土工格室在路基病害整治中的应用

芦 宁

1 概述

膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限粘土。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。膨胀土分布范围极广，到目前为止，已有40多个国家和地区报导了与膨胀土有关的工程地质问题，包括中国、美国、印度、南非、以色列、澳大利亚和加拿大等国家。

20世纪50年代初，我国在修建成渝铁路工程中，在成都地区首次遇到粘土膨胀危害问题。70年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究试验基地，取得了一定的科研成果和工程经验。80年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范，对土的膨胀性质的研究得到进一步深化。膨胀土明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性给铁路建设带来了相当大的危害。从以往常规铁路的工程实践看，铁路膨胀土地区既有线路的路基完好率仅为25%，路基基床病害相当普遍。常见的病害有:基床翻浆冒泥、下沉、外挤三个主要类型等，边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大，而且具有渐进性和长期性的特点。

本文结合管辖范围内的某铁路线路基病害，探讨应用土工格室进行膨胀土路基病害的整治。

2 工程概况

2.1 病害情况

某铁路线于1995年开通运营，路基长度约为120 km，其中限于当时标准采用了膨胀土填筑路堤长度约90 km。在运营过程中，路基沉降发展较快，经勘测调查发现造成该种情况的原因主要是在当初施工时路基压实度不足，以及当时在设计时对膨胀土的特性认识不足，造成该线通车运营后，基床经常出现翻浆冒泥、下沉、挤出和边坡的冲蚀、坍塌等病害，严重威胁铁路行车安全。路基病害示意图如图1所示。

图1 路基病害示意图

2.2 地质条件

该区段广泛分布有膨胀土。地质情况为上部1 m～2.5 m棕色亚粘土，硬塑，含铁、锰质结核及薄膜，柱状节理发育，节理面光滑，并多见有擦痕;中部2.5 m～4 m棕黄及土黄色粘土、亚粘土，含铁、锰质结核，柱状节理发育一般，硬塑;下部为棕红色粘土、亚粘土，含灰白色铝质条带，硬塑，柱状节理不发育。土体结构复杂，为骨架结构。单体矿物无定向排列，少数具基质结构，镜下积聚体内部排列紧密。

经测定，路基填筑的膨胀土主要物理力学性质指标为天然含水量(w)为 28.7 ～ 37.0，重度 17.7 kN/m3～ 19.1 kN/m3，比重2.64，孔隙比0.63 ～0.82，液限 41.0%～47.0%，塑限 25.6%，塑性指数18.0，液性指数0.13，残余内摩擦角(Ф)为 14.7 ～27.70，粘聚力(c)为5.0kPa～14.0kPa。膨胀土的高含水性、高孔隙比等特征表明，其具有较强的胀缩特性。

2.3 整治方案

经现场探勘，轨下基床下沉外挤，形成陷槽，深度均在35cm以上，软卧层厚约17cm。路基的侧面排水被当地农民用作了农业灌溉用渠，导致了水体倒灌入路基中，使得路基土体长期积水，无法排除，从而引起基床翻浆冒泥，轨道几何形位难以保持，最后不得不采用限速40 km/h运营。经综合考虑，拟采用土工格室进行路基基床加固。

土工格室是20世纪90年代出现的一种高密度聚氯乙烯土工合成材料，它具有三维的结构特点。由于网状方格中强化的PE条通过强力焊接后产生的横向限制力以及土工格室壁的摩擦力，使得格室内填方共同形成一弹性结构桥，使格室上部的荷载通过这一结构层时进行应力扩散，从而改善了下部地基的受力状态，减少了变形。土工格室如图2所示。

图2 土工格室示意图（单位：cm）

3 整治效果分析

为查明土工格室加固路基基床的整治效果，对该加固段进行了动态测试。

3.1 测试方案

选取典型测试段，在轨下、道心及枕木端头处的基床面及其下0.25 m，0.50 m，0.75 m各埋2个土压力盒。土压力盒为双油腔膜式电阻转换型传感器，直径18cm，厚2.5cm。

图3 土压力典型波形图

测试方法为先将测点压力盒通过动态应变仪连接到计算机上，应用CRAS软件由计算机同时记录测试过程中所有传感器的电信号，计算机采样后经过模数转换进行处理，直接在计算机屏幕上输出各测点土压力盒的波形。限于篇幅，截取一典型波形如图3所示。

3.2 结果分析

测试的数据见表1。

表1 测试的动应力值 kPa

从表1可以看出:1)基床动应力沿深度衰减明显。以轨下位置为例，基床面处的动应力值为93.6kPa，经土工格室衰减，在基床表层下0.25 m处约为基床表层动应力的65.5%，在基床表层下0.50 m 和0.75 m 处动应力值分别为47.3kPa和 36.5kPa，约为基床表层动应力值的50.5%和39.0%。2)基床土动应力横向分布规律为:轨下位置最大，其次为轨枕端部位置，道心位置最小。3)在土工格室以上的基床表层处，轨下、道心、轨枕端部三个不同位置处的动应力相差较大，而在基床以下0.25 m，0.50 m以及0.75 m处，三个不同位置处的动应力相差较小。由此表明，应用土工格室进行道床的病害整治能起到均化基床应力分布的作用。

4 结语

该段路基病害整治完成后，经过四年多的运营，现基床稳定，未再发生路基翻浆冒泥等病害。可见，采用土工格室取得了良好的效果。

通过本次的系统路基病害整治得出如下建议:

1)对于膨胀土路基地段，病害整治应以排水固结为主，对地下水丰富的地段，尤其应以疏导的排泄为主。2)应用土工格室进行膨胀土路基的翻浆冒泥等病害整治能起到良好的作用。在具体整治时要特别注意施工工艺。在土工格室铺设时，要确保土工格室的拉展铺平。

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