高速铁路路基常见病害及防治.docx
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高速铁路路基常见病害及防治
高速铁路路基常见病害及防治措施
高速铁路路基常见病害及防治措施
一．常见病害
高速铁路路基常见病害有：
路基沉降、边坡损坏、雨水风沙冲蚀、特殊地质条件下的病害等。
行车影响最为关键的沉降问题，以及边坡防护。
二．影响铁路路基稳定的因素
（一）土壤的性质
铁路的修建是一项规模庞大的工程，因此，在项目施工的过程中，势必会遇到不同的地质状况以及性质各异的土体类型。
而土壤的性质根据其类型的不同也有着明显的差异.成为了影响铁路路基沉降的首要因素。
例如黄土地区，由于黄土具有较强的湿陷性，故而成为引发铁路路基沉降变形的重要原因。
同样，在软土地区进行铁路铺设时，也需要注意土体的性质对铁路路基的影响。
由于均匀并且土质良好的土壤，在沉降过程中沉降均匀。
（二）水分的影响
水分对于铁路路基的影响是不可小视的。
在地质岩性较强，土壤的排水能力较好的地带，降水对铁路路基的影响相对较小。
但是当铁路铺设在土质疏松或土壤湿陷性强的地区时，水分的多少会对铁路路基的沉降起到重要的影响。
如在土质疏松的地区，强降水会不断冲刷路基两侧的土壤，破坏路基填土的稳定性，降低路基填土的抗剪强度。
从而导致路基沉降变形现象的发生。
而在土壤湿陷性较强的地区，降水不仅影响着路基填土的承载力，也会对土体的结构产生破坏最用，最终引起路基的沉降变形。
影响边坡的主要因素是降雨和风沙侵蚀，边坡的破坏将直接影响路基的长期稳定喝列车的正常运营，所以应足够重视边坡的防护，对于保护路基免受损坏、美化环境也有很大帮助。
（三）土壤的影响
普通土壤一般工程性质良好，沉降均匀稳定，受环境变化影响较小，对于此类土壤的处理措施已经非常成熟，可参考资料也非常多，故不作介绍。
特殊性质的土壤，工程性质较差，常发生灾害，对行车安全和养护维修造成很大影响，本文将着重介绍几种常见的影响较大分布广泛的特殊性质土。
主要有：
湿陷性黄土、冻土、软土、膨胀土。
1湿陷性黄土路基处理技术
1.1湿陷性黄土的特征
在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，如遇到浸水情况，土体结构将发生显著变形，导致土体塌陷。
有些杂填土也具有湿陷性。
湿陷性黄土广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区。
1.2湿陷性黄土地基的处理
根据建筑物的重要性、地基湿陷类型、地基湿陷等级进行地基设计。
当地基的总湿陷量不大于5cm时，各类建筑均可按非湿陷性地基设计；在非自重湿陷性地基上，当地基内各土层的湿陷起始压力均大于其附加压力与上覆土的饱和自重压力之和时，各类建筑也可按非湿陷性地基设计。
地基设计包括承载力、湿陷变形、压缩变形和稳定性计算。
进行湿陷性黄土地基处理，在处理深度和处理范围上区分：
①浅处理，即消除建筑物地基的部分湿陷量；②深基础处理，即消除建筑物地基的全部湿陷量，这种方法包括采用桩基础或深基础穿透全部的湿陷性黄土层。
1.2.1防水措施
以防止大气降水、生产和生活用水以及浸入地基，是湿陷性黄土地区建筑物设计中不可缺少的措施。
如做好总体的平面和竖向设计，保证整个场地排水通畅，并做好防洪措施，保证水池类构筑物或管道与建筑物的间距，符合防护距离的规定，确保管网和水池类构筑物的工程质量，防止漏水；对于屋面和房屋内地面，应有排除雨水和防水的措施：
对经常受水浸湿或可能积水的地面还应按防水地面设计严防漏水，基坑施工阶段需做好临时性防水、排水工作。
1.2.2地基处理方法
（1）灰土垫层法（换土法）
灰土垫层是湿陷性黄土地区使用最早和最广泛的地基处理方法之一。
灰土垫层是先将需要处理的湿陷性黄土挖除，换之以消石灰和粉质黏土的混合体分层压实。
灰土具有一定的胶凝强度和水稳定性，具有较好的强度、承载力、较低的压缩性和良好的耐久性、水稳性及不透水性。
灰土的这种特性取决于灰土的压实度和掺灰量。
掺灰量用消石灰和土料的体积配合比表示，一般为2：
8或3：
7等，根据设计要求确定。
灰土垫层具有一定的强度、承载力，也具有水稳定性和抗渗性，且施工工艺简单、取材方便、工程费用低、施工质量易控的特点得到广泛应用。
据不完全统计，在陕北地区的建筑工程中，有将近一半多层建筑使用灰土垫层。
（2）强夯法
强夯法又名动力固结法，是将很重的锤（一般100～400kN）从高处自由落下（一般为6～40m），给地基以冲击能和振动。
国外最大的夯击能曾达到50MN·m。
它适合加固从砾石到不饱和粘性土的各类地基土。
强夯法不仅能提高地基的强度，降低其压缩性，而且还能改善其抵抗液化的能力和消除黄土的湿陷性。
强夯法施工设计参数主要有有效加固深度、夯击能、夯击遍数、间歇时间、夯点布置及间距等。
影响有效加固深度的因素很多，除了锤重和落距以外，地基土的性质、不同土层的厚度及其他强夯设计参数等都与有效加固深度有着密切的关系。
（3）深层搅拌桩法
深层搅拌桩是复合地基的一种，近几年在黄土地区应用比较广泛，可用于处理含水量较高的湿陷性弱的黄土。
它具有施工简便、快捷、无振动，基本不挤土，低噪音等特点。
（4）灰土挤密桩法
灰土挤密桩法属于一种柔性桩复合地基，它是通过夯实的桩身和挤密的桩间土提高地基强度，又通过桩间土的挤密达到消除湿陷性的目的，是湿陷性黄土地区重要的地基处理方法之一。
灰土挤密桩一般适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土，处理深度5-15m，处理宽度两端要超过基础宽度的0.25倍，并不应小于0.5m。
施工时，先利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔，然后向孔内夯填灰土成桩。
成桩时，通过成孔过程中的横向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，使桩间土得以挤密，然后将备好的灰土分层填入桩孔内，并分层捣实至设计标高，二者分别与挤密的桩间土组成复合地基，共同承受基础的上部荷载。
灰土通常采用3:
7灰土或2:
8灰土。
桩径一般采用300～600mm，桩距控制在2～2.5倍桩径比较合理，桩孔按正三角形布置，桩间土挤密后3个孔之间土的平均挤密系数不宜小于0.93。
桩孔深度应根据建筑物的分类情况、湿陷类型、湿陷等级、湿陷土层厚度综合确定。
（5）预浸水法
对于自重湿陷性黄土，可在施工前在建筑场地构筑小埝，围成浅塘，向塘中注水并保持一定的水深，让水充分浸入土中，使土产生自重湿陷。
若土层很厚，可先在土层中钻孔，填以粗砂和碎石形成砂井，然后在塘内放水浸泡，水深保持0.3～0.5m。
预浸水法处理地基方法简单、投资低，但需要一定的浸水时间才能施工，而且因上部4～m土体的自重小，不足以消除湿陷性，需采取其他处理措施。
（6）化学加固法
化学加固则多用于湿陷事故处理。
利用某些化学溶液注入地基土中，通过化学反应生成胶凝物质或使土颗粒表面活化，在接触处胶结固化，以增强土颗粒间的连结，提高土体的力学强度的方法称为化学加固法。
在我国湿陷性黄土地区地基处理应用很多，并取得实践经验的化学加固法包括硅化加固法和碱液加固法，其加固机理如下：
①硅化加固法：
通过打入带孔的金属灌注管，在一定的压力下，将硅酸钠（俗称水玻璃）溶液注入土中；或将硅酸钠及氯化钙两种溶液先后分别注入土中。
②碱液加固：
利用氢氧化钠溶液加固湿陷性黄土地基在我国始于20世纪60年代，其加固原则为：
氢氧化钠溶液注入黄土后，首先与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反映，反映结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物。
还有深层搅拌桩法、振冲碎石桩法、孔内深层强夯法、夯坑置换法、压力灌浆法等都不失为好方法地基处理是主要的工程措施。
防水措施、结构措施的采用，应根据地基处理的程度不同而有所差别。
在实际工作中，对地基做了处理，消除了全部地基土的湿陷性，就不必再考虑其他措施，若地基处理只消除地基主要部分湿陷量，为了避免湿陷对建筑物危害，还应辅以防水和结构措施。
2.冻土地区路基的处理
2.1遮阳板路基
近几年，国内外保护冻路基研究的一个方向就是遮阳板路基，遮阳板置于路基体外，遮挡部分路基体用来阻挡太阳光直接辐射并且阻隔雨水下渗，从而达到保护冻土路基的目的。
用遮阳板遮挡路基在俄罗斯和美国阿拉斯加地区己有研究和应用；在国内，尚处于应用研究阶段。
2.2片石通风路基
片石通风路基是一种控制热量传输过程的工程措施。
片石通风路基通过改变路基的表面形状和热传输机理来调整路基的温度状态，达到保护多年冻土的目的。
在暖季可以阻止外界热量传人路基。
起到类似保温材料的隔热作用；寒季可以加快路基散热，起到类似通风管的储冷作用，这是由片石路基特殊的热传输特性决定的。
片石通风路堤主要适用于高温、高含冰量、极不稳定的冻土地段及冰层埋藏浅.厚度大且风沙小的地段。
2.3通风管路基
通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施，通风管路基主要由路基土体和通风管构成。
其工作原理是：
在寒冷季节，有较大的密度冷空气在自重和风的作用下将通风管中的热空气挤出，并不断将周围路基土体中的热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的。
在以后多年冻土新建公路中将是一种很有使用前途的路基型式。
2.3.4热棒路基
热棒技术是一种无须外加动力源的冷冻技术，应用热棒技术可以通过外加不对称冷量的输入来平衡温度场，既能冷却路基土体，同时也能使路基温度场对称、路基变形均匀。
热棒是在密闭真空腔体注入低沸点工质（如氨、氟利昂、丙烷、CO，等）而构成，管的上部（散热段）装有散热片，管的下部（蒸发段）埋入多年冻土中，中间为绝热段。
在寒冷季节空气温度低于冻土温度，热管中的液体工质吸收冻土中的热量，蒸发成气体。
蒸汽在压差的驱动下，沿热管向上流动至热管上部，遇到较冷的管壁冷凝成液体，冷凝液体在重力作用下，沿管壁流回蒸发段再蒸发，如此循环，把地基冻土中的热量不断地传输到大气中。
3.软土地区路基处理技术
1.软土路基的处理
路堤超过临界高度时，为确保路堤在施工和运营期安全使用，必须进行路堤和路基加固处理。
加固技术大致可分三类：
①改变路堤的结构形式；②人工地基；③排水固结。
1.1改变路堤的结构形式
（1）反压护道
反压护道是通过在路堤两侧填筑一定高度的护道起反压作用，防止地基破坏，保证路基稳定的一种有效的工程措施。
（2）铺设土工材料
在路堤底部铺设一层或多层土工合成材料，可以起到柔性柴排的作用。
土工合成材料主要是聚酯了高分子材料的化合物，耐酸碱，耐腐蚀，并具有较大的抗拉强度。
土工合成材料的种类很多，可根据工程要求选用。
土工合成材料铺设于路堤地层后，由于其具有较高的强度和韧性，能紧贴地表，使上部填土荷载较均匀的分布到地层中，并能抵抗土坡滑动，阻止冲击破坏面的产生，提高地基的承载力，增强路堤稳定性。
此外，还有在路基坡脚附近设置板桩、木排桩、钢筋混凝土桩或片石齿墙等限制软土地基侧向位移的方法。
1.2人工地基
人工地基是软土地基内设置各种材料制成桩，构成复合地基或将地基土换成性能良好的土料，以保证路基稳定的一类方法。
（1）换土
换土是以人工、机械、爆破的方法将软土移除，换填强度较高的黏性土或砂、砾石、碎石等渗水材料。
因为彻底地改变了地基土的性质，效果很好。
它适用于软土层较薄、无硬土覆盖的情况。
若软土被水淹没，施工时可在路堤两侧设置围堰，以便于施工，并使填土过程不受水的浸泡，保证施工质量。
当软土的液性指数较大，水不易抽干时，可采用抛石挤淤的方法强迫换土。
直接抛石施工时，可先抛中间部分，将淤泥挤向两侧，再向两侧抛石，挤出淤泥。
当软土埋藏较深，但厚度不大，换土施工困难或路堤较高、工期紧迫时，可利用爆破法排出淤泥以加速施工。
（2）挤密砂桩
将砂桩打入软土地基，挤密软弱土层，形成复合地基。
在外荷载作用下，应力向砂桩集中，使桩周围土层承受的压力减小，沉降也相应减小。
根据我国在淤泥质黏土中打桩前后的荷载试验，其沉降量可比天然地基减小20%～30%，因而适用于对沉降要求较高的工程。
同时，砂桩与砂井一样，在土中形成排水通路，能加速地基固结沉降的速率，改善地基的整体稳定性，提高地基承载力。
（3）碎石桩
碎石桩是以碎石（卵石）为主要材料制成的复合地基加固桩。
碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或租颗粒土桩。
所谓散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。
目前在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。
（4）生石灰桩
生石灰桩是用2～5cm的生石灰块填入软土孔眼中，形成生石灰桩地基，桩的平面布置与砂井相同，桩径通常为20～40cm，桩距为桩径的3倍左右，桩长视土层厚度而定，一般不宜很长，10m以内。
（5）粉体喷射搅拌法
粉体喷射搅拌法是近年国内外常用的一种深层软基加固技术。
它以生石灰粉和水泥等粉体材料为加固材料，通过特定的施工机械，用压缩空气将粉体呈雾状喷入土中，使粉体与原土搅拌，形成石灰（水泥）黏土混合的柱体。
它的强度大，水稳性好，可提高软土地基的承载力，减小沉降量。
加固深度一般在10～15m。
1.3排水固结
排水固结是在软土中设置垂直井，在地表铺设砂垫层，以缩短孔隙水的流程，加速土体的固结的一类方法。
这类加固方法，对提高土体强度和地基承载力，增强路堤稳固性，效果十分显著。
（1）排水砂井
软土地基在荷载作用下，孔隙水慢慢排出，孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，孔隙体积逐渐减小，地基发生固结沉降，地基强度相应增大。
根据固结理论，粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比。
土层越后，固结所需的时间越长。
为了加速土层固结，最有效的方法是增加土层的排水通道，缩短排水距离。
砂井（袋装砂井、塑料排水板）就是按照这个原理而设置的。
（2）袋装砂井
袋装砂井是在合成材料编织袋内充填中粗砂，装入地基孔内，以加速地基排水固结，其击鼓原理、设计方法与砂井完全相同。
袋装砂井的直径按其排水及施工工艺的要求确定。
一般采用7～12cm，我国采用较多的是7cm直径。
（3）塑料排水板
塑料排水板法是将预制的带状塑料排水板用插板机将其竖直地插入土中，形成类似砂井的排水通道，使孔隙水沿塑料板的通道流出，从而加固地基土的方法。
（4）排水砂垫层
排水砂垫层是在路堤底部的地面上铺设的一层砂垫层，其作用是在软土层顶面增加一个排水面。
在填土过程中，软土中渗出来的水就可以从砂垫层排出来，加速地基固结，提高软土的强度，增强路堤的稳定。
4.膨胀土地区路基处理技术
1.膨胀土的路基的病害
（1）溜坍路基边坡上局部表层土体，由于降水下渗含水率过大以及土的胀缩作用，强度降低而溜坍。
（2）滑坡和一般滑坡相同，斜坡土体沿土中软弱面而滑动。
这一软弱面多为裂隙面、层面或其他结构面。
由于土体存在滑坡趋势，当失去前部支撑时，便产生滑动。
膨胀土地段的滑坡，其滑动面土体含水率较大，强度低，有时虽然土体边坡已经放缓，但仍易产生滑动。
（3）坍滑路堤边坡坍滑是膨胀土地段的路堑、路堤边坡经常发生的一种变形现象。
不少地段的坍滑体厚度不大，但在边坡上却不易扩展。
4.2膨胀土地基处理
膨胀土的这种遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形的特殊工程性质，给工程带了较大的危害，准确地了解膨胀土的特性及变化的条件，就能够知道地基将会产生怎样的变形，从而采取相应的地基处理措施。
膨胀土地基常用的处理方法有5个：
（1）换土
可采用非膨胀性材料或灰土，换土厚度可通过变形计算确定。
平坦场地上I、II级膨胀土的地基处理，宜采用砂、碎石垫层，垫层厚度≥300mm，垫层宽度应大于基底宽度，两侧宜采用与垫层相同的材料回填，并做好防水处理。
换土法能够得到比其他处理方法更大的地基承载力，从根本上改变地基土的性质，工期也比较短。
（2）改良土质
在膨胀土中添加石灰、水泥等非膨胀材料或添加化学剂使膨胀土失去膨胀性的材料。
在膨胀土中拌合一定量的石灰或水泥可降低或消除膨胀土的膨胀性；同时，有机和无机的化学剂也已经在膨胀土改良中得到应用，可以降低膨胀土的塑性指数和膨胀潜势。
（3）采用桩基
膨胀土层较厚时，应采用桩基，桩尖支承在非膨胀土层上，或支承在大气影响层以下的稳定层上。
（4）预湿膨胀
施工前使土加水变湿而膨胀，并在土中维持高含水率，则土将基本上保持体积不变，因而不会导致结构破坏。
（5）隔水法
根据膨胀土的特性，土体的含水率的变化是膨胀土产生危害的根本条件，采用综合措施切断基底下外界渗水条件，就可以保证地基的稳定性。
各种处理措施，有时单独采用，有时需综合采用。
三．路基冻害
路基冻害是严寒地区影响铁路安全及正常运营的常见病害，它与寒冷的气候有关，冰冻线能达到相当深度，又涉及到土的特性。
在哈局管内的各种路基病害中，路基冻害因其分布广、时间长、工作量大、影响行车非常严重而占首位。
如何整治路基冻害，减少维修养护工作量，确保行车安全受到各级领导高度重视。
1.路基表层冻害的防治
一是排水及隔水。
其目的在于排除地表水或降低疏导地下水，以及隔断下层水，以消除或减少路基土体的冻胀。
具体措施包括：
地表排水——通过修建侧沟、天沟、排水沟、排水槽、截水沟等，尽一切可能使地表排水畅通，并将大量地表水由桥梁及涵洞排走；基床排水——通过基床整形（平整基床及路肩）、挖除道碴陷槽、路肩换渗水性土壤、加设横向盲沟、纵向盲沟、横向排水管等排水；排除地下水——通过截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑渗沟）、渗水隧洞等排水；隔水——利用塑料薄膜、聚苯乙烯薄板、聚氯乙烯软板材料制成的隔水层或树脂类注入等方式，隔断毛细水的上升及隔断冬季土冻结时所产生的水分向上迁移。
二是改土。
其目的是换除路基土体中的不均匀土质或改良土的性质，以消除或减少路基土体的冻胀。
三是隔温。
其目的是使冻胀性土脱离冻结层或部分脱离冻结层，从而消除或减少路基土体的冻胀。
2.路基深层冻害的防治
路基深层冻害产生在路基基床土体的下部。
根据均质土体的冻胀情况来看，冻胀强度最大的部位均发生在路基表层，只有当地下水位较接近最大冻结深度时或在最大冻结深度内时，则最大的冻胀才发生在下部。
只有当开式析冰系统时，其下部的冻胀土才产生一定的冻胀，而且冻胀发生在冻结期的后期（约2～3月份）。
所以防治深层冻害主要是整治地下水。
多年冻土地区路基的构成，其上部为季节融化层，下部为多年冻土层。
所以它除了上部的季节融化层具有季节冻土地区路基冻害的特点外，下部则有多年冻土路基的特殊病害——路基热融沉陷、路基冻融坍塌、路堑边坡热融滑坍及路堤边坡表层滑坍。
多年冻土地区路基特殊病害的防治总的概括为两大类：
一是在使用中保持土冻结状态的原则（即采用保温措施等），这种原则适用于含冰丰富的冻土或厚层地下冰地带；二是在使用中冻土可以融化或局部融化，或控制融化速度，这一原则一般使用于厚度较薄的冻土层或含冰量局部较大的岛壮冻土地带。
3.路基冻害及融沉的整治
根据路基冻害及融沉产生的原因及特点，确定整治原则是保护多年冻土，隔离积水坑向基底渗入的水源，消除热源，采取必要的保温措施，以促使融化槽消失，从根本上改变基底的热平衡状态以达到彻底根治的目的。
即采用EPS板保温层和土工布挡水层相结合的综合整治措施。
采用上述措施的目的是不允许积水坑的水向基底内渗入，由于EPS板的保温隔热功能对多年冻土起到了保护作用，提高基底多年冻土的上限，以消除路基冻害和热融下沉，尤其在春融期线路回落平稳，整治效果显著。
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