Sr、P的取值范圍為［0，1］，并由此作為圖形的邊界，見(jiàn)圖5。圖5為細(xì)粒土易發(fā)生翻漿冒泥區(qū)域，由平面0.64IP＋0.1Sr＋0.26P＝0.3、P＝0和圖形邊界面構(gòu)成，實(shí)測(cè)發(fā)生翻漿冒泥點(diǎn)都落在此區(qū)域內(nèi)。

圖5 F值與易發(fā)生翻漿冒泥土關(guān)系圖

通過(guò)進(jìn)一步文獻(xiàn)調(diào)研，得到5個(gè)已發(fā)生翻漿冒泥土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本，利用總結(jié)的翻漿冒泥土的5個(gè)表征指標(biāo)及數(shù)量范圍和綜合評(píng)判指標(biāo)F對(duì)5個(gè)工程樣本實(shí)例進(jìn)行評(píng)判，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，按經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的5個(gè)表征指標(biāo)和數(shù)范圍，無(wú)法完全準(zhǔn)確判定易發(fā)生翻漿冒泥土，存在IP＜12，發(fā)生翻漿冒泥的情況，而用綜合評(píng)判指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果更好。

表5 易發(fā)生翻漿冒泥土的2種判據(jù)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

翻漿冒泥是既有鐵路最常見(jiàn)的一種路基病害。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，收集了30組翻漿冒泥工程實(shí)例資料和61處已發(fā)生翻漿冒泥土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本，經(jīng)過(guò)分析和總結(jié)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）易發(fā)生翻漿冒泥土的細(xì)粒土物理狀態(tài)可以用塑性指數(shù)IP、液限WL、飽和度Sr、細(xì)顆粒含量P、滲透系數(shù)K表征。發(fā)生翻漿冒泥土的表征指標(biāo)數(shù)量范圍為：IP＞12，WL＞32%，K＜1.05×10－5cm／s，Sr＞50%，P＞60%。

（2）發(fā)生翻漿冒泥的細(xì)粒土位于A線和D線之間區(qū)域，A、D線方程分別為IP＝0.66（WL－20）、IP＝0.66（WL＋3.39），其中大多數(shù)為高、中液限黏土，少數(shù)為低液限黏土。

（3）發(fā)生翻漿冒泥土K與P間存在負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系。

（4）易翻漿冒泥的細(xì)粒土評(píng)價(jià)指標(biāo)建議采用IP、Sr、P。

（5）提出了易翻漿冒泥的細(xì)粒土綜合評(píng)判指標(biāo)F。F能更好地評(píng)判土體易發(fā)生翻漿冒泥的可能性。

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