硫酸盐侵蚀条件下无砟轨道路基上拱特性研究

王鹏程，叶阳升，尧俊凯，陈 锋，张千里

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所, 北京 100081)

随着我国铁路工程的迅猛发展，冻融、干湿及盐分侵蚀等复杂的工程环境对于路基的影响日益显现，部分无砟轨道路基出现了因路基填料及地基土微膨胀而引起的无砟轨道轨道结构上拱及偏移问题，部分上拱变形严重的工点不得不限速运行，或者在限速运营条件下利用天窗时间进行整治维修，投入成本较大，且对线路的正常运营造成极大的影响。现场调研显示大部分的路基上拱发生在路桥(涵)过渡段内，此范围的基床填料为级配碎石掺水泥集料。一定温度及含盐量条件下盐分侵蚀水泥稳定集料形成钙矾石等矿物而引起的侵蚀膨胀问题早已得到了广泛的关注[1-2]。Chen等[3]对美国德克萨斯州82号公路东侧的路基上拱的原因分析认为，路基上拱是由于土中石灰稳定剂和硫酸盐矿物质之间的反应引起，扫描电子显微镜(SEM)分析，证明了钙矾石的形成是上拱的主要原因。Alonso等[4]对马德里和巴塞罗那之间高速铁路某路桥过渡段上拱进行了监测与研究，监测表明，由水泥稳定填料填筑的路基过渡段在两年的时间里持续上拱了120 mm，且降雨后膨胀率明显增加，膨胀对路基和桥台造成了严重的破坏。对上拱段路堤填料进行矿物成分分析证实了膨胀性物质钙矾石存在。

钙矾石最大的特点之一就是生成过程中会产生体积膨胀，一个钙矾石晶体分子可吸附多达32个水分子，引起固相体积剧烈增大2倍以上[5-6]，一般形成后便不再发生吸水膨胀，易脱硫形成水化硫铝酸钙，而此过程不发生体积膨胀。

3(CaSO4·2H2O)+4CaO·Al2O3·19H2O+

目前我国针对公路及铁路中的盐分侵蚀水泥引起膨胀问题的研究较少，膨胀变形问题主要针对膨胀土、冻土及盐渍土等特殊土开展。本文针对某无砟轨道路基上拱工点，通过现场调研与监测明确了上拱变形的主要特征及膨胀发生部位，并结合室内试验分析了上拱的主要原因。

1 工程概况

1.1 设计情况

某客运专线无砟轨道路基上拱工点位于路涵过渡段范围内(1～2 m箱型涵)，工点典型的横断面图见图1，线路形式为路堤，填土高度6.5～7.5 m。过渡段表层为掺5% P.O42.5水泥的级配碎石，表层以下为掺3% P.O42.5水泥的级配碎石。主要地层为细角砾土、砾岩、片麻岩，地基处理采用重夯+挖除填渗水土(换填深度1.5 m)，地表设0.5 m水泥卵砾石垫层。

图1 上拱偏移工点典型横断面(单位：m)

根据上拱工点的气象资料，年平均降水量为52.2 mm，年最大降水量为127.7 mm，年平均降水日数23 d，年蒸发量2 567.3 mm，年平均气温9.8 ℃，土壤最大冻结深度116 cm。

1.2 病害情况

此区间于2015年10月份发现上拱，同时，上下行线路均出现了由线路中心向路肩侧的偏移，且变形持续发展，截止2016年8月，上行线最大上拱24.2 mm，最大偏移量21.3 mm，下行线最大上拱33.2 mm，最大偏移19.7 mm。该病害工点的轨面高程及平面位置的检测数据见图2。

图2 工点变形情况

由图2可知，基础膨胀引起的轨道结构上拱与偏移变形一般为局部变形，变形曲线存在明显的峰值，并向两侧迅速衰减，上下行线路的变形范围基本一致。

上拱点涵洞排水较为通畅，周边未见明显积水。上下行线路两侧路肩与封闭层结合处。路基面与轨道结构接缝处均产生明显的裂缝。因此，初步分析认为上拱偏移是由于基床上部的膨胀所引起的，并展开了现场监测与试验分析工作。

2 现场监测

2.1 监测方案

为了明确膨胀变形部位，首先在上拱偏移段落支承层顶部布设了纵向连续变形监测系统，用于监测路基及地基的整体变形，沿线路方向选择6个变形监测断面，间距5 m。纵向连续变形监测系统由一系列连通的静力水准仪组成，利用连通液原理，通过测量不同水准仪存贮罐的液面高度，计算出各静力水准仪的差异沉降，监测精度为0.5 mm/32 m。

在路基及地基内布设了分层变形自动监测传感器，用于监测基床表层、基床底层、路基本体及原地面下1.4 m范围地基的变形情况。每个监测孔内布设一个变形监测传感器，监测精度为0.2 mm，在上行侧路肩沿线路方向间距0.5 m布设一个监测孔。

同时，在现场布设了温度传感器，深度为路基面以下0.4、1.5、3.0、4.0、5.0 m，监测精度为0.5 ℃。现场布设太阳能电池板及蓄电池进行供电，所有监测数据通过现场的采集传输系统进行实时采集与传输。

2.2 监测结果

该上拱偏移工点6个纵向连续变形监测断面的变形曲线及该工点不同深度处地温的变化情况，见图3。由图3可知，从2017年4月至2018年4月，6个监测断面的支承层顶面变形均呈现出波动增长的趋势，最大累计上拱量达到3.5 mm。无砟轨道路基基床表层的温度变化对整体变形影响较大，一年周期内，其变化规律可以分为三个阶段：第一个阶段为2017年4月至2017年8月，总体而言，无砟轨道结构整体变形随着表层温度的升高呈现逐渐减小的趋势；第二阶段为2017年8月至2018年1月，各断面的变形均随着基床温度的降低，呈现明显的增加；2018年1月至2018年4月为第三个阶段，随着基床表层气温的回升，支承层顶面的整体变形再次出现回落，且回落后仍存在残余上拱量。

图3 纵向连续变形与地温

路基上拱的可能原因包括：膨胀土(岩)的吸水膨胀、盐渍土吸水盐胀以及负温冻胀。2017年12月至2018年1月期间，路基整体处于降温过程，同时基床表层逐渐变为负温，满足冻胀及盐胀的温度条件，然而升温时的体积膨胀与盐分降温过程吸水结晶的机理不同，同时，正温条件下的膨胀及负温条件下的沉降与负温冻胀正温融沉特性不一致。大量针对硫酸盐侵蚀生成钙矾石反应温度的研究表明[7-8]，15～20 ℃是较适宜侵蚀膨胀的反应温度，温度高于20 ℃时，反应相对稳定，温度低于15 ℃时，仍会有侵蚀反应发生，这与上拱变形特性较一致。

不同时间的分层变形监测结果见图4。不同时间及温度条件下，无砟轨道基床部分，特别是基床表层的变形都是最大的，结合现场调研情况及变形与基床表层温度的相关性可以判定，此上拱病害工点的变形主要发生在基床表层，且其主要膨胀原因不是填料的冻胀及盐胀。

图4 分层变形监测结果(单位：mm)

3 室内试验分析

为了进一步分析上拱原因，在现场进行了原位取样，深度分别为基床表层、基床底层、基床以下路基及地基。依据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》[9]和TB 10103—2008《铁路工程岩土化学分析规程》[10]进行化验，主要内容包括膨胀性分析、易溶盐含量检测及矿物成分分析。

3.1 膨胀性分析

依据如表1所示的膨胀潜势分类标准，对路基填料及地基土中的细颗粒部分(粒径小于0.5 mm)的自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量等膨胀性指标进行分析，当土质符合表列任意两项以上指标时，膨胀潜势即判定为该等级。

表1 膨胀潜势分类标准[11]

膨胀性分析结果见图5，检测的路基填料及地基土的含水率较低(4%左右)，膨胀性物质含量均较低，细颗粒部分的自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量等膨胀性指标也小于规范中弱膨胀土的评价标准，说明膨胀矿物吸水膨胀并不是引起上拱的主要原因，而现有的针对膨胀土的评价标准不适用于无砟轨道水泥改良填料及地基土。

图5 膨胀性检测结果

3.2 易溶盐分析

通过化学滴定方法对路基填料及地基土的易溶盐总量与碳酸根、重碳酸根、氢氧根、氯离子、硫酸根离子、钙离子、镁离子、钠离子、钾离子等易溶盐离子含量进行化验，计算各类易溶盐离子占总质量的比例。

不同深度处土样的易溶盐总量的分布情况见图6。地基范围内的易溶盐含量高于填土，地面以下2.0 m左右的易溶盐含量约为0.4%，大于盐渍土的判别标准(0.3%)；路基填土范围内的盐分主要分布在基床表层，并随深度的增加而减小，最大含盐量为0.13%。

图6 易溶盐总量分布

如图6和图7所示，土样内易溶盐的组成及其含量，在深度方向上，路基填料及地基土中易溶盐组成及分布与易溶盐总量的分布规律大致相同，盐分主要集中于地基顶部部与路基基床表层，其中SO42-与Ca2+的含量最高。

图7 易溶盐成分与分布

研究认为[12-13]，硫酸盐含量大于3 000 mg/kg就有引起侵蚀膨胀的可能，而当硫酸盐含量大于8 000 mg/kg时，发生侵蚀膨胀的可能性迅速增加。而文献[14-15]的研究则表明，含盐量低于2 000 mg/kg的条件下也可能发生侵蚀膨胀，主要取决于黏土矿物，特别是Al3+的含量与分布。过渡段基床表层范围内，水泥掺量较多且不均匀，存在局部富集进而发生侵蚀膨胀的可能。

3.3 矿物成分分析

通过X射线衍射分析(XRD)确定现场填料的矿物成分及其含量。XRD分析中，可通过某种矿物的特征衍射峰的强度判断该矿物含量，其峰值越强，则矿物含量越高。XRD检测得到的基床表层填料、路基顶面下0.4～0.6 m填料及地面以下0.3 m地基土的矿物成分分析结果，见表2。

由表2可知，土样的主要成分为石英、斜长石及绿泥石，在基床表层及地基下0.3 m深度处的土样中均检测到了钙矾石，含量分别为9%和5%，由于基床表层及地基表面SO42-及Ca2+含量较高，且水泥中含有Al3+，提供了侵蚀反应生成钙矾石的条件，进而产生膨胀；路基面以下0.4～0.6 m范围内的填料虽然未检测到钙矾石，但是检测到了钙矾石脱硫形成的水化硫氯酸钙(5%)也间接说明了曾发生过侵蚀膨胀。

针对基床表层填料进行电镜扫描分析的结果见图8，可见大量细长针状钙矾石晶体，进一步论证了侵蚀膨胀过程的存在。

图8 扫描电镜分析结果

其他深度处土样的矿物分析结果见表2，由表2可知，均未发现膨胀性或形成过程中可产生膨胀的矿物，与各部位的变形监测结果相符合。

表2 路基填料与地基土矿物组成 %

4 结论

本文基于某无砟轨道路基上拱病害工点，通过现场调研、原位变形监测初步明确了膨胀变形的特征及变形部位，通过对现场路基填料及地基土的膨胀性指标、易溶盐及矿物成分检测分析了上拱偏移的原因，主要结论如下。

(1)无砟轨道基础上拱变形与温度变化呈现出较大的相关性，一年周期内，随着温度的变化可分为随温度升高而降低或缓慢增长阶段、随温度降低快速增长阶段及随温度升高的回落阶段，且存在较大的残余上拱量。

(2)膨胀性分析结果显示，土样的膨胀性低于现行规范中弱膨胀的评价标准，但土样易溶盐含量偏高，变形与易溶盐含量，特别是SO42-的含量存在较大相关性，以本文研究工点为例，盐分含量较大的基床表层膨胀变形量也较大。

(3)上拱是多因素作用的结果，降温盐胀及负温冻胀机理均不能有效解释上拱变形特征，而矿物分析结果则表明硫酸盐侵蚀水泥改良填料形成钙矾石晶体过程中的膨胀是无砟轨道基础上拱的最主要原因。