铁路路基下沉病害原因及注浆加固处理研究

胡国伟

中铁三局集团有限公司勘测设计分公司，山西 太原 030001

1 工程概况

山西某电气化铁路重载列车的开行数量及列车载重不断增加，尽管经过改造，路基病害仍时有发生。铁路路基承受铁路荷载及机车动力荷载的同时，还不断遭受到雨、雪极端气候的侵袭，以及不良地质条件及各种人为因素的影响，最终出现基床下沉、外挤，甚至出现陷穴等病害，已经严重影响路基的稳定和铁路的安全运营。

2 病害产生的原因

通过对该路基下沉段进行现场调查、勘探发现，路基下沉病害主要有以下原因：（1）素填土为自重湿陷性土，选用的填料不合理及填筑工艺未能使填料有效碾压密实。铁路所需填料要求在列车动荷载的长期作用下，在土质、级配和强度上具有较高的力学强度、水稳定性和较小的渗透性。如果填土厚度过大、压实不足，极易产生压实不足等问题。（2）原地面砂质黄土为自重湿陷性土，当排水不畅时，地表水渗入砂质黄土中，出现湿陷现象，导致上覆填土下沉。

该段路基填料及原地面土存在不同程度的湿陷性，在地表水的渗入、聚集，加之列车的反复碾压下，使得路基承载力逐渐下降。随着地表水的持续进入，劣化填土区域不断扩大，最终出现基床下沉、外挤，甚至出现陷穴等病害。

3 注浆治理方案选择

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）、《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2018）中关于湿陷性土处理的主要技术内容，选择通过钻孔注浆，将浆液通过钻孔注入填土中，使填土的力学性质得到改善，从而提高路基承载力，减少路基下沉量。该方法对行车影响最小，并且具有成本低、固结体强度大、可靠性高、施工简便、机动性强的特点，对线路运营影响较小。

4 室内模拟注浆试验

为了消除路堤黄土质填土的湿陷性，且在施工过程中避免过大的路基附加沉降，选择采用单液硅化法加固沉降段路基工程，注浆溶液主要由浓度10%～15%的硅酸钠溶液掺入2.5%氯化钠组成，进行室内模拟注浆试验，参照设计要求，每桶土样采用电钻开4个直径为2cm、深度为10cm的圆孔（见图1），将按照设计要求配置并搅拌均匀的硅酸钠溶液渗入土体中，每隔0.1～1h加一次溶液，防止孔内溶液渗干，3h后孔内有残留溶液，停止注浆，再对注浆后试样进行压缩实验、直接剪切等实验（见图2），测定注浆加固后土体的渗透性、压缩性、湿陷性及抗剪强度指标。

图1 土样注浆完毕

图2 直接剪切试验

根据实验前、后填土的各项指标变化（见表1～表3），可以得到如下结论：（1）注浆后土体的含水率恢复到天然状态，注浆前后土体的渗透系数、孔隙比、干密度基本无变化，可塑性指标发生改变。表明硅酸钠溶液采用自渗的注浆方式并没有改变土体的原状结构，注浆过程并不会引起路基附加沉降。在氯化钠催化作用下，硅酸钠溶液与土体中的硫酸钙或碳酸钙发生化学反应，形成硅酸凝胶并胶结土粒，使可塑性大幅度提高。（2）压缩性试验表明，注浆后的土体降低了在荷重下的压缩性，有效提高了路基的承载力。（3）注浆后黄土质填土的抗剪强度指标（内聚力、内摩擦角）均提高，随着土体含水量的降低，以及硅酸凝胶体的胶结作用，内聚力提高幅度较大，有利于增强路堤边坡的稳定性。（4）注浆加固后，黄土质填土对水的敏感性降低，湿陷系数降至0.015以下，湿陷性消除，而且后期失水减湿后其湿陷性并未恢复。

表1 注浆前后黄土质填土的压缩性指标

表2 注浆前后黄土质填土的抗剪强度指标

表3 注浆前后黄土质填土的湿陷性指标

通过现场取土进行室内注浆加固试验，测出加固土体的压缩性和湿陷性等指标均可以满足规范要求。

5 路基注浆设计及施工方法

施工前应选择一沉降段进行多孔灌注溶液试验，确定注浆参数。灌注溶液试验结束后，间隔10d左右，取土样进行测试，测定加固土的压缩性和湿陷性等指标。路基注浆施工时在路基两侧使用钻机钻孔后放入注浆管，注浆管直径为80mm，钻孔间距为0.6m，梅花形布置（见图3～图4）。将配好的硅酸钠溶液灌满灌注孔，使溶液自行渗入土中。待溶液全部注入土中后，注浆孔用二八灰土回填，注浆溶液由浓度为10%～15%的硅酸钠溶液掺入2.5%氯化钠溶液组成，相对密度宜为1.13～1.15，且不应小于1.10，其模数值应为2.5～3.3。

图3 注浆断面大样图

图4 注浆管布置立面示意图（单位：mm）

6 结论

通过分析地勘报告并开展室内单液硅化法注浆加固等一系列实验，测定注浆加固前、后土体的压缩性、湿陷性和抗剪强度等指标，可以得到以下结论：路基下沉段湿陷性填土采用注浆加固后，填土的抗剪强度指标（内聚力、内摩擦角）均有所提高，可以有效降低填土在荷重下的压缩性，增强了路基的承载力，而且随着土体含水量的降低，受硅酸凝胶体的胶结作用，内聚力提高幅度较大，路堤边坡的稳定性也得到了明显提高。