（地质工程专业论文）南昆铁路膨胀土路基翻浆冒泥病害分析与改良土试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 膨胀土是自然地质形成过程中产生的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地 质体，分布十分广泛，对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用。膨 胀土具有超固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化，失水牧缩开裂且反复变形 等与正常固结粘性土不相通的工程性质，加上土体中裂隙分布杂乱，修筑在 膨胀土地区的铁路常常翻浆冒泥现象严重。南昆铁路膨胀土( 岩) 路基长达 1 4 6 公里，长期受翻浆冒泥的影响铁路行车。 本论文首先分析了膨胀土形成的地质环境背景条件。膨胀土的产生翻浆 冒泥的原因可分为外因和内因。内因在于膨胀土的。三性”胀缩性、裂隙性、 超固结性，而膨胀土含有大量的蒙脱石及其混层化合物是其产生胀缩性的原 因而胀缩性是产生裂隙性和超固结的基础；而外因在于广西地区的亚热带气 候和列车荷载作用，特别是振动荷载的作用。土体干湿循环变化使得土体强 度降低和胀缩的周期性发生，这是一个恶性循环往复的过程，使得翻浆冒泥 不断发生因此，只有改良膨胀土的理化性质，进而改变胀缩性才能从根本 上治愈路基病害。 为了获取水泥改良膨胀土的试验规律，以取自南昆铁路田东段的膨胀土 作为试验用土，进行了水泥改良的室内试验研究。首先，对膨胀素土的物理 力学性质进行了试验测定。然后，通过掺入不同的水泥量，掺灰比分别为4 ，6 ，8 ，l o 、1 2 、1 4 、1 6 、1 8 ，对试样进行7 d 和2 8 d 养护， 并做浸水和非浸水两种试样，然后做单轴无侧限抗压试验；对4 ，6 ，8 ，l o 掺灰比的改良土进行自由膨胀率、塑限、液限试验。经分析，确定 了影响水泥改良膨胀土效果的多方面因素，并从经济、技术和施工难度，确 定最优的水泥掺量为8 。改良土具有很好的水稳定性，使得膨胀土由于干 湿循环造成的胀缩性受到很大的抑制，达到了水泥注浆的改良膨胀土的目的 最后，采用f u 屺软件对改良土和素土分别进行了静载和动荷载的数值 模拟。通过数值模拟，发现改良土由于裂隙受到了水泥浆液的充填，强度得 到很大的提高，使得膨胀土路基的塑性区减小，而动荷载对土的破坏效果很 明显。 关键词，膨胀土翻浆冒泥水泥改良f l a c 数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i l , i s f o r m e di nn a t u r e g e o l o g yp r o c e s sa n ds p e c i a lc l a y d i s t r i b u t e da l lo v e rt h ew o r l d , w h i l es w e uw h e np o s s e s sw a t e ra n ds h r i n kw h e n l o s e sw a t e r i tc a nh a r mt ob u i l d i n gt h a tc o n s t r u c ti nl o w s u r f a c eg r o u n d s i l l i t s c l a ya g g l o m e r a t i o ni sc o m p o s e do fm o n t m o r i l l o n i t et h a tc a ns t r o n gh y d r o p h i i l c a n do t h e rc l a ym i n e r a l s i th a v ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha so v e r t a k ec o n c r e t i o n , m a n yf i s s u r e s ，m a r k e di n t e n e r a t e dw h e nd r i n k i n gw a t 廿 a n ds h r i n kw h e nl o s e s w a t e r t h e r e f o r e ，r a i l w a yb e dh a p p e ns h o u l d e ro fr o a dp u s h i n gf r e q u e n f l y t h e d i s t a n c e sn a n k u nr a i l w a ye x p a n s i v es o i lb e di s1 4 6k i l o m e t e r , i ta f f e c t e dt h e t r a v e l i n go fr a i ls t r o n g l y t h ep a p e rf w s f l ya n a l y s i st h e t g e o l o g ye n v i r o n m e n tc o n d i t i o no ft h ef o r mo f e x p a n s i v es o i l 。a n da n a l y s i st h ep r i n c i p l es h o u l d e ro fr o a dp u s h i n g 。砸璩c a u s eo f s h o u l d e ro fr o a dp u s h i n go fe x p a n s i v es o i li sd i v d af r o mo u t s i d ef a c t o ra n di n s i d e f a c t o r t h ei n s i d ef a c t o r sa r eth ee x p a n s i o n ，f i s s u r e sa n do v e r - c o n s o l i d a t i o n r e f e r r e da s q h r e ep r o p e r t i e s ”1 1 砖e x p a n s i o nf a c t o ri s c o m p o s e do f m o n t m o r i l l o n i t et h a tc a l ls t r o n gh y d r o p h i l i ca n do t h e rc l a ym i n e r a l s t h eo u t s i d e c a u s e si sc o m p o s e do fs u b - t r o p i co l i m a t eo fg u a n g - x ia r e aa n dt r a i nl o a d i n g ， e s p e c i a l l yv i b r a t i o nl o a d i n go ft r a i n s t i mi n t e n s i o no fs o i li sd e c r e a s i n ga n d e x p a n s i o np e r i o d i c i t yb e c a u s eo fd r y - w e tv a r i e t y t h ec a u s ei sb e dc i r c l ea n db r i n g s h o u l d e ro fr o a dp u s h i n go fe x p a n s i v es o i l t h e r e f o r e ，o n l yi m p r o v e m e n to f c h e m i c a lc o m p o n e n ta n de x p a n s i o nr e t r a i n e d , c a np r e v e n t ss h o u l d e ro fr o a d p u s h i n go fe x p a n s i v es o i l 1 1 璩f e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e st h a t p r e v e n ts h o u l d e ro fr o a dp u s h i n gb yc e m e n tp o u r i n gi sp u tf o r w a r d s t h et e s te x p a n s i v es o i li st a k e nf r o mt i mt i a n d o n go f n a n k u nr a i l w a y f i r s t l y , t h es o i l sp h y s i c sa n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e sa r cm e a s u r e d s e c o n d l y 。d i f f e r e n t m i x e dc e m e n t m i x e dr a t i oi s4 ，6 ，8 ，1 0 、1 2 、1 4 、1 6 、1 8 t h es a m p l ei sm a i n t a i n e ds e v e nd a y sa n dt w e n t y - e i g h td a y s 。t w ok i n d so f m a i n t a i n i n gc o n d i t i o ni si m m e r s i o na n dn o n - i m m e r s i o n a f t e r w a r d s ，p r e s s u r e q u a l i t yi nn o s i d el i m i t e d , a r cm e a s u r e d o t h e rp h y s i c sa n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e s i n c l u d e sf r e ee x p a n s i v er a t i o ，p l a s t i ci n d e xa n dl i q u i di n d e x b yt h et e s t s ，t h el a w s o fi m p r o v e m e n to fe x p a n s i v es o i li sk n o w n o p t i m u mm i x i n gr a t i oi s8 f r o m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 e c o n o m i c s ，t e c h n o l o g ya n dc o n s t r u c t i n ga n g l e sa n a l y s i s t h ei n t e n s i o n so f e x p a n s i v es o i li sl i n e a r i t yi n c r e a s i n gw i t hc e m c n tm i x e dr a t i oi n c r e a s i n g a ts a m e d i n e ，i m p r o v e de x p a n s i v es o i lh a ss t r o n gw a t e r p r o o fe f f e c la n dr e s t r a i n ss w e l l i n g a n ds h r i n k i n gt o - a n d - f r o i m p r o v e de x p a n s i v es o f ta n de x p a n s i v es o f ta f l a cn u m e r i cs i m u l a t e d u n d e rt h es t a t i o n a r yp r e s s u r ea n dd y n a m i cl o a d i n g c o n d i t i o n b yt h ef l a c n u m e r i cs i m u l a t i o n , e x p a n s i v es o f tb e d p l a s t i ca r e ai sd e c r e a s i n go w i n g t oc c m e n t p o u r i n g e s p e c i a l l y , b r e a k a g ee f f e c to fe x p a n s i v es o ls t r u c t t k r ei se v i d e n c eb y d y n a m i cl o a d i n g k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o f t ；s h o u l d e ro fr o a dp u s h i n g ；c e m e n ti m p r o v e m e n t ； f l a cn u m e r i cs i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 1 ，1 1 课题研究的目的与意义 膨胀土是自然地质形成过程中产生的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地 质体，分布十分广泛，对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用膨 胀土的粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石及其混层粘土矿物组成，具有超 固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化，失水收缩开裂且反复变形等与正常固 结粘性土不相通的工程性质，加上土体中裂隙分布杂乱“1 ，修筑在膨胀土地区 的铁路常常翻浆冒泥现象严重。南昆铁路膨胀土路基长达1 4 6 百公里，其中以 南宁百色段最为典型( 约长6 6 k i n ) 嘲，尽管铁路修建前进行了大量的科研和试 验工作，但铁路运营后，翻浆冒泥问题仍比较突出，尽管铁路部门采取了许 多措施加固路基治理翻浆冒泥，但由于膨胀土病害具有往复性、周期性，同 时，铁路本身的动荷载对路基的不断扰动，使得膨胀土病害很难治愈。为此， 铁路部门试图采用水泥注浆的方法，对膨胀土进行改良，从而治愈或减轻翻 浆冒泥病害。 本论文以南昆铁路广西田东段出现的膨胀土路基翻浆冒泥工程病害进行 研究，分析了水泥注浆的方式进行治理的可行性。通过野外工程地质调查， 以及水泥改良试验室内试验研究和理论分析，试图找出一条较好的治理翻浆 冒泥的工程方法，以最优和较经济的方法来达到工程治理的目的和良好效果。 1 1 2 膨胀土工程改良国内外研究现状分析 直到2 0 世纪3 0 年代后期膨胀土的问题才得到了土力学工程师们的重 视，1 9 3 8 年美国在一座大型基础工程的重大事故中首次认识了膨胀性地基的 严重性1 9 5 9 年，美国在科罗拉多州召开了首次全国性的膨胀性粘土学术会 议，1 9 6 5 第一届国际膨胀土研究会议在美国得克萨斯州举行，为工程地质学 开辟了一个崭新的研究领域。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美国、罗马尼亚、 前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关膨胀 土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所采取的科学态 型3 1 。世界上迄今已经发现存在膨胀土的国家达4 0 余个，遍及五大洲。每年 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因膨胀土造成的损失估计大1 5 0 亿美元以上“1 近年来，随着我国经济建设的迅猛发展，高速公路、高速铁路的大量修 建，膨胀土的危害和破坏日渐增多。由膨胀土引起的破坏作用包括：滑坡、 坍塌、结构物破坏、路面变形、开裂，路基翻浆冒泥、以及水土流失等生态 环境破坏。我国膨胀土及其工程地质问题具有显著特点：( 1 ) 分布广，先后 有2 0 多个省市发现膨胀土，其中广西、云南、四川、河南、湖北、安徽等地 最为突出；( 2 ) 类型多，各种成因类型的膨胀土如沉积类、残积类、岩溶侵 蚀类都有：( 3 ) 性质复杂，膨胀土工程问题不仅与土的成因、时代和演化历史 有关，而且与气候环境( 干旱、半干旱的热带、亚热带气候) 、工程与膨胀土 相互作用密切相关。 近年来，国内铁路、公路、水利、建筑等部门以及大量的科研院所对膨 胀土展开了大量研究，并取得许多重要成果。研究主要开展在以下几个方面： ( 1 ) 理论计算与分析：从膨胀土的判别，结构稳定的本构方程，结构有限元 模拟等方面，特别是关于非饱和膨胀土的弹塑性本构研究做得比较多；( 2 ) 试验研究；膨胀土是一种特殊土，具有特殊的工程特性，工程师们对膨胀土 的素土性质以及改良土的物理力学性质展开了系列试验膨胀土改良主要应 用石灰、粉煤灰，水泥以及二灰( 石灰和粉煤灰) 等无机材料进行改良，研 究集中在不同参量比下的改良性质的测试；( 3 ) 工程处置技术研究；针对不 同的工程、不同的地形地貌，采取不同的处置技术，主要采取了换填法、封 闭包盖法、土工织物加筋包盖法、注浆法、刚性柔性支护法等处理边坡、路 基、坝基等。 近年来，膨胀土研究的主要成果有： 1 、公路方面：1 9 9 0 年全国首届膨胀土科学研讨会召开；2 0 0 4 年1 2 月在 广西南宁举办了全国膨胀土学术研讨会。两会收到了大量的会议论文，对膨 胀土的研究有了系统的论文集出版。9 0 年代以来，由于大量高速公路的修建， 对膨胀土的研究有了新的飞跃。有代表性的工作有： ( 1 ) 膨胀土无机结合料改良试验研究：2 0 世纪8 0 年代末，綦文贵等对 平汝公路宝丰汝州段进行了无机结合料改良膨胀土试验研究，主要研究 了膨胀土中加入无机稳定剂石灰、水泥、粉煤灰碎石骨料等后的改良效果， 总结提出了合适改良方法。 ( 2 ) 交通部科研所开展的工作：杨世基等对膨胀土路基压实控制方法、 n c s 改良剂改良膨胀土填料、公路膨胀土分类及膨胀潜势判别开展了一些有 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 意义的工作。 1 3 ) 广西膨胀土路基处置研究：广西是膨胀土分布最广和病害最为严重 的地区，杨和平、柯尊敬等进行了南宁地区膨胀土成因、物质成分与工程性 质、膨胀土地区路基破坏类型、特点及原因分析等系统研究。广西交通科研 所梁军林等人对广西膨胀土路基处理方面进行了大量的研究工作 ( 4 ) 江苏宁连公路石灰改良膨胀土的研究：江苏省交通规划设计院与南 京大学李生林教授合作，开展了生石灰改良膨胀土填料的试验工作。 ( 5 ) 云南楚大高速公路的研究工作：长沙理工大学郑键龙、杨和平等采 取微观试验分析、室内大量土工试验的现场勘察相结合方法，提出了考虑非 饱和膨胀土膨胀力的路基边坡稳定的验算分析方法。 ( 6 ) 湖北襄荆地区膨胀土路基的处置研究；中科院武汉岩土力学所重点 研究了用于修建公路的膨胀土多指标分类体系，膨胀土填料掺石灰、粉煤灰 改性、包盖法等路基填筑方法。 2 、铁路方面：铁路方面研究相对比公路少，主要集中于南昆铁路的修建 展开的系列研究。1 9 8 9 年由铁道部第二勘察设计院联合铁专院线路所、铁科 院西北分院、西南交通大学、中科院等单位对南昆铁路沿线的膨胀土傲了多 个方面的理论和试验研究，前后历时五年，主要研究的对象包括膨胀土的地 貌与地层划分研究、成因和分布调查、膨胀土评判方法研究、膨胀机理研究 以及工程特性研究。 。 3 、此外，中科院武汉岩士所、河海大学、长沙交通大学、广西大学结合 近年来修建的高速公路、南水北调工程进行了大量的关于膨胀土判别、物理 力学性质研究、微观结构研究以及工程改良和处治方面的研究等，对膨胀土 的认识日益深化，处理措施也日渐成熟 1 1 3 铁路膨胀路基翻浆冒泥研究现状分析 膨胀土翻浆冒泥现象常见于膨胀土铁路路基，是膨胀土路基道床的顽症。 通常认为，铁路的翻浆冒泥现象比公路、一般建筑等严重，其原因有：( 1 ) 铁路为露天的构筑物，受大气降水的影响较大干湿循环较强，对于膨胀性 的具有裂隙的粘性土具有往复破坏作用；( 2 ) 由于铁路动荷载的作用效应明 显，对翻浆土具有抽吸作用，是形成冒泥的主要原因。近年来，随着铁路的 提速和高速铁路( 客运专线) 的修建，铁路的动荷载效应越来越明显，对具 有裂隙的粘土( 裂土) 造成翻浆冒泥现象越来越突出，并影响到铁路的正常 和安全运营。其中，成都铁路局段的阳( 平关) 安( 康) 、襄渝线，柳州铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 局段的南昆铁路由翻浆冒泥造成的危害和损失是最大的。因此，围绕这几条 铁路的翻浆冒泥现象进行许多研究工作，主要工作如下： 韩同春嗍化学注浆加固地基土机理的研究，详细阐述了翻浆冒泥现象 产生的机理，危害和采用化学注浆加固地基土的研究；葛如生嘲关于阳安 线基床病害整治阐述了翻浆冒泥病害治理的系列方法；樊永杰嘲襄渝线 大巴山隧道病害成因及整治方案研究、赵满庆裂隙土基床病害整治研究 等较详细地论述了翻浆冒泥现象产生的原因和工程对策。周国新嘲膨胀土 铁路路堤工程病害与防治措施从膨胀土路堤可能出现的各类病害( 基床翻浆 冒泥、边坡坍塌、路桥路涵过渡段下沉) 入手，根据膨胀土的工程特性及病害 产生的原因，介绍采取的防治措施及处理方法段靓觐、方理剐等州关于路 基翻浆冒泥的机理分析和整治研究文中，分析了路基翻浆冒泥病害的发生机 理，根据试验室试验、现场试验、数值分析和实际观测结果，就防止翻浆冒泥 的工程措施进行了理论分析，提出了经济合理、技术可行的整治措施。冯玉勇 等南昆铁路百色盆地膨胀土路堤病害机理研究【l 硼分析了膨胀土的化学成 分，指出了膨胀土是由蒙脱石及其混层化合物组成，分析膨胀土路基的机理， 提出了相关的治理方法。陈雷【l l 】膨胀土路基设计及施工综述对膨胀土路 基提出了膨胀土路基的设计思想，主要体现在膨胀土的换填、石灰改良换填 和加强路基排水等方面。贺玉龙l l 司南昆线西街口一罗平段病害及防治建议 对膨胀土病害提出了加强排水治理的主导思想。贡照华【1 3 】全面整治翻浆冒 泥病害的探讨与实践也提出了加强排水的整治思想。赖灿明【1 4 】南昆线那 百段路基基床病害原因分析及整治分析了南昆线那百段路基基床产生病害 的各种原因以及各种因素对路基基床产生病害的潜在威胁；对整治措施进行 了简要介绍。杜永林等 3 2 ，i 口 1 2 的粉黏土和黏土颗 粒以粉粒和黏粒胶粒为主，各占4 0 左右或更多些。在此范围之外的砂黏土， 粉土、砂粉土等一般不会发生翻浆冒泥。 路堤翻浆还和基床的压实密度有关。由于填筑不实孔隙比大雨水就易手 渗人又降低了承载力就要翻浆。 路堑岩质基床以沉积岩中泥质岩石如泥岩、页岩、泥灰岩，变质岩如片岩、 千枚岩等若风化颇重地下水发育时都易于翻浆。这些岩质基床距地表很近都 属于风化带，加上有压裂隙水和动载的抽吸作用，把泥质风化物形成泥浆冲 上来了。在无仰拱隧道内因有遗下水也会发生翻浆。 总之，易于翻浆的土质均为新生代细粒的沉积土层，矿物成份以伊利石和 蒙脱石为主，粒度 5 0 t t m ，透水性差亲水性强，遇水软化膨胀，脱水则收缩 龟裂。岩质基面则成岩作用较差，构造节理和风化裂隙发育，多含泥质矿物 风化速度也较快。 2 、水的作用一南方铁路涉及淮河秦岭以南，包括华东、西南广大地区 的铁路线，地处温带至亚热带问，气候温和雨量丰沛，每年二季度前后为雨 季，八月以后气温升高气候干燥，蒸发变大基面龟裂，致来年雨季雨水很容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 易渗入基床并补给地下水，使土层湿化含水量增多，急剧地降低了基床的承 载力 ，堤堑交接处常是地下水排泄通道和滞水积聚的处所，土层含水量较大多 有基床病害发生，曾有堑头型翻浆的讲法。其他地段如附近有高位的水田、 水塘，或裂隙水和泉眼发育之处，翻浆就会发生第四纪松散土层常是地下 水通道，在抽吸作用下要把泥岩细颗粒带迸道床。道口、桥头易于积水处， 如无特别措施要招致基床变形。 3 、列车活载轨道不行车即使土质不好还有水作用也不至于翻浆。行 车时活载对基床有振动和抽吸作用，使泥水重塑易于成浆，这时轨枕和基床 压力加大，也就增大了孔隙或裂隙中的水压力及至车轴过后又减压，并有 负弯矩和负压发生，轨枕有轻微的上浮，泥浆被吸进枕底和石碴空隙之中， 造成道床板结空隙中充满泥土，有的压到道床顶面形成泥盘。灵敏黏土重塑 后即使含水量没增大强度也会降低，引起道碴陷入基床碴囊逐步发展。正线 列车多陷槽也深。列车抽吸作用会使基床下裂隙水间断地增压起劈裂作用， 活载在钢轨接头处振动和冲击力较大，在正线通过总重多、速度快，翻浆都 较严重因此活载的影响又和机车车辆的轴重、速度以及通过总重三因素有 关。 由上分析可见翻浆冒泥始于地下水基床积水，土质软化强度降低，继而 翻浆发生道床逐步下沉形成陷槽，严重时有明显的下沉挤出，路肩上凸或为 软泥所覆盖。 一般据基床土质岩性和地下水情况，将基床的变形和破坏模式分为四种： l 、土质基床翻浆常见于路堤和土质路堑，无地下水或不甚发育由 于基床为黏土粉黏土等不良土质且不密实，在降雨和活载作用下翻浆冒泥进 人道床，一般在雨季或春融后翻浆，旱季少见。 2 、岩质基床翻浆基床由泥质软岩构成，在雨水、活载和道床研磨作 用下翻浆，泥浆主要来自基面地下水不大发育，软化层较薄仅能形成浅碴囊， 下部岩层仍很坚硬。一般在雨季翻浆旱季停止。 3 、裂隙泉眼翻浆多发生在山区和丘陵区的路堑处或隧道内，地下水 较发育地段。泥浆由裂隙水和软岩风化物在抽吸作用下形成，由压力水带至 基面污染道床。裂隙水和翻浆常年不断，雨季更为严重。 4 、下沉挤出基床土质呈软塑状态，一般q u 1 5 ) 等一系列不良工程性质关于南昆铁路膨胀岩土 的归属，日前尚有不同的意见，铁二院和西南交通大学的研究者把它称为“膨 胀岩”，中科院曲永新等把其称为。膨胀土”虽然岩土界限的判别指标国内 外尚未统一，但共同的意见是无侧限单轴抗压强度 i m p a 的不应列入岩石范 围。据前人研究成果，南宁盆地那龙煤矿和百色盆地右江煤矿四号井地下 2 5 0 m 第三系泥岩、砂质泥岩容重2 2 0 - 2 3 5 k n m ，而单轴抗压强度多数为 1 0 m p a ( 平均1 2 m p a ，最高2 8 3 3 m p a ，最低1 3 6 m p a ) ，岩块干燥饱和吸水率 5 0 9 - - 6 4 8 ，有效蒙脱石含量1 0 4 8 一3 4 3 2 ，代表了广西第三系泥质膨 胀岩未受风化影响的真实性质；南宁市人防工程地下1 8 5 2 5 m 的泥质岩则 代表遭受风化影响的弱风化泥质岩的性质，容重降低到2 1 8 2 2 5 k n m , 单轴 抗压强度降低到1 5 m p a 左右：南昆铁路棕色膨胀土( 即铁二院所称。膨胀岩”) 属于第三系泥质岩的全风化层，已经失去母岩结构。矿物成分也发生了很大 变化，容重约在1 9 0 2 k n m 左右，无侧限单轴抗压强度仅o 0 3 加4 2 m p a ，单 轴抗压强度小于1 m p a ，其工程性质与岩石己有较大的差别。因此我们同意 曲永新研究员的观点将其定性为残积型膨胀土1 7 4 1 。它不具备“膨胀岩”的工 程地质特征。 3 3 2 膨胀土的粘土矿物成分特征 膨胀性粘土矿物( 蒙脱石、伊利石，蒙脱石及绿泥石，蒙脱石混层矿物) 及其 含量是影响和控制膨胀土不良工程性质的主导因素。当有效蒙脱石含量大于 8 一1 0 条件下，随有效蒙脱石含量的增加膨胀势将迅速增大，因此确定粘 上矿物成分是正确认识膨胀土工程性质的基础。铁二院采用常规的x d r 法 和d t a 法测试研究后，认为百色盆地膨胀土膨胀性粘上矿物为伊利石和蒙脱 石。根据对南昆铁路林逢站里程k 1 3 5 + 4 5 0 和k 1 3 5 + 9 5 0 处膨胀土取样( 样号 为s1 ，s 2 ) ，粘土矿物定量计算结果列于表3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表3 - 1 残积膨胀土粘土矿物定量测试结果 编颜x r d 法桔土矿物相对含 混层比，x r d 法粘土矿物绝对含量惕单矿勃法， 号色量， u si kc ，sl 【s蝇c ，s材s璐ikk f ssi s 1 米7 02 01 07 03 3 1 l9 4 64 7 32 2 9 5l6 3 7 黄 s 2 灰 5 21 71 041 72 04 02 8 5 59 3 35 孵 o9 3 32 2 6 42 3 8 8 绿 注：i x r d x 射线衍射；i - 伊利石；s 蒙脱石；骆伊利石蕈脱石混层物，2 单矿物蓑脱石测定系采用容 量法，伊利石测定采用也pm l 粒组k 2 0 测定法 3 3 3 膨胀土路基病害 膨胀土路基具有多种病害，主要有：膨胀士路堤基床下沉问题、路肩开裂、 路堤浅表层溜塌、翻浆冒泥( 照片3 1 ) 等。本论文仅讨论翻浆冒泥现象， 路堤滑坡未经换填稳定土处理或封闭的膨胀土基床，旱季失水收缩，雨季吸 水膨胀。加之机车震动机械活化作用，造成表层松弛，刚度降低。水浸泡后 基床表层泥化发生翻浆冒泥。道渣陷入泥化的基床中形成囊状结构，道碴囊 又成为渗水通道和储水载体，迸一步使深层上体膨胀泥化加剧道碴囊的发展， 形成恶性循环。由于干湿循环造成膨胀土的失水收缩、遇水膨胀，形成大量 的裂隙，铁二院等称为碎裂性。可见裂隙多而杂乱，为水提供了天然通道， 在水的浸泡下，路基强度急剧衰减，在列车荷载的作用下，出现路基下沉和 局部隆起。同时，由于膨胀土是黏性土，渗透系数低，所以形成包囊状结构 水在列车作用下被挤出，形成翻浆冒泥 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 照片3 - 1 基床翻浆冒泥 综上所述以上种路基病害的发生，既与南昆铁路百色盆地膨胀土的成因、 成分、和性质有关，也和设计施工措施密切相关。 3 。5 4 膨胀土翻浆冒泥的因素分析 膨胀土铁路路基的翻浆冒泥的因素可以分为内部因素和外部因素 1 、内部因素 内因是主导，膨胀土具有三性：胀缩性、裂隙性( 碎裂性) 和超固结性 是膨胀特殊性质的主要表现。 ( 1 ) 胀缩性 研究表明，粘土矿物表面均带有负电荷，它可以吸附水分和吸附带正电 荷的阳离子，阳离子的水花作用也可以水分吸附在土颗粒表面，并导致晶层 之间距离的增大而扩张，这是水分予进入矿物晶层而引起的体积膨胀这种 晶层膨胀是膨胀土胀缩性的一个主要原因不同的粘土矿物具有不同的吸附 水分的能力，伊利石与高岭土的亲水性只有蒙脱石的1 1 0 和1 6 0 左右因 此，膨胀土的胀缩性主要是蒙脱石含量控制的。 膨胀土的胀缩性除了晶层扩张的机理外，还有一种粒间膨胀。粒闻膨胀 西南交通大学硕研究生学位论文第1 9 页 即所谓的双电层理论，它是由于土颗粒表面的静电引力作用将水分吸附在土 颗粒表面而形成的水膜，增大了土颗粒的体积。 ( 2 ) 裂隙性 膨胀土的裂隙性是与胀缩性密切相关的，膨胀土的胀缩循环引起的体积 反复变化，促使干缩裂缝的发生和发展，并使土体的结构发生松散现象，这 就为膨胀土表层的进一步风化创造了条件，加速了裂隙的发育和向深部延佛。 由于土体内部的矿物成分、含水量分布和受气候影响的水分蒸发与降雨入渗 影响在土体中并不均匀，因此土体的收缩作用也不均匀这样更导致微裂隙 的产生和加密，而这种微裂隙必然引起裂隙附近的土体产生应力集中现象， 又进一步加速裂隙的扩展和连通。 ( 3 ) 超固结性 对于某些粘土可能由于胶结物的陈化而对土体的胶结作用，这种超固结 常称为似超压密，对于膨胀土，则还有一种超固结作用，由于中存在基质 吸力，当土中水分较少时这种基质吸力相当大，基质吸力的存在相当于土中 增加了一个有效应力，也会使体积缩小，无疑这种超固结是与气候有关的， 可称为吸力超固结作用。 由于膨胀土的这三种不同于其他粘性土的性质，有；f | i 于水对土的作用， 特别是在于湿循环的作用下，土体的强度发生了衰减。膨胀土的湿化性破坏 作用机理是：湿化是亲水性粘上矿物吸水崩解过程，它的结果是在无约束的 情况下块体湿化解体成碎粒状散体，是一个不可逆过程。膨胀土的失水干燥 使其吸湿压力提高，大量裂隙、孔隙中充满空气当干燥膨胀土浸水后，由 于吸湿压力的作用，水很快沿裂隙通道渗入，空气被挤压到内部被压缩。随 着外部水浸入量的增加，内部空气压力上升，导致矿物结构沿最弱而发生破 裂逐渐崩散解体。亲水性矿物和微裂隙的存在是湿化的前提条件，吸湿压力 是湿化的动力，它克服胶结联结强度的时问也就反映出膨胀土湿化的难易性 由于干湿循环，导致土体强度降低。 由于膨胀土膨胀性导致的裂隙性，裂隙的生成使地下水有了通道，尽管 膨胀土的渗透性很低，但裂隙使膨胀土的含水量的往复变化有了通道，而土 体含水量的变化使得土体强度降低和胀缩的周期性发生，因此这是一个恶性 循环往复的过程。膨胀土的超固结性使得土体的强度不均匀，发生差异沉降， 形成凹槽，又成为地表水的汇集之处，使士体含水量差异加大，而含水量是 控制土体的强度重要因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 综上，膨胀土的。三性”胀缩性、裂隙性( 碎裂性) 和超固结性是翻浆 冒泥的内在因素。 2 、外部因素 外因不可忽视，可以归结为两个方面：( 1 ) 气候因素：由于广西地区地 处亚热带，气候干湿变化明显，降雨量丰富，路基土排水受到限制；( 2 ) 列 车的荷载作用：在列车的振动下，形成了不断抽吸作用，使得翻浆冒泥不断 发生。 未经换填稳定土处理或封闭的膨胀土基床，旱季失水收缩，雨季吸水膨 胀加之机车震动机械活化作用，造成表层松弛剐度降低。雨水浸泡后基床 表层泥化发生翻浆冒泥。道渣陷入泥化的基床中形成囊状结构而道碴囊又成 为渗水通道和储水载体，进一步使深层上体膨胀泥化加剧道碴囊的发展，形 成恶性循环。物探结果证实在南昆铁路某些地段道碴囊曾深达4 - 6 m 。 所以，治理翻浆冒泥可以从改变内因与外因出发，但是外因的改变是不 可能的，尽管，。通过路基的排水可以改变一些因降水带来的影响，但是对于 膨胀土这种亲水性极强的粘性土，要完全隔绝水的影响是不现实的。 3 4 膨胀土路基病害治理现状分析 3 4 1 治理现状分析 根据采用措施及其效果柳州局管内南昆线膨胀路基地段约有6 0 k m ，主要 分布在思林一百色盆地间。新线建设过程中就不断发生膨胀路基病害，有一 些地段即使是重复整治，还是未能将病害彻底控制着例如：k 1 9 3 + 3 1 3 - - - + 3 6 8 新明村大桥昆明端桥头路基下沉，形成深厚道砖囊。工程局先后整治3 次， 百色工务段整治2 次。采用支撑渗沟、换砂封闭基床、打钢轨杭、渗沟脚设 片石垛、设反压护道等措施，仍无法控制病害的发展。不得己情况下，柳州 局采用混凝2 孔2 0 m 筒支梁桥跨过病害地段。 自从南昆铁路开通运营以来，由膨胀土路基导致的病害一直困扰着行车 安全。但效果均不佳，而且重复整治较多，未栖底根除病根。 3 4 2 其它治理措施分析 治理膨胀土病害的关键问题是认识南昆线膨胀土独特的工程性质和病害 发生的一般规律，在此基础上对症下药治理既有南昆线路堤膨胀土病害的 难点从在于研究一种适用于百色地区气候特点、从技术可靠、经济合理、不 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 中断行车的工务工程技术。 膨胀土病害治理措施可以从几个方而考虑： ( 1 ) 改性换填：直接改变路堤上体的物质成分降低有效蒙脱石含量，减 弱或消除膨胀性。该办法可以一劳永逸地治理病害，但是工程量较大，必须 停车断道。广西降雨量较高，旱季也常有降雨发生，粘土料不易晒干碾碎， 和生石灰、粉煤灰料掺合不匀对，改性效果不好。 ( 2 ) 利用氯丁橡胶、塑料排水板、复合土工材料、沥青、二合土等隔水材 料将路堤主体封闭起来，隔断地表水的入渗途径逐步减少水分蒸发，减弱 干湿循环，防止路堤膨胀土发生膨胀变形。这种方法的不足之处是隔水材料 有一定的使用寿命，使用若干年后，养护维修工作将增加。 ( 3 ) 改桥方案：把膨胀土高路堤改为旱桥，桥基持力层设置在非膨胀土层 或大气影响深度以下一定深度。该方案处理效果最彻底，但投资较大 ( 4 ) 框架混凝土桩复合地基技术：利用桩体( 穿过大气影响深度) 承载大部 分荷载，把列车活荷载通过桩体传递到下部地基不发生膨胀层位，加强路堤 的抗剪强度，利用框架结构控制桩位变形和路堤侧向变形成桩机械在路肩 和路堤边坡上搭台架操作，可以避免造成停车。该技术可以在雨季和旱季施 工对气候条件、膨胀土特性和线路运行条件有较高的针对性，造价将低于改 桥方案。 ( 5 ) 水泥注浆法治理翻浆冒泥：这正是本论文探讨的问题所在其利弊均 有，但总体而言，利大于弊，具有较大的可行性。其有利方面：( 1 ) 水泥砂浆 可与膨胀土进行有效结合，通过水泥的硬化胶结功能，可有效减小膨胀土的 自由膨胀率，减小膨胀土的膨胀潜势；( 2 ) 水泥注浆法施工利于施工面的展 开，利用膨胀土间的裂隙，不会产生断道阻车情况；( 3 ) 改良成本较低，相 比以上四种改良方法，水泥改良成本优势明显。不利方面：( 1 ) 由于膨胀土 的裂隙分布不均，导致注浆分布不均，注浆压力控制难以确定；( 2 ) 在不中 断行车的情况下，新注入的砂浆难以硬化，列车通过时易将砂浆挤出：( 3 ) 水泥注浆必须先进行钻孔成孔作业，加大了治理成本。 3 5 采用水泥注浆治理膨胀土路基的可行性分析 3 5 1 注浆概述 。 注浆是处理加固边坡和地基的一个常用方法，尤其在：( 1 ) 软基较深难 于挖掉；( 2 ) 上有建筑物不能拆除；( 3 ) 有地下渗水需要截堵；( 4 ) 建筑物 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 和地基有过量的和不均匀沉陷注浆法可用于： ( 1 ) 在地下一定范围内做成改良土防渗或防渗帷幕，防止空气和地下水 进入，预防地基渗漏管涌和大滑坡的发生 ( 2 ) 提高沙土、粉土和黄土的密度、强度和承载力，整治地基沉降和斜 坡上滑动面的形成。 ( 3 ) 堵塞地下溶洞、漏水沟，岩土边坡上裂缝、节理和破碎带。 ( 4 ) 加固混凝土和浆砌圬工等建筑物的裂缝和各种缺陷。 注浆一般要求浆液的黏度低、稳定性及流动性好，无毒无臭无腐蚀性 所用设备有注浆机、电动泥浆泵