王鵬程，葉陽(yáng)升，堯俊凱，陳 鋒，張千里

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081)

隨著我國(guó)鐵路工程的迅猛發(fā)展，凍融、干濕及鹽分侵蝕等復(fù)雜的工程環(huán)境對(duì)于路基的影響日益顯現(xiàn)，部分無(wú)砟軌道路基出現(xiàn)了因路基填料及地基土微膨脹而引起的無(wú)砟軌道軌道結(jié)構(gòu)上拱及偏移問(wèn)題，部分上拱變形嚴(yán)重的工點(diǎn)不得不限速運(yùn)行，或者在限速運(yùn)營(yíng)條件下利用天窗時(shí)間進(jìn)行整治維修，投入成本較大，且對(duì)線路的正常運(yùn)營(yíng)造成極大的影響。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研顯示大部分的路基上拱發(fā)生在路橋(涵)過(guò)渡段內(nèi)，此范圍的基床填料為級(jí)配碎石摻水泥集料。一定溫度及含鹽量條件下鹽分侵蝕水泥穩(wěn)定集料形成鈣礬石等礦物而引起的侵蝕膨脹問(wèn)題早已得到了廣泛的關(guān)注[1-2]。Chen等[3]對(duì)美國(guó)德克薩斯州82號(hào)公路東側(cè)的路基上拱的原因分析認(rèn)為，路基上拱是由于土中石灰穩(wěn)定劑和硫酸鹽礦物質(zhì)之間的反應(yīng)引起，掃描電子顯微鏡(SEM)分析，證明了鈣礬石的形成是上拱的主要原因。Alonso等[4]對(duì)馬德里和巴塞羅那之間高速鐵路某路橋過(guò)渡段上拱進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與研究，監(jiān)測(cè)表明，由水泥穩(wěn)定填料填筑的路基過(guò)渡段在兩年的時(shí)間里持續(xù)上拱了120 mm，且降雨后膨脹率明顯增加，膨脹對(duì)路基和橋臺(tái)造成了嚴(yán)重的破壞。對(duì)上拱段路堤填料進(jìn)行礦物成分分析證實(shí)了膨脹性物質(zhì)鈣礬石存在。

鈣礬石最大的特點(diǎn)之一就是生成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，一個(gè)鈣礬石晶體分子可吸附多達(dá)32個(gè)水分子，引起固相體積劇烈增大2倍以上[5-6]，一般形成后便不再發(fā)生吸水膨脹，易脫硫形成水化硫鋁酸鈣，而此過(guò)程不發(fā)生體積膨脹。

3(CaSO4·2H2O)+4CaO·Al2O3·19H2O+

目前我國(guó)針對(duì)公路及鐵路中的鹽分侵蝕水泥引起膨脹問(wèn)題的研究較少，膨脹變形問(wèn)題主要針對(duì)膨脹土、凍土及鹽漬土等特殊土開(kāi)展。本文針對(duì)某無(wú)砟軌道路基上拱工點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與監(jiān)測(cè)明確了上拱變形的主要特征及膨脹發(fā)生部位，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析了上拱的主要原因。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)情況

某客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基上拱工點(diǎn)位于路涵過(guò)渡段范圍內(nèi)(1～2 m箱型涵)，工點(diǎn)典型的橫斷面圖見(jiàn)圖1，線路形式為路堤，填土高度6.5～7.5 m。過(guò)渡段表層為摻5% P.O42.5水泥的級(jí)配碎石，表層以下為摻3% P.O42.5水泥的級(jí)配碎石。主要地層為細(xì)角礫土、礫巖、片麻巖，地基處理采用重夯+挖除填滲水土(換填深度1.5 m)，地表設(shè)0.5 m水泥卵礫石墊層。

圖1 上拱偏移工點(diǎn)典型橫斷面(單位：m)

根據(jù)上拱工點(diǎn)的氣象資料，年平均降水量為52.2 mm，年最大降水量為127.7 mm，年平均降水日數(shù)23 d，年蒸發(fā)量2 567.3 mm，年平均氣溫9.8 ℃，土壤最大凍結(jié)深度116 cm。

1.2 病害情況

此區(qū)間于2015年10月份發(fā)現(xiàn)上拱，同時(shí)，上下行線路均出現(xiàn)了由線路中心向路肩側(cè)的偏移，且變形持續(xù)發(fā)展，截止2016年8月，上行線最大上拱24.2 mm，最大偏移量21.3 mm，下行線最大上拱33.2 mm，最大偏移19.7 mm。該病害工點(diǎn)的軌面高程及平面位置的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 工點(diǎn)變形情況

由圖2可知，基礎(chǔ)膨脹引起的軌道結(jié)構(gòu)上拱與偏移變形一般為局部變形，變形曲線存在明顯的峰值，并向兩側(cè)迅速衰減，上下行線路的變形范圍基本一致。

上拱點(diǎn)涵洞排水較為通暢，周邊未見(jiàn)明顯積水。上下行線路兩側(cè)路肩與封閉層結(jié)合處。路基面與軌道結(jié)構(gòu)接縫處均產(chǎn)生明顯的裂縫。因此，初步分析認(rèn)為上拱偏移是由于基床上部的膨脹所引起的，并展開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)分析工作。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

為了明確膨脹變形部位，首先在上拱偏移段落支承層頂部布設(shè)了縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)路基及地基的整體變形，沿線路方向選擇6個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面，間距5 m?？v向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一系列連通的靜力水準(zhǔn)儀組成，利用連通液原理，通過(guò)測(cè)量不同水準(zhǔn)儀存貯罐的液面高度，計(jì)算出各靜力水準(zhǔn)儀的差異沉降，監(jiān)測(cè)精度為0.5 mm/32 m。

在路基及地基內(nèi)布設(shè)了分層變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器，用于監(jiān)測(cè)基床表層、基床底層、路基本體及原地面下1.4 m范圍地基的變形情況。每個(gè)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)布設(shè)一個(gè)變形監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)精度為0.2 mm，在上行側(cè)路肩沿線路方向間距0.5 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)孔。

同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了溫度傳感器，深度為路基面以下0.4、1.5、3.0、4.0、5.0 m，監(jiān)測(cè)精度為0.5 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)布設(shè)太陽(yáng)能電池板及蓄電池進(jìn)行供電，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的采集傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與傳輸。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

該上拱偏移工點(diǎn)6個(gè)縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)斷面的變形曲線及該工點(diǎn)不同深度處地溫的變化情況，見(jiàn)圖3。由圖3可知，從2017年4月至2018年4月，6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的支承層頂面變形均呈現(xiàn)出波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最大累計(jì)上拱量達(dá)到3.5 mm。無(wú)砟軌道路基基床表層的溫度變化對(duì)整體變形影響較大，一年周期內(nèi)，其變化規(guī)律可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為2017年4月至2017年8月，總體而言，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體變形隨著表層溫度的升高呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；第二階段為2017年8月至2018年1月，各斷面的變形均隨著基床溫度的降低，呈現(xiàn)明顯的增加；2018年1月至2018年4月為第三個(gè)階段，隨著基床表層氣溫的回升，支承層頂面的整體變形再次出現(xiàn)回落，且回落后仍存在殘余上拱量。

圖3 縱向連續(xù)變形與地溫

路基上拱的可能原因包括：膨脹土(巖)的吸水膨脹、鹽漬土吸水鹽脹以及負(fù)溫凍脹。2017年12月至2018年1月期間，路基整體處于降溫過(guò)程，同時(shí)基床表層逐漸變?yōu)樨?fù)溫，滿足凍脹及鹽脹的溫度條件，然而升溫時(shí)的體積膨脹與鹽分降溫過(guò)程吸水結(jié)晶的機(jī)理不同，同時(shí)，正溫條件下的膨脹及負(fù)溫條件下的沉降與負(fù)溫凍脹正溫融沉特性不一致。大量針對(duì)硫酸鹽侵蝕生成鈣礬石反應(yīng)溫度的研究表明[7-8]，15～20 ℃是較適宜侵蝕膨脹的反應(yīng)溫度，溫度高于20 ℃時(shí)，反應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，溫度低于15 ℃時(shí)，仍會(huì)有侵蝕反應(yīng)發(fā)生，這與上拱變形特性較一致。

不同時(shí)間的分層變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。不同時(shí)間及溫度條件下，無(wú)砟軌道基床部分，特別是基床表層的變形都是最大的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及變形與基床表層溫度的相關(guān)性可以判定，此上拱病害工點(diǎn)的變形主要發(fā)生在基床表層，且其主要膨脹原因不是填料的凍脹及鹽脹。

圖4 分層變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位：mm)

3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步分析上拱原因，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了原位取樣，深度分別為基床表層、基床底層、基床以下路基及地基。依據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]和TB 10103—2008《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》[10]進(jìn)行化驗(yàn)，主要內(nèi)容包括膨脹性分析、易溶鹽含量檢測(cè)及礦物成分分析。

3.1 膨脹性分析

依據(jù)如表1所示的膨脹潛勢(shì)分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)路基填料及地基土中的細(xì)顆粒部分(粒徑小于0.5 mm)的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量等膨脹性指標(biāo)進(jìn)行分析，當(dāng)土質(zhì)符合表列任意兩項(xiàng)以上指標(biāo)時(shí)，膨脹潛勢(shì)即判定為該等級(jí)。

表1 膨脹潛勢(shì)分類標(biāo)準(zhǔn)[11]

膨脹性分析結(jié)果見(jiàn)圖5，檢測(cè)的路基填料及地基土的含水率較低(4%左右)，膨脹性物質(zhì)含量均較低，細(xì)顆粒部分的自由膨脹率、蒙脫石含量及陽(yáng)離子交換量等膨脹性指標(biāo)也小于規(guī)范中弱膨脹土的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明膨脹礦物吸水膨脹并不是引起上拱的主要原因，而現(xiàn)有的針對(duì)膨脹土的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不適用于無(wú)砟軌道水泥改良填料及地基土。

圖5 膨脹性檢測(cè)結(jié)果

3.2 易溶鹽分析

通過(guò)化學(xué)滴定方法對(duì)路基填料及地基土的易溶鹽總量與碳酸根、重碳酸根、氫氧根、氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子等易溶鹽離子含量進(jìn)行化驗(yàn)，計(jì)算各類易溶鹽離子占總質(zhì)量的比例。

不同深度處土樣的易溶鹽總量的分布情況見(jiàn)圖6。地基范圍內(nèi)的易溶鹽含量高于填土，地面以下2.0 m左右的易溶鹽含量約為0.4%，大于鹽漬土的判別標(biāo)準(zhǔn)(0.3%)；路基填土范圍內(nèi)的鹽分主要分布在基床表層，并隨深度的增加而減小，最大含鹽量為0.13%。

圖6 易溶鹽總量分布

如圖6和圖7所示，土樣內(nèi)易溶鹽的組成及其含量，在深度方向上，路基填料及地基土中易溶鹽組成及分布與易溶鹽總量的分布規(guī)律大致相同，鹽分主要集中于地基頂部部與路基基床表層，其中SO42-與Ca2+的含量最高。

圖7 易溶鹽成分與分布

研究認(rèn)為[12-13]，硫酸鹽含量大于3 000 mg/kg就有引起侵蝕膨脹的可能，而當(dāng)硫酸鹽含量大于8 000 mg/kg時(shí)，發(fā)生侵蝕膨脹的可能性迅速增加。而文獻(xiàn)[14-15]的研究則表明，含鹽量低于2 000 mg/kg的條件下也可能發(fā)生侵蝕膨脹，主要取決于黏土礦物，特別是Al3+的含量與分布。過(guò)渡段基床表層范圍內(nèi)，水泥摻量較多且不均勻，存在局部富集進(jìn)而發(fā)生侵蝕膨脹的可能。

3.3 礦物成分分析

通過(guò)X射線衍射分析(XRD)確定現(xiàn)場(chǎng)填料的礦物成分及其含量。XRD分析中，可通過(guò)某種礦物的特征衍射峰的強(qiáng)度判斷該礦物含量，其峰值越強(qiáng)，則礦物含量越高。XRD檢測(cè)得到的基床表層填料、路基頂面下0.4～0.6 m填料及地面以下0.3 m地基土的礦物成分分析結(jié)果，見(jiàn)表2。

由表2可知，土樣的主要成分為石英、斜長(zhǎng)石及綠泥石，在基床表層及地基下0.3 m深度處的土樣中均檢測(cè)到了鈣礬石，含量分別為9%和5%，由于基床表層及地基表面SO42-及Ca2+含量較高，且水泥中含有Al3+，提供了侵蝕反應(yīng)生成鈣礬石的條件，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹；路基面以下0.4～0.6 m范圍內(nèi)的填料雖然未檢測(cè)到鈣礬石，但是檢測(cè)到了鈣礬石脫硫形成的水化硫氯酸鈣(5%)也間接說(shuō)明了曾發(fā)生過(guò)侵蝕膨脹。

針對(duì)基床表層填料進(jìn)行電鏡掃描分析的結(jié)果見(jiàn)圖8，可見(jiàn)大量細(xì)長(zhǎng)針狀鈣礬石晶體，進(jìn)一步論證了侵蝕膨脹過(guò)程的存在。

圖8 掃描電鏡分析結(jié)果

其他深度處土樣的礦物分析結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可知，均未發(fā)現(xiàn)膨脹性或形成過(guò)程中可產(chǎn)生膨脹的礦物，與各部位的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果相符合。

表2 路基填料與地基土礦物組成 %

4 結(jié)論

本文基于某無(wú)砟軌道路基上拱病害工點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、原位變形監(jiān)測(cè)初步明確了膨脹變形的特征及變形部位，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路基填料及地基土的膨脹性指標(biāo)、易溶鹽及礦物成分檢測(cè)分析了上拱偏移的原因，主要結(jié)論如下。

(1)無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱變形與溫度變化呈現(xiàn)出較大的相關(guān)性，一年周期內(nèi)，隨著溫度的變化可分為隨溫度升高而降低或緩慢增長(zhǎng)階段、隨溫度降低快速增長(zhǎng)階段及隨溫度升高的回落階段，且存在較大的殘余上拱量。

(2)膨脹性分析結(jié)果顯示，土樣的膨脹性低于現(xiàn)行規(guī)范中弱膨脹的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但土樣易溶鹽含量偏高，變形與易溶鹽含量，特別是SO42-的含量存在較大相關(guān)性，以本文研究工點(diǎn)為例，鹽分含量較大的基床表層膨脹變形量也較大。

(3)上拱是多因素作用的結(jié)果，降溫鹽脹及負(fù)溫凍脹機(jī)理均不能有效解釋上拱變形特征，而礦物分析結(jié)果則表明硫酸鹽侵蝕水泥改良填料形成鈣礬石晶體過(guò)程中的膨脹是無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱的最主要原因。