铁路裂隙土基床病害整治探讨毕业论文.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）铁路裂隙土基床病害整治探讨毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 概 述11.2 裂隙土基床病害国内外研究现状21.3 国内外基床病害整治措施3第2章 裂隙土特性及病害产生机理72.1 裂隙土特性及基床土状态72.2 基床应力状态82.2.1 道床结构及对基床施加的荷载82.2.2 基床应力状态计算132.3 翻浆冒泥的分类及病害产生机理142.3.1 翻浆冒泥概念142.3.2 翻浆冒泥分类152.3.3 翻浆冒泥的原因分析162.3.4 基床翻浆冒泥的产生过程24第3章 铁路基床高分子加固材料研究273.1 原原万源工务段基床土质酸性水玻璃改良加固研究273.1.1 前言273.1.2 病害产生的自然地质条件273.1.3 土体的工程地质性质283.1.4 酸性水玻璃的特性303.1.5 土质改良试验研究333.1.6 关于加固体韧性研究403.1.7 结论413.2 原万源工务段基床土质丙烯酸钙改良研究423.2.1 丙烯酸盐及其凝胶性质423.2.2 丙烯酸钙加固土试验483.2.3 高分子复合材料改良土质研究513.2.4 结论52第4章 翻浆冒泥整治措施研究544.1 既有几种整治方法的评价544.1.1 三合土封面544.1.2 砂垫层544.1.3 铺设土工纤维布544.1.4 铺设塑料排水板554.2 整治翻浆新方法研究574.2.1 高分子化学浆液灌注加固路基574.2.2 丙烯酸和脲醛树脂共混聚合物铺路剂研究74结 论84主要参考文献85兰州交通大学毕业设计（论文） 第 85 页第1章 绪 论1.1 概 述 裂隙土在世界上存在于八十多个国家，如美国、英国、南非等。在我国分布也十分广泛，遍及云贵高原到华北平原之间各江河流域的平原、盆地、河谷阶地。 据全美土木工程师协会一九七三年的估计：美国每年裂土对土木工程造成的损失达23亿美元，远大于地震、洪水、飓风造成损失的总和。裂隙土地区的铁路路基基床病害主要有基床下沉、翻浆冒泥和路肩挤出等病害，特别是翻浆冒泥，它是造成线路设备失控的一大病害，它直接消弱地基承载力，影响轨道结构的稳定，威胁列车的安全运行，是造成列车慢行和重大事故的原因之一。而由于路基翻浆和基床沉陷，造成轨道构件严重损伤，轨面急剧变形，使养护工作量大大增加，给工区线路维修造成很大压力。 如照片11。 照片11 钢轨接头处的翻浆冒泥和钢轨下的泥浆源裂隙土给土木工程造成的危害及线路翻浆冒泥是超固结性裂隙土的强度衰减及粘土的特殊成分造成的，由于以往对这种特殊土认识不足，导致基床翻浆“久治不愈”、反复“发作”。裂隙土基床病害整治的关键问题是正确的选择整治措施。本文主要介绍裂隙粘土特性，基床病害类型及产生原因，裂隙土基床翻浆冒泥的工程措施的合理选择及高分子铺底和灌浆法材料的研制成果，这将为以后基床翻浆冒泥处理提供一种新的方法。从而逐步解决裂隙土基床翻浆冒泥这个老大难问题。1.2 裂隙土基床病害国内外研究现状粘土是一种在地质历史的长河中相当年前的沉积物，所经历的地质作用相对较少，除表层风化裂隙而外，在一定深度以下并不是所有的粘土层中都有裂隙发育；然而，在自然界中也确有许多粘土体具有不同程度的裂隙性。根据国内外大量文献资料的记载，广泛分布于亚、欧、美、非、各大洲的裂隙性粘土均属于更新世及其以前沉积的超固结粘土。尽管在土力学和工程地质学领域对粘土的研究中，除表层不连续面以外，迄今仍基本上将其作为连续体看待，但是从粘土地基变形破坏和边坡失稳大量事故的分析以及对粘土力学特性的实验研究中，早在20世纪30年代就已发现裂隙所起的重要作用。遗憾的是当时并未引起研究者们对此问题的足够重视，直至六十年代才在有关文献中见到对这方面的论述。主要研究者如PGFookes，AWSkempton，LoK，Y.A.Chudnovsky，A.B.Williams，J.M.Duncan，L.Bjerrum，Mc GoWN，等等。在此领域中，他们主要论述粘土体中裂隙的形态、分布和成因以及裂隙性粘土的变形、强度、边坡稳定性和试验方法等方面。结合上述研究成果，其基本特点如下：（1）多从土力学角度着眼，将此类粘土作为一种“材料”，而将其作为地质历史形成物的研究较少；（2）对裂隙性粘土变形和强度笼统的研究较多，而在裂隙对土体变形和强度的控制性方面具体分析研究的很少；（3）关于裂隙的成因，根据其宏观特征进行一般性推论的较多，但缺乏较确切的论据。裂隙性粘土在我国虽然分布较广，但研究情况和程度大体上也与国外相当，尤其在从裂隙性研究粘土体或者专门研究粘土体中裂隙的文献则更少见。从上述可以看出，对于裂隙性粘土的研究，无论是其地质特征及其与土体力学性能的关系，或者是在裂隙的力学特性及其对土体总体力学性能的作用方面，特别是结合铁路基床方面的研究还相对较少。1.3 国内外基床病害整治措施 铁路路基病害的主要表现就是基床强度不足而产生的下沉、挤出变形和翻浆冒泥。产生这些病害的原因主要是土质不良，压实密度不足和排水不畅等原因造成。针对基床病害的原因，自六十年代以来，国内外都曾摸索过多种治理方法。目前常用的软弱地基加固方法主要有：桩基加固、排水固结、人工换填、土工材料处理和化学加固等各类方法。这些方法在新建线路的基床强化处理中，依据基床土质物理、化学性质的不同以及可能产生病害的原因不同而选用，一般都可取得较好的效果。但在既有线基床病害的治理中，有些方法成本太高，有些方法其工艺很难适应于在运输繁忙的线路上实施，还有一些则治理效果又不太理想。 照片12 架空线路施工现场例如像换填土，已被公认为是一种较彻底的对路基病害的整治方法，但病害路段附近往往不一定有可供换填的好土。还有这种方法要进行钢轨架空施工，对线路的正常运营影响较大，所以具有较大的使用局限性。 近年来，许多欧洲国家开始使用大型路基处理工程编组列车，他们能够将换碴、换土、压实、铺设土工材料等许多工作一次完成。但投资大、技术要求高，也有较大的使用局限性。还有像前几年，在治理翻浆冒泥的过程中，最常用的铺设氯丁橡胶板、塑料排水板、土工布等方法，在基床强度较好的情况下，在一定时期内会收到良好效果，但由于风化作用和地下水位的上升，使基床强度产生衰减，很快就会失败。据了解，有些路局曾铺设的氯丁橡胶板，近百分之八十的站段很快就失效了。见照3、照4。照13 氯丁橡胶板铺设后道床泥化状况照14 铺土工布前后的路肩挤出因此要想减少基床病害的发生，取得较为满意的整治和强化效果，就必须从本质上改变基床土体的性质，增加基床强度和抗水性能。要达到这一目的，最有效的方法就是采用化学加固的方法来对基床土体进行改良加固。国内有些研究机构也曾尝试过用石灰桩、水泥土桩来改变基床土的性质，也取得了一些成果，但由于在既有线施工中可操作性稍差，难以广泛应用。20世纪80年代，美国和日本研究了采用机床加固作业车，对基床灌注化学浆材和改性水泥浆材来加固铁路基床，取得较好效果，其作业车工作原理加图11、图12。 图11 美国基床加固机具及施工原理图图12 日本基床灌浆机具及加固施工原理图第2章 裂隙土特性及病害产生机理2.1 裂隙土特性及基床土状态西安铁路局阳安、襄渝铁路处于陕南、川东北的秦岭巴山之间，有200多KM线路沿着汉江、月河等河流的两岸阶地或河谷盆地边缘的丘陵、垅、岗地带通过。所经地区广布裂隙土。该段裂隙土属于古老河床冲积物，主要由伊利石、蒙脱石及其他亲水矿物组成，含粉粒（0.050.005mm）4555%；粘粒（0.005mm3045%；渗透系数在1.5810-51.0510-6cm/s之间。这种土质失水收缩固结，吸水膨胀软弱，当地群众形容为“晴天硬邦邦，雨天成泥浆”、“晴天一把刀，雨天一团糟”、“晴天似块钢，下雨一锅汤”。陕南各地裂隙土物性指标、颗粒成分及渗透系数见表2-1、表2-2。表2-1 陕南裂隙粘土物性指标 物性 指标 地点天然含水量w(%)天然容重g(KN/m3)天然孔隙比e液限Wl(%)塑限Wp(%)塑性指数Ip液性指数Il饱和度Sr勉西23.00.8843.822.521.30.02372.2汉中20.318.70.7740.620.220.40.00572.5K158 19.419.80.7339.521.917.60.1476.2西乡21.119.80.7940.620.120.50.04-汉阴24.618.90.8031.016.714.20.5484.0安康22.218.10.6336.220.216.00.1385.1表2-2 陕南裂隙粘土颗粒组成、渗透系数地点粒径(mm)及含量（）渗透系数0.050.05-0.010.01-0.0020.002-0.005(cm/s)勉西153312401.58-7.63x10-5K158192915371.31-3.6x10-6汉阴133118.237.8/安康103016441.5X10-6从表中测试数据看出，裂隙粘土多数为粘土少数为砂粘土渗透系数小，天然含水量都在塑限附近，土质软弱，在这种土质性质影响下，回填土基床极易产生道碴囊和道碴陷槽，并产生翻浆冒泥使道床泥化 见图21。图21 回填土基床道碴囊泥化道碴在裂隙土基床中，因裂隙土具有超固结性，下层强度较高，而表层土因风化作用影响，土质软弱也极易产生翻浆冒泥，使道床泥化，但道碴囊厚度比较均匀，深度比回填土小，见图22。图22 膨胀土基床道碴囊及泥化道碴从阳安线和襄渝线现场可看到，凡是膨胀土路基地段，翻浆冒泥比比皆是，路肩挤出到处可见，对这种路基地段必须采用有力措施，才能保证列车正常运营。2.2 基床应力状态2.2.1 道床结构及对基床施加的荷载 1、道床结构施加的静荷载进行铁路基床病害整治，要清楚了解道床结构的基本形式，正线铁路道床的结构如图2-3。图23 铁路道床结构图 当铁路等级为I级次重型时，设计轴重220KN，钢轨重量50kg/米，当铺设混凝土轨枕时，每公里为1840根，平均间距0.543米，轨枕长度2.5米，道碴厚度0.45米，道碴坡度1：1.75，荷载分布宽度3.49米。根据以上指标，道床对基床产生的总荷载为57.4KPa，其中活荷载42KPa，轨道荷载为15.41KPa。 2、列车运行对基床产生的动荷载 铁路火车运行，对基床面产生动应力作用，动应力大小与行车速度有关，按下式计算： =0.26 P （1+0.003V） 当用韶8机车时，轴重P=220KN，行车速度按70KM/h计算时，基床面处动应力为69.2KPa。当行车速度为200KM/h时，动应力92Kpa。在以这两种速度行车时，基床面承受动荷载与静荷载之总和分别为126.6KPa及149.4KPa。 3、在火车荷载作用下路基中应力分布规律 在火车运行荷载作用下的基床中动应力分布规律，参阅国内及前苏联资料，在（）“在火车荷载作用下路基应力状态的变化规律”的文章中，介绍了在轴重为210KN，速度为120KM/h，路基中应力分布曲线如图2-4。图24 在火车荷载作用下基床里应力分布规律文章中介绍在火车荷载作用下，路基横断面上不同深度水平线上应力状态分布的规律及动应力在深度上存在范围。在同一深度，任何点的应力，可通过该断面钢轨下应力乘以不均匀享数来计算，则这里为应力分布不均匀系数，它表示出在路基横断面上应力分布不均匀的特点，在钢轨下断面上的=1。在基床部位，枕木端部和道中心的不均匀分布系数分别用和表示。 根据试验研究结果，对于木枕直线段，路基面上枕木端部 0.440.84，对于混凝土轨枕0.380.7。而在道心，不管是木枕还是混凝土轨枕，道床中心路基面上=0.170.50。在上述基础上，研究出木枕和钢筋混凝土枕下路基面上，不均匀分布系数平均值=0.61，=0.33。不均匀分布系数，经研究它不依赖于车辆类型，荷载轴重以及运行速度而变化，它在不同部位，随深度的变化规律见表2-3。表2-3 荷载分布不均匀系数表距枕木底面的深度（m）断面上（距轨道中心线X数值）沿轨道中线（x=0）钢轨下的断面上（x=0.76）枕木端部下面（x=135）在枕木范围外（x=1.95）1.00.650.70(=0.68)1.00.500.83(=0.70)0.250.35(=0.31)1.50.610.81(=0.71)1.00.720.88(=0.75)0.280.34(=0.32)1.80.780.82(=0.80)1.00.740.92(=0.82)0.440.48(=0.46)从表中不均匀系数看出，在同一个路基断面上，同一水平线上的钢轨下系数为1，是最大值。第二位轨枕端部，最小者在道心。不均匀系数随着深度的增加，相互的差别在减小，深度为1.8米时，系数最大差值为20%。由该资料得到,在基床中同一横断面,钢轨下、枕木端和道心的各个部位,应力随着深度的增加按接近指数形式曲线衰减,应力按下式计算 式中 是路基面下离枕木底hi处的应力；是路基面离枕木底h0处的应力； lj是应力随深度衰减系数。 应力随深度衰减系数lj跟行车速度有关,可用下式表示 lj =a+bV 式中a,b是根据试验资料用回归法统计出来的系数，深度在0.41.8处研究出的系数值列于表2-4中。表2-4 路基应力随深度衰减系数的参数部位系数钢轨下轨枕端部道中心A0.00720.00860.0048B8.710-611.010-632.510-5 4、火车运行动荷载对基床的作用频率在路基横断面上不仅有随深度变化的应力大小影响着路基应力状态，各种车辆的作用频率也影响着路基应力状态，用图2-4中四个轮对的车辆为例来说明车辆对路基作用过程。车辆作用于道床上时，先是整体呈弹性压缩，然后车辆下的道路，在不同部位局部或全面恢复到荷载作用前的应力状态，使应力状态产生周期性地变化。在路基中荷载作用的反复性和周期性，不仅依赖于转向架轴间距离l0和不同转向架相邻轴间距离L0，还依赖于行车速度。图24 车辆对基床的作用频率下面表2-5列出了在不同的轴间距情况下列车施加给轨枕上的最大荷载Qmax以及恢复值Q0与施加的最大荷载Qmax比值（Q0/Qmax），还列出了路基面恢复应力与施加最大应力比值h 0/max。同时也列出了在不同的轴间距下，路基顶面最大应力的重复频率f0。从表中看出,火车给予轨枕的最大压力,在轴间距l0=1.85m时,可减少为25%。而在轴间距为4m甚至更大时,作用到枕木上的压力百分之百衰减.荷载对基床的作用频率,在基床表层1m内与单轴数量和行车速度有关,通常不超过10-20赫兹.在基床深2m以下,最大应力仅产生于两个转向架间,作用频率减少为表层的1/2.再向下一定深度,作用频率更加减少为车厢的个数.表2-5 不同轴距时基床面应力状态Lo(m)Q0/Qmax0/max在火车行速(km/h)时基顶面最大应力的重复频率(赫兹)25701001501.850.250.103.810.515.022.62.10.350.173.29.313.220.02.70.550.272.57.210.315.43.20.670.362.26.18.713.04.21.000.551.74.66.69.96.81.001.001.02.94.16.12.2.2 基床应力状态计算根据上述计算指标，如果列车速度按70Km/h计算，作用于路基面的动应力为69.2Kpa。若路基面距枕底为0.4米，（即道碴厚度为0.4米）埋深距枕底1米处轨下应力计算如下：0.00728.710-670000米/h=0.0072+0.6=0.6162 =69.2e-(hi-ho) =69.2e-0.616247.8KPa 同理可计算出离基床底不同深度动应力值见下表2-6。表2-6 基床内钢轨下不同深度动应力和静载应力值应力类型路基面深度动应力(KPa)静载及土自最应力（KPA）动应力静应力动静总值加应力KPn轨道重土自重合重069.215.4015.44.4984.60.357.515.45.721.12.7372.91.037.3713.6819.032.681.1451.052.020.1811.4538.049.950.4031.633.010.909.557.066.50.1620.44.05.887.6576.083.650.0713.535.03.186.495.0101.40.039.58注：I级次重型线路火车时70Km/h。从表中看出动应力对基床土作用力随深度衰减很快，在基床面下1米内影响最大，在2.8米处就显著减小为20%左右。从表列数据还看出，作用在路基面上的总应力为84.6kPa，根据不均匀系数又可算出，作用在枕端基面应力为51.6kPa。作用在道心基床面上的应力为27.9kPa。这可看出，地基强度不是翻浆冒泥产生的根本原因。应该说土的亲水性是病害的主要原因。2.3 翻浆冒泥的分类及病害产生机理2.3.1 翻浆冒泥概念 翻浆冒泥为一种基床病害的统称，实质上它是以翻浆和冒泥两种病害形式在线路上出现。翻浆是由含一定量细小粉粒、粘粒以及少量沙粒的土与水组成胶态或液态的泥浆，在动力作用下发生翻冒的现象。冒泥即是粘性土含水量达到一定程度时，发生软化、形成处于塑性状态的软泥，在列车重复荷载和振动作用下，软泥受压向四周挤出滑动，而顺着弧形槽底向路肩、道心以及枕木盒内上翻，挤出的现象。翻浆和冒泥两种基床病害虽然表现形式不同，但其构成的条件和形成后对线路的危害情况以及整治的方法大致相同，故现场习惯把翻浆和冒泥统称为翻浆冒泥。2.3.2 翻浆冒泥分类翻浆冒泥，按照病害的性质、特征和形成的条件，以及从泥浆产生的部位和泥浆补给的条件，分为道床翻浆和基床翻浆两大类型。（一）道床翻浆在列车经过时碎石道碴互相摩擦或捣固时石碴摩擦，产生大量石粉，在水的存在条件下，由于列车频繁的振动抽吸作用，在道床内形成稀泥浆，列车经过时，泥浆被挤压抽吸翻冒的现象，称为道床翻浆。其特征为：1、翻浆现象仅发生在道床内，通常不侵入路基面。2、翻出的泥浆与路基面土质不同，翻出的泥浆和开挖时看到的泥浆均为道碴色。3、雨季时翻浆严重，晴天干燥状态时，泥浆和石碴胶结在一起成坚硬的泥碴混结层，俗称板结层，使道床失去弹性。4、接头部分由于受到列车冲击力和抽吸作用较大，经常表现得比较严重。道床翻浆的根源是道床不洁，而道床不洁的主要原因为：一是道床使用了花岗岩和石灰岩两种岩性的道碴，由于石灰石性脆、弹性小，在列车经过时，碎石道碴互相摩擦产生大量石粉，污染道床。二是行人过道等带入泥土污染道床。（二）基床翻浆冒泥所谓基床翻浆冒泥是指粘土、粉土质土层和风化软质岩层，受地表水和地下水影响而软化以致泥化，在列车重复荷载作用下形成泥浆，通过道床翻冒的现象。根据地层岩性、水文地质情况、泥浆补给条件和产生泥浆的原因，基床翻浆冒泥又可分为两种：1、土质基床翻浆冒泥粘土、粉土质土被地表水或地下水浸润软化以及泥化，在列车重复动力作用下，基面形成泥浆，通过道床翻冒的现象。2、风化石质基面翻浆冒泥风化石质基面受地表水或地下水长期浸润软化以致泥化，在列车重复动力作用下，基面形成泥浆，通过道床翻冒的现象。形成风化石质基床翻浆冒泥病害最根本的条件是岩性。基床翻浆冒泥的特征有：a. 翻浆从路基面开始，逐渐侵入道床以至枕木底部，严重的在枕木面上也泛滥泥浆。b. 基床存在深浅不等的道碴陷槽时，由于积水，其表层土壤便成浆泥或成塑性状态稠泥，整个道床呈泥碴混合体。c. 在道碴孔隙间可以清楚地看到泥浆上冒的途径痕迹，当列车行进时，看到泥浆从通路孔隙中喷出，冒出泥浆的颜色基本上与路基面土壤相同，有时比路基面土壤稍深一些。d. 雨季开始，翻浆首先在钢轨接头处出现，随着雨季的延续，迅速地蔓延至钢轨的其余部分，雨季过后翻浆程度逐渐减轻。e. 风化石质基面翻浆与土质基面翻浆大致相同，但路基面一般无道碴陷槽。实际上，道床翻浆发展的结果会引起基面翻浆冒泥。同样，基面翻浆冒泥的结果更会产生道床翻浆，两种翻浆是相互影响，道床翻浆和基床翻浆冒泥呈复合状态出现的。因此，在实际进行分类时，必须结合具体情况加以分析。2.3.3 翻浆冒泥的原因分析翻浆冒泥病害的产生，首先取决于地质条件和水文地质条件，其次决定于气候条件和动力因素。但是产生翻浆冒泥的原因是较复杂的，往往是以一个或几个条件起决定作用，而其他因素是影响因素。下面从几个方面加以叙述。（一）、翻浆冒泥地段的岩土的工程地质特征为研究翻浆冒泥，首先要分析翻浆地段的土样，安康地区土质物理、力学及化学分析结果如表2-7。表27 西乡、安康两地区裂土性质对比表地 区 性 质 西 乡安 康物理、水理性质颗粒成份砂粒20.058.523.59.622.4粉粒0.050.00543.962.938.556.7粘粒0.00523.139.1426.8151塑性液限WL(%)37.4543.939.1949.5塑限WP(%)19.422.2317.9528.7塑性指数IP17.4522.0318.2431.79天然含水量(%)19.6622.3317.9528.79自由膨胀率(%)306841103力学性质直剪峰值C (Kpa)16741855 (度)11347.813.3三轴强度C (Kpa)5024020950 (度)723.51932残余强度C (Kpa)12332538.3 (度)3.76.31.74.9化学性质蒙脱石有效含量(%)14.1919.1924.931.43比表面积(m2/g)215.03267.13202.18238.82吸附阳离子总量(me/100g)23.8226.7128.4532.55PH7.17.75基床的岩土工程地质特性与翻浆冒泥有直接的关系，它是基面形成翻浆冒泥的内因。众所周知，透水性差的粘土和粉土很容易产生翻浆冒泥。这是由于粘土具有颗粒细小、透水性差、含水量高、承载力低、抗剪强度低、稳定性差等特性。容易使基床面土壤形成泥浆，在动力的作用下产生翻浆冒泥。下面就从土的矿物成分、颗粒组成、土的可塑性、土的渗透性加以说明。1、矿物成分土的矿物成分决定了土的物理力学性质。土的矿物成分不同，其性质就有显著的区别，风化形成的次生矿物和原生矿物的物理力学、水理性质有显著的改变。在土的矿物成分中，粘土矿物的性质对翻浆冒泥的形成有较大的影响。粘土矿物主要由高岭土、伊利石、蒙脱石组成。经调查研究表明：蒙脱石、伊利石含量较多的土是产生翻浆冒泥的重要因素之一，这是由于它的化学成分和结构特性所决定。粘土矿物是由原生硅酸盐类经水解作用而形成的次生硅酸盐矿物，具层状或链状晶体结构，外形多呈片状，且含有不同数量的水。绝大多数粘土矿物都是晶质的，其晶胞的基本构造单元是硅氧四面体和铝氢氧八面体层。见图25。a硅氧四面体b铝氢氧八面体图25 粘土矿物晶体基本构造单元不同类型的粘土矿物都是由这种硅氧四面体层和铝氢氧八面体层相互叠置而成，其结构特性如下：（1）高岭石，高岭石晶胞是由一层硅氧四面体网格和一层八面体网格叠置而成，为两层型粘土矿物，其结构见图26。图26 高岭石结晶结构示意图四面体层顶端向下通过公共氧离子与八面体联结，晶胞的上部基面由氧组成，而下部为氢氧根，因此晶胞基面间为OOH氢键联结，氢键使得晶胞间的联结较为牢固，晶格不能活动，所以高岭石是一种较稳定的粘土矿物，具有坚固的不活动格架，在浸水时格架中的晶胞的距离保持不变，因含有大量细微分散状态的粘土，因颗粒细小，具有一定亲水性。（2）蒙脱石：蒙脱石晶胞是由两层硅氧四面体网格中夹一层铝氢氧八面体网格构成，为三层型粘土矿物，其结构见图27。图27 蒙脱石结晶结构示意图四面体顶端指向八面体层，并通过共用氧（O）与之结合，蒙脱石的晶胞基面全由氧（O）组成，晶胞间为OO接触，彼此间靠分子间相互作用力联结，晶胞间连结很不牢固，极性水分子或其他极性水化离子容易进入其间，使晶胞间距增大，当进入水分子很多时，使相邻晶胞完全失去联结力而相互分离，形成更细小的颗粒，由此可见，蒙脱石较其它的粘土矿物亲水性强，具有极大的可塑性，在水中有相当大的膨胀性和吸水性，因而极易产生翻浆冒泥。（3）伊利石：伊利石也为三层型粘土矿物，与蒙脱石不同的是类质同象替代主要发生在四面体中，其中Si被Fe、Al所替代，剩余电荷较多，且接近基面，因此有利于在相邻晶胞之间吸附更多阳离子以补偿正电荷之不足，这些被吸附的阳离子主要是K离子，它起着加强晶胞间联结的作用，从而使晶格的活动性较蒙脱石类矿物低得多。伊利石为主的粘土矿物具有中等偏高的亲水性、可塑性、膨胀性与吸水性，比较容易产生翻浆冒泥。（4）细小的粘土颗粒均带有电荷，在水介质中产生离子交换，使土粒周围形成增厚的扩散层，且因颗粒小、比表面积大，因此粘土细颗粒的离子置换性促使土的膨胀性、崩解性增强、透水性降低、塑性增大。当土的含水量增大时，这一因素的影响更加强烈。蒙脱石的离子转换能力最强，伊利石次之，高岭土最小，由此可知，只要有水的影响，这类土就可能产生翻浆冒泥。（5）由于胶体性和离子转换能力强，粘土矿物中的蒙脱石、伊利石有很强的亲水性。易吸水，又很难将水排除，从而引起翻浆冒泥加剧。（6）当土中有胶体颗粒时，即使胶体颗粒不多，只要有适当条件，使土的含水量达到塑性状态，在列车动荷载作用下，即液化呈流动状态，这一特性称为触变。正由于这个原因，许多翻浆冒泥地段土（石）的含水量仅达到塑性状态即产生翻浆冒泥，且难以根除。 2、土的颗粒组成一般来说，砂粘土、粉土和粘土以及风化严重的软岩基床产生病害较多。经研究表明：一般粘土颗粒在30%以上，和含粉土颗粒在35%以上，特别是含粉土颗粒在40%以上时，最易引起翻浆冒泥病害产生。这主要是因为含粉粒、粘粒多的土，渗透性差，容易在基床面形成泥浆，而引起翻浆冒泥。3、土的可塑性 一般分析认为：液限含水量和塑性指数能很好地反映出土的亲水性大小。我们平时说的粘土、砂粘土，塑性指数在12以上都易产生翻浆冒泥。 （二）水是产生翻浆冒泥极为重要的条件几乎所有的路基病害都是直接或间接受到水的影响所造成的。要了解水在翻浆冒泥病害中作用，首先应对水在岩石和土壤中的存在形式有比较全面的认识。根据水所处地层的位置和来源，可分为地表水和地下水，他们的存在，也是造成翻浆冒泥的主要条件之一。在调查中我们发现，在该段中地下水的埋深较大。引起该段翻浆冒泥的水的来源主要是地表水。土中水的分类是以水分子的活动能力的大小为主要依据的。土中的水可分为结合水和自由水，结合水又分为强结合水、弱结合水；自由水又分为重力水和毛细水，重力水存在于土的孔隙中，是只受重力作用控制的普通液体水。在天然状态下，上述几种水在土中是共存的，它们之间一般没有明显的界限，而且在岩土中不停地相互作用，从一种形式转变成另一种形式，并改变着土壤的性质，其中以自由水所起的作用最为显著。要说明水对基床面翻浆冒泥所起的作用，必须要了解水与翻浆冒泥的相关特性，现分述如下：1、土的渗透性和湿化、软化作用土孔隙中的自由水在重力作用下，能通过土体的性能称为水的渗透性，水的渗透速度主要决定于土的颗粒组成与密实程度，在其他条件相同的情况下，速度与压力差成正比。砂的渗透速度大致与其颗粒的平均粒径的平方成正比。在黏性土中，水常向着湿度小的方向沿着毛细孔移动，当土浸于水中时即可失去黏结性，并失去抗压能力，形成湿化现象，土的胶结性被破坏，从而使土体产生软化。特别是粘土，由于湿化软化作用而常呈塑性状态或流动状态，在列车动力的重复拍击抽吸作用下，泥浆便向上翻冒，所以水对翻浆冒泥首要的作用是湿化和软化土体，而水的湿化和软化与水的渗透特性有因果关系，它为翻浆冒泥创造了条件。 2、土的毛细性和毛细作用在该段范围内，由于地下水埋藏较深，毛细水对路基面的作用几乎可以忽略，主要是由于地表水下渗润湿基床面，使其处于软塑状态，为翻浆冒泥创造条件。3、水的极性和介质作用水分子是极性分子，在水分子中，两个氢原子位于等腰三角形的底角，而一个氧原子位于顶角，彼此以共价键相连。整个水分子是中性的，但它的一端显示正电荷，另一端显示负电荷，遇到电场作用，水分子就作定向排列，这就是水分子的极化。当水中存在电解质的离子时，水分子围绕着离子定向排列，从而出现离子的水化现象。由于粘土颗粒晶体表面主要分布着阴性离子，这就使粘土颗粒整体成为带负电荷体，在其电场引力影响范围内使水分子定向排列，并保持在土粒近旁。同时也把水化了的钠、钾和钙离子吸引在自己周围，从而在粘土颗粒表面形成由强结合水和弱结合水组成的水化膜，这种情况为土的液化开辟了道路。（三）列车反复的动力作用除了上述因素之外，外界的动力作用也是引起翻浆冒泥的不可缺少的因素，这是因为：没有动力作用，泥土很难形成泥浆，即使成了泥浆，也不会向上翻冒。因此动力作用是引起翻浆冒泥不可缺少的条件之一。列车在线路上运行时，作用在轨道上的力大致可分为垂直、横向和纵向三个方向，然而对路基面来讲，影响最大的力为重复、周期性的垂直力。如果地基土中有水存在，在这种重复、周期性的垂直力作用下，黏性土会发生触变作用，使土壤液化，这对于成浆起着极为重要的作用。同时在重复、周期性的垂直力作用下，轨枕底面对道床和路基面的真空抽吸作用加剧，加上水的作用，使泥浆侵入道床向上翻冒。还有一点，就是在振动荷载作用下，黏性土的动力强度降低，而且基床土在列车荷载作用下的强度降低与基床土的含水量有关，强度降低的幅度随含水量的增大而增加，因此，防治基床翻浆冒泥应注意处理好基床土含水量的问题。这种动力的作用与运量、列车运行的速度、轴重和振动等四个方面有关，概括起来就是：1、运量愈大，路基面所受的荷载愈大、愈多，冲击和振动的周期缩短，发生触变的黏性土壤在未恢复原状之前又遭受到另一次的作用，因而就使原先良好的粘性土壤发生翻浆冒泥，使已形成的翻浆冒泥更加严重。2、路基面所受最大动应力随速度增大而增大，但增大得并不显著，钢轨下路基表层应力除钢轨接头下，一般随速度增加而增大，而速度对路基应力的影响随深度增加而减小，同时路基面动应力与线路上部建筑设备状态和质量有关。3、理论上，机车车辆的轴重和轴距，特别是机车主动轮的轴重对轨道应力起着决定性的作用。在速度一定的情况下，机车车辆的轴重越重，轴距越小，则所产生的轨道应力越大，相应的对路基面所施加的压力也就越大。4、振动也是引起翻浆冒泥的原因之一，特别是在钢轨接头处振动最大，因而相对来说在该处的翻浆冒泥更为严重。（四）线路养护维修质量通过我们调查和统计的资料表明，西安铁路局的翻浆冒泥的水的来源主要是地表水，只要运用封闭层把地表水与路基面隔离即可，因此以前主要采用铺设氯丁橡胶板和塑料排水板等封闭措施。从理论上来讲，氯丁橡胶板和塑料排水板对路基面起隔离和保护作用，由于隔绝了地表水，并能使道碴陷槽内的泥浆自然干固，新的陷槽不会形成，封闭层起到制止翻浆的同时，还能加固路基面，增加乘载力、防止基面变形，保护软弱易风化的软质岩石（粘土、页岩）使其不为地表水所浸润而软化，保护承载力不降低具有显著的作用。但是在我们调查时还发现，有些地段继续翻浆。当开挖到氯丁橡胶板和塑料排水板下时，可以看到以前陷入路基内的碎石没有清除干净，同时砂垫层厚度也不符合要求，致使氯丁橡胶板和塑料排水板被顶破，地表水下渗，形成泥浆，这些泥浆沿着氯丁橡胶板和塑料排水板顶破的地方上冒，形成翻浆冒泥。由于前几年线路养护不当，基本不搞道床边坡及接头五孔的清筛工作，因此，道床土龙和接头病害较为普遍，致使地表水长时间滞留于道床之内，软化基面，进而造成翻浆冒泥。从以上可以看出，养护维修工作的质量和施工作业方法对产生翻浆冒泥也具有重要作用。2.3.4 基床翻浆冒泥的产生过程 在翻浆冒泥野外调查中，根据开挖和行车过程中观察到的翻浆冒泥状况，把翻浆冒泥的形成过程归纳成三个阶段：既泥浆挤压上升阶段，积压抽吸联合作用阶段和翻浆冒泥形成阶段，下面用示意图2-7加以说明。图27 翻浆冒泥形成过程示意图1、挤压上升阶段铁路竣工后或刚刚大修后，道碴洁净、基面平整，排水通畅不会发生翻浆冒泥，但随着运行时间的延长，由于基床铺有亲水性粘性土或存在易风化亲水的软质岩，在火车动荷载反复作用下，使基床面产生不均匀沉降，一旦雨水下渗浸入基床，便在凹洼处积水，因铺设在基床的粘性土渗透系数小，一般都小于10-4cm/s，积水难以排除，便在火车动荷载作用下，道碴反复与土层相互作用，使基床面土层软化形成泥浆。泥浆沿道碴孔隙上升，这是翻浆冒泥形成的初期阶段。如果该阶段有连续降雨发生，基床面土层不断泥化，使道床中的泥位不断挤压上升。当没有水源补给时，过一段时间，道床中的泥位便停止上升，并干枯凝结道床，形成板结层，这一阶段泥浆一般不会从道床面挤出。2、泥浆挤压抽吸阶段第一阶段形成的板结道碴层，并不十分密实，在干燥时，也会产生收缩裂缝，一旦降雨，雨水还会渗入基床面，再度使基床面产生泥浆。泥浆在这时上升受到两种力的作用，一种是挤压力，另一种是抽吸力。这两种力的成因是因泥化道碴层形成一个相对密闭的板结层，板结层对封闭的泥浆加压，使孔隙泥浆水压力加大，受压的泥浆便沿道碴中某些胶结弱的孔洞冒到原胶结层之上。所谓抽吸作用是因板结的道床层在车辆反复作用下，上下往复振动，当板结层抬升时，枕下路基面处局部形成真空带，便把周围水和泥浆吸到枕下真空处，一旦板结层下压，使孔隙水压力加大，泥浆便沿孔洞上升，这就是以挤压抽吸作用形成泥浆上冒的第二阶段。3、翻浆冒泥形成阶段在道床中，雨水下渗，基床软化，泥浆被挤压抽吸上升反复进行，使道碴会板结越来越严重，对枕下的封闭越来越密闭，产生的孔隙水压力越来越大，因此泥浆在密闭的道碴板结层中，仍能沿某些孔洞上升，直至使泥浆漫溢道床，掩盖轨枕，并使道床积水，杂草生长，这就是翻浆冒泥形成阶段。翻浆冒泥形成后再翻浆时，从浆液来分可分为小循环翻浆、大循环翻浆和复合型翻浆三种类型。（1）小循环翻浆：所谓小循环翻浆是指因降雨时间短、雨量小，水只能渗入到泥浆板结道床中，在火车的荷载作用，在已经泥化的碴层中，产生泥浆，翻冒到道床表面，造成泥浆飞溅。从浆液颜色上看好象是基床浆液，这实际上是道床翻浆，不会影响基床的稳定性。（2）大循环翻浆：所谓大循环翻浆，是因为在长时间降雨过程中，从板结道碴底部翻出的泥浆的现象称大循环翻浆。这种浆液的产生仍是降雨所引起。板结的道碴，尽管渗透系数很小，但雨水无孔不入，长期降雨，雨水总会渗到基床面，软化土体形成泥浆，在密闭道床更大的抽吸力、挤压力作用下，把泥浆挤向道床表面。在循环过程中不断进行，泥浆不断抽出，使道碴下陷，形成道碴囊。碴囊不断积水，土体进一步软化，一旦侧向挤压力超过土体抗剪强度，便产生路肩挤出，使基床失稳，造成事故发生。（3）复合型翻浆冒泥：所谓复合型翻浆冒泥，是在一个地点，小循环和大循环同时产生。在连绵雨季往往会产生复合型翻浆冒泥，在这种情况下，往往是以大循环为主，泥浆主要来自基床面，其危害与大循环翻浆冒泥相同。第3章 铁路基床高分子加固材料研究3.1 西安局管内原万源工务段基床土质酸性水玻璃改良加固研究3.1.1 前言 襄渝线由于铁路基床土质不良，在水和动荷载的作用下，土体泥化形成翻浆冒泥。为整治病害，拟采用化学浆材进行加固处理。在众多的土质改良研究中，水玻璃是一种最常用的化学浆材。我们根据襄渝铁路万源区段基床土性质，研究了以水玻璃为基本原料，加活化剂对水玻璃活化，便其聚合成无机高分子材料。活化剂使用的是酸类物质，其聚合产物也称为酸性水玻。本文研究了襄渝线原万源工务段K538+544地段基床土的性质，并对水玻璃的酸化以及酸性水玻璃与其它高分子混合浆材改良加固土作了试验研究，取得了较好成果。3.1.2 病害产生的自然地质条件1地质条件试验研究工点在襄渝铁路原万源工务段K538+544地带，该处位于四川盆地东部，大地构造是属于龙门大巴山台缘褶皱带和川东糟皱带的平行岭谷地区，地形以褶皱山地为主，是由一系列复式褶皱构成的山间盆地群和低山丘陵组成。该区主要出现的地层为中生界的侏罗系地层，岩性为紫红色粉砂质泥岩，泥质粉砂岩及黄绿色砂岩，呈互层状态，岩层属软质岩，易于风化和崩解。该处路基用当地路堑开挖土、碎石块填筑，因这种岩土具有亲水软化特性，使路堤和路堑地段都存在着严重的翻浆冒泥。2气候条件该区为湿润的亚热带东南季风气候区，具有春来早，秋雨绵，夏日炎热，冬暖多雾的特点，年平均气温18左右，年降雨量为10002000mm，大部分雨季集中在夏季，年降雨日为150200天，以每天0.12.5mm的小细雨为主，雨季漫长，降雨量充沛，为路基病害的产生和发展创造了有利的条件。3.1.3 土体的工程地质性质 基床上体的物理力学、物理化学及水理性质对于翻泥冒泥起着决定性的作用。为此，对该地区土质进行了详细的分析。 （一）物理水理性质指标 对该区域内路基土，经过开挖调查，取回5组土样进行研究，其物理水理性质试验结果见表3-1。 由表3-1可看出：该区土体为含碎石粘性土，碎石由易风化的泥质粉砂岩，砂质泥岩组成，其性质各段各不相同。但一般均有如下共性：粒径小于O.1mn者占15%左右；砂粒、粉粒和粘粒均占有一定的比例；其天然含水量为1320%；孔隙比小于0.60，属于密实状态；液限小于40%；自由膨胀率在1729之间，渗透系数在3.676.70104cm/s，塑指数在1620之间；其无侧限抗压强度在80Kpa以下。表31 物理及水理性质试验表（二）化学成分分析化学成分分析结果见表32表32 化学成分分析和理化分析结果从表3-2的化学成分分析结果可看出，各里程所采样品的化学成分没有明显的差异。该地区土均是泥岩与粉砂岩被破碎后的上体，土中成分主要为SiO2，其次为Al2O3和Fe2O3；三项之和约占总量的80%以上。游离SiO2、Fe2O3含量较低，游离Al2O3几乎没有。游离氧化物含量低，土粒之间的胶结性差。值得注意的是试样的PH值大于7，最高为9.47，呈碱性土，我们采取的部分翻到路基面的泥浆土PH值为8.87。土的PH值是土化学性质中最有代表性的量度之一。Thomas（1967）曾指出：当PH值大于7.8时，则标志着CaCO3存在。我们的分析测试结果也显示出在7.909.47的条件下，土中的钙几乎全部是以CaCO3的形式存在。含碳酸钙的土在干燥时强度较高，一般能满足工程施工需要，但与水接触时，短时间内即全部崩解，强度也随之大幅度降低，在列车高速、重载的强振动下，大量被崩解的基床土在水化作用下形成泥浆被挤压出来，引起翻浆冒泥，铁路路基下沉，承载力下降。除此，从理化分析结果看，土中含有一定量的蒙脱石，阳离子代换总量测试结果也说明了这一点。蒙脱石类矿物具有三层晶格结构，即由中央夹着一层铝氧八面体晶片的两层硅氧四面体所构成，由于这种晶体结构特征，使其具有较强的吸附能力，以及较高的塑性、亲水性和遇水膨胀性，这些特征的存在，为翻浆冒泥的发生提供了条件。3.1.4 酸性水玻璃的特性1水玻璃的特点水玻璃是一种碱性金属（常为钠或钾）的硅酸盐，一般分子式为MeOSiO2，式中Me代表碱金属。选择水玻璃的主要参数有模数、波美度等。模数（M）：水玻璃溶液的模数是指所含SiO2的克分子数与Na2O克分子数的比值。 即式中，1.033为Na2O与SiO2分子量之比。考虑到水玻璃浆液中钠含量的影响，建议选用模数为2.62.9之间的中模水玻璃。 波美度（Be） 水玻璃溶液的浓度常用波美度表示，它与比重的