铁路路基病害类型_机理及检测与整治技术

铁路路基病害类型、机理及检测与整治技术3

彭　华　张鸿儒

(北京交通大学　北京　100044)

摘　要　针对既有铁路的特点,分析了常见铁路路基病害的类型、机理;提出路基病害的检测应运用现代化检测工具,采用原位和区段测试相结合的方法;针对路基病害整治技术的复杂多样,整治具体路基病害的困难性,指出了铁路路基病害智能管理系统能较好地解决此问题。

关键词　既有铁路路基病害检测整治

中图分类号:U213　　文献标识码:A

TY PES AND M ECHAN I S M S O F ROAD BED D EFECTS I N EX I ST I NG RA I L2 W AY S AND THE I R D ETECT I O N AS W ELL AS TREAT M ENT

PENG Hua　Z HANG Hongru

(B eijing J iaotong U niversity,B eijing　100044)

Abstract　Based on the feature of the existing rail w ay,the authors analyze types and mechanis m s of r oadbed de2 fects.The authors then p resent a ne w method in detecti on of r oadbed defects,which combines the s pot detecti on and secti on verificati on using modern equi pment.Considering comp lexity of measures f or treat m ent of r oadbed de2 fecti on as well as difficulties in their i m p le mentati on,the authors conclude that an intelligent manage ment syste m of rail w ay r oadbed defects will be a very effective t ool in assessing railr oad r oadbed defects and selecting app r op riate measures f or treat m ent.

Key words　Existing rail w ay,Roadbed defects,Detecti on,Mechanis m s

1　引　言

铁路路基是一条带状结构工程,沿线经过的地质条件差别较大,填料也不均匀一致,加之由于技术、经济以及施工等方面的原因,填料、结构设计以往采用较低的技术标准,施工往往要求不严,从而导致各种病害的产生,严重影响着列车的安全运行。此外,以往基床填料基本上都是土质,压实系数小,弹性模量小,设计厚度也偏小,在此范围之外,列车重复荷载引起的动应力还很大,近年来随着重载及提速列车的大量开行,路基负荷发生了较大变化,路基内应力水平、分布状态和作用方式显著改变,原有动态平衡被破坏,逐渐产生病害或使已存在的病害更加严重,使重载或提速得不到可靠保证,为此,在对线路提速改造或重载化之前,需要针对不同的提速区段彻底整治路基病害。

2　铁路路基病害类型、特性与机理分析

3收稿日期:2004-08-02;收到修改稿日期:2004-10-16.

第一作者简介:彭华(1971-),博士,主要从事铁道工程和岩土工程.Email:jhpeng@vi p.sina.com2.1　铁路路基病害类型、特性

铁路路基病害按路基断面形状可分为路堤病害与路堑病害两类;按发生的部位可分为基床病害、路基本体病害和地基病害3种类型;按表现形式可分为翻浆冒泥、下沉、挤出变形和冻害4类。

基床表层是路基直接承受线路上部荷载的部分,其作用为增强路基的强度和刚度,使路基更加坚固、稳定,并在列车通过时将路基的弹性变形控制在一定的范围之内;使扩散到基床底层的动应力不超过基床的临界动应力;防止道碴压入基床和基床上进入道床;防止雨水从路基顶面浸入路基;防冻。为此要重点关注基床表层部位的路基病害。

翻浆冒泥一般易发生于基床土质不符合要求的部位,其发展过程一般分为道心积水阶段、冒砂阶段、局部翻浆冒泥阶段、区段(或通长)翻浆冒泥阶段4个阶段。

下沉主要是路基填筑密度不够和强度不足所致。表现形式有路基下沉、道碴囊或道碴袋。

挤出主要是土体强度不足而产生的剪切破坏或塑性流动,表现形式有路肩隆起、侧沟被挤等。

冻害发生在寒冷地区,如路基土为透水性较差的细粒土,当含水量较高或基面积水,在冻结过程中,土中水重新分布和聚集形成冰块,又引起不均匀的冻涨现象。

尽管路基病害表现形式多样,但产生路基病害的原因则主要是土质不良,压实密度不足和排水不畅等,病害产生的具体原因见表1。

表1路基病害产生的具体原因

Table1Specific cause for r oadbed defects 病害类型病害产生的原因

翻浆冒泥路基土体土质不良是前提条件;气温和水是促成的必要条件;列车动力作用起到加剧作用。

下　沉地基松软;路基填筑密度不够。外　挤路基土体强度不足。

冻　害土冻结时的水分迁移;地下水的影响;土的冻胀程度还取决于温度变化条件。

2.2　路基病害产生的机理

路基病害的产生和发展与路基填料的工程性质、地表水与地下水、列车振动荷载、土的动力强度的特性和温度及其变化有关。主要是路基填料、水、列车荷载和温度变化等各项因素综合作用的结果,各种因素之间又相互关联。

观测表明,在列车轮轴荷载的重复作用下,路基的渐进破坏主要表现为过大的塑性变形,这种塑性变形的累积到一定程度将会使路基填土产生塑性流动,并产生路基病害。研究表明:产生这些病害(破坏)的原因在很大程度上依赖于路基土在循环荷载作用下的抗剪强度特性,而后者与土的饱和度密切相关[1]。随着饱和度的增大,土的动强度(即经过若干次循环加载后仍处于稳定状态的最大偏应力比)将显著降低。处于轨道下方的路基土因反复受到挤压和固结而产生过大的累积塑性变形,从而形成所谓的道碴坑以及枕木下方的积水坑。尤其是在雨季,基床填土含水量达到饱和状态,动强度显著减小,从而使道床工作性能急剧下降,甚至会导致线路产生严重的不平顺而影响行车安全。

不同的病害中路基填料、水、等各种因素影响程度不同。在产生路基病害的这些因素中,有些是不能改变的,如列车荷载。要消除路基病害,只能改变那些可以变更的因素。

3　路基病害检测

为了对路基病害进行合理整治,必须准确检测病害状况,分析病害成因。

根据铁路既有线的特点,路基检测应不干扰行车或少干扰行车,为此需采用的检测手段应力求准确、可靠、快速,从而为将来整治工作提供准确可靠的信息。可采用轻型动力触探、地质雷达、瞬态面波法和取土试验等多种手段对线路进行试验检测,具体步骤和方法如下。

(1)典型地段开挖横沟,了解路基的几何特性。

(2)采用探地雷达法和瞬态面波法对试验区段内的路基进行大面积的扫描检测。

探地雷达法具有直观反映道床几何形态、表层分辨率高的优点,可以探明路基结构的分层;探测路基病害类型、程度和具体位置,用于分析道床、路基各个土层的地质情况;探地雷达测出的结果是基床的电性参数,而无法给出路基的力学特性。而瞬态面波法表层状况由于石碴的散射和高频信号的不能精确的反映,探地雷达方法可弥补瞬态面波法的不足。瞬态面波方法对在土中频散曲线比较平滑,能够准确反映路基土的力学参数随深度的变化,测试的深度也比较深,也正好弥补了探地雷达方法不能反映路基土的力学参数和测试深度浅的不足。在路基病害测试中,最关心的是路基表层(有无陷

691Journal of Engineering Geology　工程地质学报　2005　13(2)

槽、碴囊)和其下路基土的承载能力,所以两种方法结合,优势互补,正好能够达到路基的测试目的。

(3)对路基强度、刚度等参数方面的分析。重型动力触探主要反映路基土的力学性能,是以击数・10c m -1

来反映路基各个位置的力学性能指标,击数越高说明土质性能越好,强度也越高,可以从不同

深度位置来测试出不同深度下土的力学性能以分析路基状况。轻型动力触探与重型动力触探原理相似,只是后者以击数・30c m -1

来反映路基各个位置的力学性能指标。

针对既有线路的特点,对既有路基测试的应遵循原位(动力触探)和区段测试(地质雷达、瞬态面波法)相结合的测试方法,这样可对既有路基的状况做出一个综合的评价,为路基病害的处理提供基础资料。

图1为某典型地段路基病害检测成果图[2]

,图

中粗点区表示允许限速45km ・h -1

,三角区表示允

许限速60k m ・h -1

,小点区表示允许限速80k m ・h

-1

,其余地区表示允许限速100k m ・h

-1

,图

中曲线所列数值为不同深度的基床承载力值,单位

为kPa 。

图1

典型地段路基病害检测成果

Fig .1

The detecti on results of r oadbed defects

in a typ ical secti on

4　路基病害整治技术

路基病害的治理办法有很多,如压力灌浆法、改良基床土质、土工合成材料加固和封闭基床等等,但不同铁路线路、同一线路的不同区段的路基填料不尽相同,产生路基病害的部位、原因不同,必须针对各种病害的特点,采用切实可行的措施,否则,病害会重新出现或出现新的病害类型。

路基病害的整治应从路基填料(改变其填料类型、改变填料的成分)、防止水分侵入(改善路基结

构设计)、提高路基强度和刚度(改善路基结构设计)这几个方面入手,常用路基病害处理方法的原理及主要应用范围见表2。

表2常用路基病害处理方法的原理及应用范围Table 2Princi p les of common treat m ent methods

and their app licati on

处理方法改变路基填料改变填料结构

防止水分侵入提高路基

强度和刚度主要应用范围

换填法√√

√各类病害水泥土挤密桩√

√下沉类挤出类压力灌浆√√除冻害类化学加固√

√√除冻害类土工合成材料

√

√

各类病害

　注:标注√者代表具有此功能。

总之,要处理路基病害应按以下步骤进行。(1)首先需要检测路基病害,判断路基病害的类型、发生的部位及规模大小、严重程度;

(2)对产生病害的主要原因分析:填料、水分侵入、强度不足;

(3)对拟采取的措施:应采用技术上可行(控制病害产生原因)、经济上合理的方法。需要说明的是,对同一种病害可以采取不同的处理方法,同一处理方案的具体设计参数也可能相差很大,这说明病害处理技术的复杂多样性。

各种方法具体处理措施如下。4.1

换填法

对于容易发生下沉外挤或深陷槽病害的软弱基

床,可采用基床表层换填的整治方案。换填厚度视软弱层厚度而定,一般为50～60c m 。

病害一般地段换填料可为级配良好的碎石土或中粗砂,或在原基床土中掺入改良土壤工程性质的材料后形成的改性土。换填方法不仅提高基床表层强度,还可以防治基床翻浆冒泥病害。病害严重地段换填料可采用石灰土、水泥土、P .P .T 固化剂土、粉煤灰土等。

基床表层换填是比较彻底的方法,但是由于换填基床表层的施工需采取封锁线路揭盖施工或架空轨道限速行车施工的方法,且施工速度较慢,若地段长,对行车干扰大。4.2

水泥土挤密桩加固法

水泥土挤密桩加固法是加固饱和粘性土的一种

7

91彭华等:铁路路基病害类型、机理及检测与整治技术

新方法。它是利用水泥等材料作为固化剂,由于固

化剂和土间产生的一系列的物理化学反应,使土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土,从而提高地基强度和增大地基变形模量。

加固后挤密桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定,也可按下式计算:

f sp,k =m ・R d

k

A p

+β(1-m )f s,k

式中:f sp,k 为复合地基承载力标准值(kPa );m 为面

积置换率(%);A p 为桩的截面积(m 2

);f s,k 为桩间天然地基土承载力标准值(kPa );β为桩间土承载力折减系数。当桩端土为软土时,可取0.5～1.0;

当桩端土为硬土时,可取0.1～0.4。4.3　压力灌浆法

压力灌浆是通过钻机,并利用注浆设备,分层均匀地将浆液注入路基土体中,以充填、挤密和渗透的方式,排出土颗粒间的裂隙中的水和空气,并占据其空间,使路基土体孔隙比减小,强度提高。这种方法不破坏持力层上层结构,经过压力注浆加固后,路基岩土强度、、整体性、承载力可显著提高,从而使路面、路基下沉、滑动被基本控制。同时阻隔了地下水对填方土体的渗透,提高了土体的防渗、防侵蚀、抗破坏能力。

压力灌浆法不需要大量开挖、回填、碾压,返修工作量不大,占用施工场地较小,不会影响列车运行且操作技术简便,所需施工设备不多,经济适中,工期较短。4.4　化学加固法

化学加固着眼于提高土体本身的工程性质。依据原土的物理及化学构成和工程条件的不同,可以选用不同的加固材料和施工工艺,使加固材料和原土发生完全或部分的混合,产生一系列复杂的物理、化学反应,从而使土体的承载力、密实度和耐水性都得到较大提高。

化学加固法加固效果的好坏除与方法本身的针对性及各项工艺参数的选择有关外,更大程度上取决于注浆和粉体加固材料的性质、配比及用量[3]

。

4.5

土工合成材料法

土工合成材料具有原料丰富、质轻、强度高、抗

变形模量大、耐腐蚀等优点,对基床水源多为大气降雨的病害,宜选用不透水的土工防水膜板,可防止水

浸入基床土。对病害严重地段,单纯治水是不够的,还应考虑提高基床的整体稳定性,宜选用土工格栅或土工格室。土工格栅与土体的作用机理是:格栅通过与非粘性颗粒的摩擦咬合作用,约束了土体的侧向变形,增强了土体的抗剪强度,并能将承担的荷载分担到更大的范围,从而避免产生道碴陷槽,使荷载分布更加均匀。土工格室除具有土工格栅加强土体的作用外,其特殊的蜂窝状三维结构、格室侧向及与土的摩擦力可大幅提高土体的承载力,消除因承载力不足而引发的病害。

大秦线某处的高填路堤,路基填料为粘性土,亲水性强,透水性差,针对翻浆冒泥、路基边坡外鼓、路

肩坍塌病害采用了图

2所示的处理措施[4]

。

图2

土工防水膜板与土工格栅整治断面

Fig .2

Cr oss -secti on treated with water -p r oof me mbrane boards and geogrids

需要注意的问题是,尽管病害整治的方法很多,

但没有哪种方法是万能的,必须针对病害的实质采取相应的处理技术,才能从根本上消除病害,但这在实践中,往往是很难做出准确判断的。

5铁路路基病害智能管理系统

我国地域辽阔,铁路路网分布很广,铁路部门每

年投入大量的人力、物力用于整治各种路基病害,有的效果明显,有的不太理想,路基病害的处理方法也很多,不同的方法有不同的应用范围,经济投入差别很大,为此,需要建立全路路基病害管理数据库,达到信息共享、资源共享、辅助决策的目的。该系统具有智能管理功能,在统计以往路基病害成功和失败经验教训的基础上,能为路基病害的合理处置措施

提出建议[5]

。

它是以V isual Foxp r o 数据库管理系统和人工智能系统为核心系统,包括系统管理、数据库管理,数

1Journal of Engineering Geology 　工程地质学报　2005　13(2)

据分析、数据统计、辅助决策等功能子系统的信息管理系统。核心系统的功能是数据库管理和辅助决策系统,其程序流程如图3所示

。

图3路基病害智能管理核心系统流程图

Fig .3　B l ock diagram of the intelligent manage ment core syste m f or treat m ent of rail w ay r oadbed defects

　　(1)病害数据库管理子系统。数据是管理的前提,数据管理是整个系统的基础。数据库管理子系

统涉及基础数据、路基病害数据、其它数据等三大类数据。基础数据包括线路等级、机车车辆类型、运行速度、路基设计标准、填料类型等;路基病害数据资料包括病害部位、类型、病害处理详细方案;其它数据主要包括经济指标、治理效果的跟踪调查数据等。该子系统可进行这些数据的输入、修改、查询、统计、打印等数据管理功能。

(2)辅助决策子系统。该子系统运用专家系统、数据库管理系统与决策系统,形成智能型决策支持系统。该子系统能对各种新发路基病害进行分析研究,根据病害发生的类型、部位、填料、经济指标等因素的分析,经过分析比较给出相应的处理方案建议。此外,该系统具有自学习的功能,这样随着学习次数的增加,该系统的建议将更加合理、科学。辅助决策子系统结构见图4。

6结束语

铁路路基填料的构成差异很大,造成病害的原

因也各不相同。为此,针对不同地区、不同的路基病害采用不同的整治方法,有时需要同时采取多种措施,要做到根治病害,必须因地制宜,因病施治。要彻底整治好病害,需要做好以下几项工作:

(1)采用先进手段,准确判定路基病害发生的部位、类型及规模大小等。

(2)判定产生路基病害产生的具体原因,

具体

图4

辅助决策子系统结构图

Fig .4

B l ock diagra m of the assistance decisi on sub -syste m

是填料、还是水分的侵入,才能对症下药。

　　(3)做好路基病害整治的后评价工作,以便积累成功经验和教训。

在充分分析既有路基病害现状的基础上,结合铁路路基病害智能管理系统智能辅助决策系统,相信能得到技术可行、经济合理的处理措施。

参考文献

[1]钟辉虹,汤康民,黄茂松.铁路粘土路基动力特性试验研究

[J ].西南交通大学学报,2002,37(5):488～490.

Zhong Huihong,et al ..Dyna m ic perf or mance of clayey railr oad subgrade .Journal of Southwest J iaot ong University,2002,37(5):488～490.

[2]华剑飞.物探技术在路基病害检测中的应用[J ].铁道标准设

计,2002,(7):56～58.

Hua J ianfei,App licati on of object -detecti on technolgy on detec 2ti on of r oadbed defects .Rail w ay standard design,2002,(7):56～58.

[3]祝和权,杨殿文.铁路路基病害整治及化学加固材料研究进展

[J ].中国铁道科学,2000,21(2):35～40.

Zhu Hequan,et al ..Treat m en t of rail w ay r oadbed diseases and the p r ogress of study on che m ical stabilizing reagent .China rail w ay science,2000,21(2):35～40.

[4]刘林昌,王金玉.土工合成材料在大秦线路基病害整治工程中

的应用[J ].铁道标准设计,2003,(1):33～34.

L iu L inchang,et al .,App licati on of geogrids on r oadbed defects of Da Q in rail w ay .Rail w ay standard design,2003,(1):33～34.[5]苏艺,许兆义,王连俊等.青藏铁路路基加宽的变形特征研究.

工程地质学报[J ],2003,11(3):288～296.

Su Yi,Xu Zhaoyi,W ang L ianjun et al ..Study on def or mati on characteristics of widened r oadbed of Q inghai -tibet rail w ay .Jour 2nal of Engineering Geol ogy,2003,11(3):288～296.

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