风积沙地区铁路路基设计浅议

贺 斌

风积沙地区铁路路基设计浅议

贺 斌

结合新建铁路陶利庙—靖边线设计,分析了风积沙的工程特性,论述了风积沙地区铁路路基填料选取、断面优化、路基处理、边坡防护等设计准则,同时给出了设计思路及要点,从而完善风积沙地区的铁路路基设计。

风积沙,路基,土工合成材料,三维生态护坡

0 引言

我国沙漠在东北、华北、西北分布较广,且多为风积沙。风积沙可对沿线修建的铁路造成多种危害,主要为风蚀路基本体、掩埋路轨等,同时由于沙漠地带特殊的气候、地质状况,使得风积沙地区的铁路设计,尤其是路基设计比一般气候、地质条件下的铁路设计难度要大得多。

新建陶利庙—靖边铁路(简称陶靖线)位于内蒙古自治区西南部鄂尔多斯市乌审旗和陕西榆林市靖边县境内,是鄂尔多斯铁路网规划的“三横四纵”通道的组成部分,全长 88.95 km,工程穿行于鄂尔多斯高原及毛乌素沙漠区,风沙地貌以固定沙丘(地)和半固定沙丘(地)为主,多呈新月形,局部为流动沙丘和沙垄。全线分布风沙路基达 39处,累计 26 939延长米。

1 风积沙的工程特性

风积沙不同于普通的沙子,其成因是在植被稀少、地表裸露的干旱地区,由于大风天气频繁,大风带动沙粒漂浮,当遇到障碍物或风力减弱时,土体颗粒及沙粒便沉积下来而形成。故风积沙的颗粒特点类似于常见的细沙,但物理特性又有很大的区别。

风积沙密度不高,干密度一般为 1.4 g/cm3,湿密度大约为1.5 g/cm3。风积沙在压实情况下密度增加,压实后的最大干密度可以达到1.76 g/cm3～2.0 g/cm3,为天然状态下密度的1.2倍～1.4倍。

风积沙的自然结构及压密结构都具有非湿陷性质,即沙颗粒遇到水后能保持原有骨架结构性质,水稳性好。风积沙的压缩系数不是常数,会随着加载压力的增大而减少,风积沙的沉降变形一般在 15 s内即完成,且不产生徐变,总沉降量很小(＜1.5%)。风积沙的空隙比随沉降率增加呈线型变化。无论是干沙还是湿沙,都有较高的压缩模量值,这说明风积沙路基经压实后,具有较好的稳定性和较高的强度。

2 风积沙地区的路基填料

沙漠地区人烟稀少、筑路材料缺乏,所需的土、砂石料、水泥、沥青、钢材等主材均需远运。为降低工程造价,本着就地取材的原则,路基填筑可以风积沙为主,利用风积沙作为路基填料具有如下优点：

1)根据风积沙的物理力学性质和实践结果表明,风积沙路基具有整体稳定性好、沉降量小、沉降速度快、水稳性好等优点。2)利用风积沙填筑路基,既可治理沙害,又可造地还田。而且在盐渍土等地基段填筑风积沙路基,对于阻断毛细水,提高路基稳定性均起到较好的效果。3)采用风积沙填筑路基,也可大大加快施工进度,缩短工期。

陶靖线全线路基填料设计利用风积沙 529.8万m3,极大地减少了取土对沿线既有植被地貌的破坏,最大程度地维持了当地的生态环境。

3 风积沙地区的路基断面形式

观测得知,路堑和零断面较易积沙。当风沙流通过路堑时,因气流受阻,扬沙能力减弱,使气流中沙粒迅速沉积下来,路堑越深则积沙越严重,且堑内清沙不易,特别是深长路堑内的清沙工作十分繁重;在零填零挖断面地段,一场大风后路基即被积沙掩埋,影响行车。当风沙经填方地段时,由于路堤顶面风速大,沙粒不易大量停留,且可借不同方向的风力吹散,人工清沙也较容易,因此,就防止积沙而言,路堤是一种最好的断面形式。

由包兰、兰新、沙通等线的调查表明,路堤高度不足 1m时,积沙较为严重,随着路堤的增高,路基面积沙则相应减少,而填方过高又将增加工程投资。所以,路堤的高度不应小于 1m,一般采用 1m～2.5m为宜。而路堑越深,边坡越陡,积沙也越严重,因此,风积沙地区选线时,应力求避免路堑,必要时可采用展开式浅路堑。

风积沙地区粉、细砂路基,边坡坡率不应陡于自然安息角。风积沙的自然安息角一般在 28°～32°之间,相应的坡率应为1∶1.5～1∶1.75。考虑到机车振动及自然因素对路基稳定性的影响,路基边坡坡率不宜陡于 1∶1.75,高度超过 6m时,适当提高其稳定系数,采用 1∶2。

变坡后坡面易积沙,且施工较困难,也不易保持,故均采用一坡到顶的直线型。对于浅路堑,当两侧有风沙流活动且风向与线路交角较大时,宜采用展开式,路堑边坡坡率应缓于 1∶4。浅路堑易于积沙,做成展开式后,可使风沙流较平顺地越过路堑,即使有部分积沙现象,也可在较平缓的边坡上停留下来,不致直接危害线路。

风积沙地区活动沙粒丰富,分布范围广,风沙流活动的空间高度高,一般拦截措施难以见效。为防止越过防护工程的沙流及堑坡局部风蚀物侵入道床,应在路堑两侧留出平台。平台虽不能防止和减少积沙,但可供积沙暂时堆存,起到防止积沙掩埋钢轨的缓冲作用。平台宽度视当地风流活动强度,边坡高度及路堑长度而定,一般不小于 2m。

综上所述,陶靖线风沙地区路基断面形式采取了下列设计：

1)合理调整线路平纵横参数,尽可能的采用路堤,且边坡形式为直线型。边坡高度 H≤6m时,边坡坡率采用 1∶1.75;边坡高度 6m＜H≤12m时,边坡坡率采用 1∶2。2)通过技术经济比选,局部线路采用路堑,边坡形式均为直线型。路堑地段设置侧沟及宽度不小于 2m的积沙平台,平台采用混凝土块板铺砌加固。

4 风积沙地区的路基处理

风积沙路基密实后虽然有比较好的承载力和稳定性,但是为防止长期动荷载带来的影响,通常仍需要加固处理,土工合成材料加筋是处理风积沙路基的主要方法。土工合成材料是岩土工程合成材料产品的总称。利用土工合成材料的工程特性,用作风积沙路基的土体加固时,可以给土体增加抗拉强度,改善土工结构的整体受力条件,增加地基的承载能力,提高结构的稳定性。

5 路基边坡防护

风积沙路基边坡的稳定性问题一直备受人们的关注。由于风积沙颗粒组成很细,不均匀系数很小,颗粒之间松散无粘性,粘聚力非常小,具有明显的非塑性性质,不易形成整体,对于较高、较陡的风积沙路基边坡,在一定的沙体结构、地形、水文和气候等条件下,当坡体剪应力增加或其抗剪强度衰减时,易发生连续破坏而丧失稳定平衡,在重力或者外荷载的作用下沿一定软弱带(面)向下发生整体位移滑动,造成边坡失稳,这是风积沙路基边坡不稳定的主要病害之一。

风积沙路基边坡的稳定性主要和边坡的坡度和填料的内摩擦角有关。线路由于受地形限制及考虑经济合理性,边坡坡度和填料内摩擦角有时不易优化,因此在路基边坡和填料既定的情况下,可通过设计增加边坡防护措施来提高边坡的稳定性。

陶靖线设计时充分调研了沿线既有铁路、公路边坡的防护措施,结合当地气候水文条件,采取如下防护设计：路堤、路堑边坡高度 H＜5m时,坡面采用树枝沙障,沙障内栽种沙柳防护;边坡高度 H≥5m时,边坡坡面采用M 7.5浆砌片石拱形截水骨架护坡,骨架内种植灌木防护;边坡高度H＞4m时铺设土工格栅。

为实现稳定性永久边坡,大大降低维护费用,同时满足环境要求,本线路局部地段(如上跨公路的铁路桥两端一定长度范围内)边坡防护采用三维生态护坡工程系统,如图 1所示。

三维生态护坡工程系统是集土木结构和生态环保绿化为一体的工程系统。系统所有组件材料都选用高质量环保材料,具有无毒、不降解、抗老化、抗紫外线、抗酸碱盐及微生物侵蚀、强度衰变小的物理化学性能,能够完全回收,实现零污染。构成三维生态护坡工程系统的组件主要有生态袋、三维排水联结扣等组件。三维排水联结扣用来将生态袋相互联结从而增强剪切强度,形成牢固的三角内摩擦紧锁结构,可以建造高而陡的生态环保边坡。同时对植物非常友善,使植物通过袋体自由生长,根系进入工程的基层土壤中,像无数锚杆完成稳固作用,时间越长,越加牢固。

6 结语

近年来,随着工程实践的积累,我国风积沙地区的铁路路基设计已经形成了一套成熟的理论,《铁路特殊路基设计规范》《铁路路基土工合成材料应用技术规范》等设计指南的发布实施,有力地促进了新材料、新工艺的引入,路基工程质量得到了显著提高,取得了良好的经济效益和生态效益。

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On design for railway roadbed in aeolian sand areas

HE Bin

Combining with the design fornewly-built Taolimiao to Jingbian line,the paper analyzes the engineering features for the aeolian sand, indicates the design principle for the roadbed filler selection,theoptimization of the sections,the treatmentof roadbed and the protection ofside slope,and provides the design ideas and points,so as to imp rove the railway roadbed design in aeolian sand areas.

aeolian sand,roadbed,geo-synthetic materials,three dimension ecological p rotection slope

U 213.1

A

1009-6825(2011)09-0161-02

2010-11-30

贺 斌(1982-),男,助理工程师,中铁工程设计咨询集团有限公司太原院,山西太原 030009