鐵路路基工程-高速鐵路路基工程專題技術探討(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 我國經濟的發展有著重要的作 用。 圖 13 高速鐵路無砟軌道路基 常見病害 高速鐵路路基常見病害有：路基沉降、邊坡損壞、雨水風沙沖蝕、特殊地質條件下的病害等。本文著重探討的是對行車影響最為關鍵的沉降問題，以及邊坡防護。 圖 14 鐵路路基遭到破壞 石家莊鐵道大 學畢業論文 4 論文內容 本論文的主要內容為影響鐵路路基穩定的因素： ①土壤的性質 鐵路的修建是一項規模龐大的工程，因此，在項目施工的過程中，勢必會遇到不同的地質狀況以及性質各異的土體類型。而土壤的性質根據其類型的不同也有著明顯的差異 .成為了影響鐵路路基沉降的首要因素。例如黃土地區，由于黃土具有較強的濕陷性，故而成為引發鐵路路基沉降變形的重要原因。同樣，在軟土地區進行 鐵路鋪設時，也需要注意土體的性質對鐵路路基的影響。由于均勻并且土質良好的土壤，在沉降過程中沉降均勻，所以本文不作介紹，而主要介紹特殊性質土壤的處理措施。這些將在第 2章詳細介紹。 ②水分的影響 水分對于鐵路路基的影響是不可小視的。在地質巖性較強，土壤的排水能力較好的地帶，降水對鐵路路基的影響相對較小。但是當鐵路鋪設在土質疏松或土壤濕陷性強的地區時，水分的多少會對鐵路路基的沉降起到重要的影響。如在土質疏松的地區，強降水會不斷沖刷路基兩側的土壤，破壞路基填土的穩定性，降低路基填土的抗剪強度。從而導致路基沉降變形現 象的發生。而在土壤濕陷性較強的地區，降水不僅影響著路基填土的承載力，也會對土體的結構產生破壞最用，最終引起路基的沉降變形。這些將在第 3章詳細介紹。 ③影響邊坡的主要因素是降雨和風沙侵蝕，邊坡的破壞將直接影響路基的長期穩定喝列車的正常運營，所以應足夠重視邊坡的防護，對于保護路基免受損壞、美化環境也有很大幫助，在第 4 章將著重介紹邊坡的防護。 ④路橋過渡段的影響 路橋過渡段由于是兩種不同性質的路基的突然變化，造成沉降不一致，會出現沉降差，影響旅客舒適性。具體介紹在第 5章。 ⑤工程的質量 鐵路項目的工程質量是直接影 響路基沉降量的重要因素。在施工的過程中，對路基的處理方式、填料的選擇、填筑的厚度、路基的壓實度以及自然沉降的時間，都對路基的工后沉降量起到了一定的決定作用。因此，在鐵路的設計施工中，要嚴格的對工程質量加以控制，盡可能的減少路基的沉降量。 根據影響路基病害的因素，采取相應的措施，既能對病害發生前的預防提供指導，又能對病害發生后制定整治措施提供科學依據。 石家莊鐵道大 學畢業論文 5 第 2 章 特殊性質土壤處理 概述 普通土壤一般工程性質良好，沉降均勻穩定，受環境變化影響較小，對于此類土壤的處理措施已經非常成熟，可參考資料也非常多 ，故不作介紹。特殊性質的土壤，工程性質較差，常發生災害，對行車安全和養護維修造成很大影響，本文將著重介紹幾種常見的影響較大分布廣泛的特殊性質土。主要有： (1)濕陷性黃土 (2)凍土 (3)軟土 (4)膨脹土 濕陷性黃土路基處理技術 濕陷性黃土的概念 在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土稱為濕陷性土 濕陷性黃土的特征 在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，如遇到浸水情況，土體結構 將發生顯著變形，導致土體塌陷。有些雜填土也具有濕陷性。濕陷性黃土廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區。 濕陷原因 黃土的濕陷現象是一個復雜的地質、物理、化學過程，對其濕陷的原因和機理，國內外學者有種種假說，如毛細管假說、溶鹽假說、膠體不足假說、水膜楔入假說、欠壓密理論和結構學說等。 濕陷性黃土地基的處理 根據建筑物的重要性、地基濕陷類型、地基濕陷等級進行地基設計。當地基的總石家莊鐵道大 學畢業論文 6 濕陷量不大于 5cm時，各類建筑均可按非濕陷性地基設計；在非自重濕陷性地基上，當地基內各土層的濕陷起始 壓力均大于其附加壓力與上覆土的飽和自重壓力之和時，各類建筑也可按非濕陷性地基設計。地基設計包括承載力、濕陷變形、壓縮變形和穩定性計算。進行濕陷性黃土地基處理，在處理深度和處理范圍上區分：① 淺處理，即消除建筑物地基的部分濕陷量；②深基礎處理，即消除建筑物地基的全部濕陷量，這種方法包括采用樁基礎或深基礎穿透全部的濕陷性黃土層。 防水措施 以防止大氣降水、生產和生活用水以及浸入地基，是濕陷性黃土地區建筑物設計中不可缺少的措施。如做好總體的平面和豎向設計，保證整個場地排水通暢，并做好防洪措施，保 證水池類構筑物或管道與建筑物的間距，符合防護距離的規定，確保管網和水池類構筑物的工程質量，防止漏水；對于屋面和房屋內地面，應有排除雨水和防水的措施：對經常受水浸濕或可能積水的地面還應按防水地面設計嚴防漏水，基坑施工階段需做好臨時性防水、排水工作。 結構措施 結構措施的目的是為了減少結構物的不均勻沉降，或使結構物適應地基的變形。當地基不處理或僅消除地基的部分濕陷量時，結構設計應根據建筑物類別，地基濕陷等級或地基處理后下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值或剩余濕陷量以及建筑物的不均勻沉降、傾 斜和構件等不利情況，采取下列結構措施： (1)選擇適宜的結構體系和基礎形式。 (2)墻體宜選用輕質材料。 (3)加強結構的整體性與空間剛度。 (4)預留適應沉降的凈空。 在上述兩種措施的基礎上，力求簡單的建筑平面布置、加強其整體結構的剛度，在適當位置布設沉降縫，減小不均勻沉降對建筑物的影響，使建筑物自身有調節地基濕陷變形的條件。 地基處理方法 由于受水浸濕這一特定條件的不確定性，土體濕陷對工程建設具有極大的危害性，輕者使工程結構產生裂縫和下沉，重者使工程結構體系失穩直至徹底破壞。因而，在濕 陷性黃土的地基中選擇可行的、經濟合理的地基處理方法非常重要理必須慎之又石家莊鐵道大 學畢業論文 7 慎，要在正確掌握場地工程地質特性的基礎上，嚴格按國家現行規范進行。 (1)灰土墊層法 (換土法 ) 灰土墊層是濕陷性黃土地區使用最早和最廣泛的地基處理方法之一。灰土墊層是先將需要處理的濕陷性黃土挖除，換之以消石灰和粉質黏土的混合體分層壓實。灰土具有一定的膠凝強度和水穩定性，具有較好的強度、承載力、較低的壓縮性和良好的耐久性、水穩性及不透水性。灰土的這種特性取決于灰土的壓實度和摻灰量。摻灰量用消石灰和土料的體積配合比表示，一般為 2： 8 或 3： 7 等 ，根據設計要求確定。灰土墊層具有一定的強度、承載力，也具有水穩定性和抗滲性，且施工工藝簡單、取材方便、工程費用低、施工質量易控的特點得到廣泛應用。據不完全統計，在陜北地區的建筑工程中，有將近一半多層建筑使用灰土墊層。 圖 21 土方開挖平面圖 (2)強夯法 強夯法又名動力固結法，是將很重的錘 (一般 100～ 400kN)從高處自由落下 (一般為 6～ 40m)，給地基以沖擊能和振動。國外最大的夯擊能曾達到 50MN m。它適合加固從礫石到不飽和粘性土的各類地基土。強夯法不僅能提高地基的強度，降低其壓縮性，而且 還能改善其抵抗液化的能力和消除黃土的濕陷性。強夯法施工設計參數主要有有效加固深度、夯擊能、夯擊遍數、間歇時間、夯點布置及間距等。影響有效加固深度的因素很多，除了錘重和落距以外，地基土的性質、不同土層的厚度及其他強夯設計參數等都與有效加固深度有著密切的關系。 強夯法施工設備簡單；施工工藝、操作簡單；適用土質范圍廣；加固效果顯著，可取得較高的承載力，一般地基強度可提高 2～ 5 倍，變形沉降量小，壓縮性可降低2～ 1O 倍，加固影響深度可達 6～ 10m；土粒結合緊密，有較高的結構強度；工效高，施工速度快、較換土回填和樁基縮 短工期一半；節省加固原材料；施工費用低，節省投資；它的適用范圍十分廣泛。其缺點是施工時噪聲和振動較大，不宜在人口密集的城市內使用。 石家莊鐵道大 學畢業論文 8 圖 22 強夯法施工 (3)深層攪拌樁法 深層攪拌樁是復合地基的一種，近幾年在黃土地區應用比較廣泛，可用于處理含水量較高的濕陷性弱的黃土。它具有施工簡便、快捷、無振動，基本不擠土，低噪音等特點。 深層攪拌樁的施工方法有干法施工和濕法 施工兩種。干法施工就是“粉噴樁”，其工藝是用壓縮空氣將固化材料通過深層攪拌機械噴入土中并攪拌而成。因為輸入的是水泥干粉，因此必然對土的天然含水量有一定的要求，假如土的含水量較低時，很輕易出現樁體中心固化不充分、強度低的現象，嚴重的甚至根本沒有強度。在某些含水量較高的土層中也會出現類似的情況。因此，應用粉噴樁的土層中含水量應超過30%，在飽和土層或地下水位以下的土層中應用更好。濕法施工是將水泥攪拌成漿后注入土中的方法。水泥漿通過柱塞式泥漿泵強制注入，除非非凡情況很少斷漿，施工中一般采用預攪下沉時就噴漿的工藝， 因此樁體的均勻性比干法施工好。 石家莊鐵道大 學畢業論文 9 圖 23 深層攪拌樁法 施工中應注意的問題：必須在設計或施工中采取有效措施來保證攪拌樁復合地基各參數能達到各自的設計值，否則設計的可靠度會降低，如樁端為硬土，或樁長超過臨界樁長時，取值高于規定，就必須采取設置褥墊層或其他方法使樁間土發揮較高的強度，選用較高的樁體強度時，就必須采取增加水泥用量、摻加外加劑、復攪等措施，才能保證設計與預期的實際結果比較一致。 (4)灰土擠密樁法 灰土擠密樁法屬于一種柔性樁復合地基，它是通過夯實的樁身和擠密的樁間土提高地基強度，又通過樁 間土的擠密達到消除濕陷性的目的，是濕陷性黃土地區重要的地基處理方法之一。灰土擠密樁一般適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土，處理深石家莊鐵道大 學畢業論文 10 度 515m，處理寬度兩端要超過基礎寬度的 倍，并不應小于 。施工時，先利用沉管、沖擊或爆擴等方法在地基中擠土成孔，然后向孔內夯填灰土成樁。成樁時，通過成孔過程中的橫向擠壓作用，樁孔內的土被擠向周圍，使樁間土得以擠密，然后將備好的灰土分層填入樁孔內，并分層搗實至設計標高，二者分別與擠密的樁間土組成復合地基，共同承受基礎的上部荷載。灰土通常采用 3:7 灰土或 2:8灰土。樁徑 一般采用 300～ 600mm，樁距控制在 2～ 倍樁徑比較合理，樁孔按正三角形布置，樁間土擠密后 3 個孔之間土的平均擠密系數不宜小于 。樁孔深度應根據建筑物的分類情況、濕陷類型、濕陷等級、濕陷土層厚度綜合確定 。 圖 24 灰土擠密樁法 (5)預浸水法 對于自重濕陷性黃土，可在施工前在建筑場地構筑小埝，圍成 淺塘，向塘中注水并保持一定的水深，讓水充分浸入土中，使土產生自重濕陷。若土層很厚，可先在土層中鉆孔，填以粗砂和碎石形成砂井，然后在塘內放水浸泡，水深保持 ～ 。預浸水法處理地基方法簡單、投資低，但需要一定的浸水時間才能施工，而且因上部4～ m 土體的自重小，不足以消除濕陷性，需采取其他處理措施。 (6)化學加固法 化學加固則多用于濕陷事故處理。利用某些化學溶液注入地基土中，通過化學反應生成膠凝物質或使土顆粒表面活化，在接觸處膠結固化，以增強土顆粒間的連結，石家莊鐵道大 學畢業論文 11 提高土體的力學強度的方法稱為化學加固法。在我國 濕陷性黃土地區地基處理應用很多，并取得實踐經驗的化學加固法包括硅化加固法和堿液加固法，其加固機理如下： ①硅化加固法：通過打入帶孔的金屬灌注管，在一定的壓力下，將硅酸鈉 (俗稱水玻璃 )溶液注入土中；或將硅酸鈉及氯化鈣兩種溶液先后分別注入土中。 硅化加固濕陷性黃土的物理化學過程，一方面基于濃度不大的、粘滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土孔隙中，另一方面溶液與土的相互凝結，土起著凝結劑的作用。 ②堿液加固：利用氫氧化鈉溶液加固濕陷性黃土地基在我國始于 20世紀 60年代，其加固原則為：氫氧化鈉溶液注入黃土后，首先與土 中可溶性和交換性堿土金屬陽離子發生置換反映，反映結果使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物。 堿液對土的加固作用不同于其他的化學加固方法，它不是從溶液本身析出膠凝物質，而是堿液與土發生化學反應后，使土顆粒表面活化，白行膠結，從而增強土的力學強度及其水穩定性。但對下列情況不宜采用堿液加固：①對于地下水位或飽和度大于 80%的黃土地基；② 已滲入瀝青、油脂和其他石油化合物的黃土地基。 除上述處理方法，還有深層攪拌樁法、振沖碎石樁法、孔內深層強夯法、夯坑置換法、壓力灌漿法等都不失為好方法地基處理是主要的工程措施。防水措施 、結構措施的采用，應根據地基處理的程度不同而有所差別。在實際工作中，對地基做了處理，消除了全部地基土的濕陷性，就不必再考慮其他措施，若地基處理只消除地基主要部分濕陷量，為了避免濕陷對建筑物危害，還應輔以防水和結構措施。 凍土地區路基處理技術 凍土的概念 凡是土溫等于或低于零攝氏度的土 (石 )，成為凍土。這種狀態保持三年或三年以上者，成為多年凍土。 多年凍土層的頂面，成為多年凍土上限，簡稱上限；其地面，稱為多年凍土下限，簡稱下限。在大自然條件下形成的上限，稱為天然上限；受人為活動影響形成 的新上限，稱為人為上限。多年凍土上限和季節融凍層相銜接，稱為銜接的多年凍土，多年凍土上限和季節融凍層之間為不凍層隔開的稱為不銜接的多年凍土。多年凍土的地下水可分為層上水、層間水、層下水。季節融凍層內的季節地下水，不銜接的多年凍土地區的季節融凍層與多年凍土之間的常年地下水，均在上限以上，統稱為層上水。在上限以下，下限以上的多年凍土層內局部融區的地下水，成為層下水。 我國多年凍土分布地區很廣，約占全國面積的 1/5，較集中的地區是東北大小興石家莊鐵道大 學畢業論文 12 安嶺和青藏高原。 凍土區不良工程地質現象 (1)融沉 凍土融 沉性是凍土在融化過程中及融化后發生沉陷的特性。這是由于土中冰變為水和部分水的排出而造成。凍土融沉包括與外荷載無關的融化沉降和與外荷載直接有關的壓密沉降。在多年凍土地區，由于地下冰層較厚且埋藏較淺 .在道路施工及通車運營過程中由于各種因素的共同作用，使多年凍土局部融化 凍土覆土層在土體本身的自重和外力作用下產生沉陷，造成路基嚴重變形。凍土融沉可導致路基下沉，路堤向陽側路肩及邊坡開裂、下滑，路塹邊坡滑塌等。 (2)凍脹 凍脹是由于路基土中水的凍結和冰體的增長引