浅谈改良膨胀土路基在铁路试验中的沉降问题

浅谈改良膨胀土路基在铁路试验中的沉降问题

王健

王健

中铁十九局集团有限公司

摘要：文章以某时速为200km的客货共线铁路线路对改良膨胀土路基实验中的沉降问题进行分析，该铁路大部分路基为膨胀土地质，要想严格控制路基填筑工艺和质量，就必须进行膨胀土质改良，这是铁路建设取得成功的重要保障。通过对膨胀土路基沉降观测断面的改良，对改良膨胀土路基基底沉降、改良膨胀土路基本体压密特性以及路桥过渡段路基压密特性等变化规律进行研究之后，进行改良，路基沉降量可降至最低，最终满足工程需要。

关键词：改良膨胀土路基；铁路实验；沉降

我国铁路建设在不断的发展，这就导致许多铁路不可避免的要在膨胀土地区建设，因此，要想保证优良的路基填筑工艺和质量，就必须对膨胀土质进行改良。目前对路基沉降变形的研究大概可从以下几个方面入手：基地沉降、路基压密特性、路桥过渡部位的碎石严密性、路基沉降是否均匀。在路基各个层级、过渡段底层以及设置沉降板或在表面设置观测桩等方式，观测路基沉降状态，后将对比值理论计算出，并对实际观测结果进行分析，同时结合理论分析，进一步研究改良后的铁路试验段路基沉降规律，这不仅方便研究工后沉降，还能知道全线施工。

一、路基沉降观测

1.1沉降观测断面设置

在该铁路试验段的2000m范围之内，设置10个沉降观测断面，便于观测铁路试验段路基沉降状况。此试验段的填土高度在3.8m~118m之间。

1.2埋设沉降设备

①布置沉降断面：将沉降板设置在每个沉降断面的路基底部与中部，同时将沉降观测桩设置在路基顶面。

②沉降板的埋设要求：进行路基填土，一直到需要沉降板标高以上30cm，使用全站仪，将沉降板埋设位置放出，需在埋设点位置先挖出一个35cm深度的坑，同时将5cm厚的砂垫层铺在坑底，将第一节外保护管套上，重新填好埋设点，并夯实。进行回填夯实之后，需注意内外管要与水平面垂直，严禁出现歪斜，同时内外管的间隙还要均匀一致。将内沉降管的标高用水准仪测出并记录下来，这是该沉降管的初始读数。

③路基面观测桩埋设要求：要求完成基床表层级配碎石填筑后，将路基面观测面埋设在规定位置，同时将砖围砌在观测桩的四周，需注意桩身垂直且埋设牢固。

1.3沉降观测周期

在进行路基填筑时，施工1层观测1次，若停滞施工时，需3天观测1次；如果沉降板观测头接长，则前后测量接长量。当路基填筑完成后第1个月，需要1星期观测1次，之后观测需要依据沉降及变形状况，每月观测1次，沉降稳定时即观测停止时间。

1.4地基沉降

改试验段的地基总沉降呈现一种盆型特征，突出表现在横断面上，而且路基中间产生的沉降量，要明显大于路肩以及坡脚产生的沉降量。通过研究发现沉降可总结为三个阶段：一是在施工过程中，因荷载增加而引起沉降；二是收敛期沉降；三是工后路基在运行中产生的沉降。通常检测沉降量都是在铺轨之后进行，但是通过沉降曲线，依旧可预测出工后路基的沉降状况。

1.5路基结构压缩变形及路基沉降

该试验段路基均采用改良土填筑，除了基床表层0.6m未采用改良土填筑。观察分析路基顶面、基床底层顶面及路基底层的沉降状况，发现路基结构自身只产生了很小的压缩变形，可忽略不计。另外，在路基填筑增荷阶段，各个层面的沉降大都会产生，同时收敛期的沉降量与地基收敛沉降量相同，这证明试验段路基结构只产生了十分微小的压缩变形，地基沉降是主要沉降量。

1.6工后沉降预测

分析沉降结果发现，对膨胀土路基进行改良后，沉降量不会大程度出现，而且收敛期更短，因此，在预测工后测量方面，并不适合采用双曲线拟合法进行预测。通过对该铁路试验段工程分析后得出，其后续施工过程中路基已承受施工活载，收敛基本完成，所以工后沉降可忽略不计。

二、过渡段级配碎石压密特性观测

2.1观测断面设置及观测周期

该铁路试验段选择了5处涵洞，共设置了10个观测断面。在设置观测断面时，需要在每个涵洞前后路基过渡段，设置1个观测断面，同时将1块沉降板埋设在每个断面中心线上沿着高度方向的级配碎石顶面、底面，另外将1个观测桩埋设在路基表面。在施工过程中，需施工1层，观测1次。完成施工后，2个星期，观测1次，后观测需要依据沉降及变形状况，每月观测1次，沉降稳定时即观测停止时间。

2.2过渡段地基沉降与路基结构压缩变形

在增荷过程以及收敛期，是过渡段沉降的主要发生时间，特别是在增荷期，会发生非常明显的沉降，通常发生的沉降量会在1mm~9mm之间，而对路基加荷的时间，应在10~66天之间，此时地基的沉降速率会在0.06mm/d~0.25mm/d之间，而且路基断面发生的沉降程度要远远大于过渡段沉降。原因为该部位基底处理，在增荷前就已完成；而且在涵洞施工过程中，已进行过过渡段地基预压施工，大部分地基沉降变形完成。另外该部位地基收敛期沉降变形特征与路基沉降断面相同，过渡段地基收敛期沉降量在0mm~4mm之间，其平均沉降速率则在0mm/d~0.14mm/d之间。压密变形在过渡段级配碎石路基上的表现并不突出，而且路基面沉降量小于10mm，随着地基沉降，其沉降量收敛稳定时间较短，因此对过渡段工后沉降进行预测得出，其发生沉降的可能性非常小。

三、理论计算

3.1勘查取样

该铁路试验段共设置了10个观测断面，选择5个断面进行理论计算。通过对5个断面进行勘察取样后，将底层计算参数记录下来。选择5个断面主要因为：一是5个断面路基填高都在5.53m~11.83m之间，由填料产生的附加应力情况可将试验段现状清楚反映出来；二是该试验段地面以下20m范围之内，是alQ3粘土，且地层稳定，相似于全线80%范围内的地质条件，具有很强的代表性。

3.2理论计算方法与结果

该试验段路基均采用改良土填筑，除了基床表层0.6m未采用改良土填筑。从理论上讲，路基结构体的压实系数应>0.90，（忽略不计其自身产生的微小压缩沉降）。通过对现场实测结果的分析，在填筑过程土体增荷阶段，填筑体中部及基床底层埋设的观测桩沉降会产生，这是由地基沉降而造成，得出路基本体压缩量多为0，而通过路基观测桩的观测结果得出，地基收敛沉降量与收敛期沉降量相同。

四、实例分析

文章以某线路为例，设置改造试验段300m，时速为200km/h，并且该试验段地质为膨胀土，改良该段路基时，为了加强该段路基物理学指标、胀缩性以及强度，可将石灰、水泥、粉煤灰及无机改良材料等作为掺剂来使用。

实验改良的主要方案：将质量比为3%、5%的石灰掺入膨胀土中，其压实系数分别为0.9与0.95，养护令分别为7、28、60、90天，改良路基饱和状态下，进行强度试验，不饱和状态下，进行一次强度试验。用于实验的土，过筛时需用2mm的筛，然后掺入素土，最佳含水量要保证在+15%，需注意拌合时要依据实验方案中的实际掺灰率进行，然后是24h的闷料时间，制备试件，进行养护。实验得出，膨胀土路基经过改良之后，其性能有很大提高，这是因为膨胀土中掺入石灰，会改变膨胀土的结构单元，这种改变具有一定规律性。

五、结论

文章通过对改良膨胀土路基在铁路试验中的沉降问题分析后发现，采用改良膨胀土路基填筑施工工艺和相应的质量控制技术，完全满足铁路路基工后沉降的技术要求。进行膨胀土质改良，与铁路线路工程建设的质量、人民群众的生命安全都有直接关系，更是铁路建设取得成功的重要保障。

参考文献：

[1]胡水玲.膨胀土地区铁路基床病害分析与整治技术[D].长安大学，2011-04-15

[2]蒋红晖.采用路基处理车整治铁路路基病害施工技术研究[D].西南交通大学，2010-11-01

[3]王焕新.广西红粘土填筑性能及土质学特性[D].广西大学，2012-05-01