1.黃土鐵路路基概況

　　在我國西北、華北廣大黃土地區，分布著(zhù)數條鐵路干線(xiàn)，主要有隴海線(xiàn)、寶中線(xiàn)、蘭新線(xiàn)、寶蘭線(xiàn)、蘭青線(xiàn)等等。黃土一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)是在天然狀態(tài)下，未受水浸濕的黃土具有較高的強度，較小壓縮性，但當遇水浸濕后，由于黃土大孔隙結構的破壞，產(chǎn)生了濕陷變形。

　　黃土的濕陷性和它本身所具有的大孔隙結構及其所含的易溶鹽等化學(xué)物質(zhì)成分有關(guān)。大孔隙結構的四周由于有可溶鹽濃縮所形成的膠結物質(zhì)的存在，增強了土粒間抗滑移的能力，阻止了土體在上覆自重壓力下的壓密。另外，由于碳酸鈣等物質(zhì)的膠結作用，使顆粒間的聯(lián)結強度增加，因而在天然含水量狀態(tài)下，未受水浸濕的黃土具有較高的強度，較小壓縮性。但當黃土受水浸濕后，結合水膜增厚，結合水聯(lián)結消失，顆粒四周的膠結鹽類(lèi)也溶于水中，因此顆粒間聯(lián)結強度降低，在上部建筑物荷重作用下，大孔隙結構破壞，顆�；�向大孔隙，孔隙體積減小，土體被壓密，黃土則出現了濕陷變形。黃土路基病害在行車(chē)速度不太高，行車(chē)密度不大，列車(chē)軸重較低時(shí)并不顯得十分突出。但隨著(zhù)列車(chē)朝高速、重載方向發(fā)展時(shí)，在黃土鐵路路基中，作為直接承受行車(chē)及軌道荷載作用，直接受到降雨影響的路基基床，尤其是基床表層部分，所產(chǎn)生的病害所造成的不利影響非常突出。

　　2.濕陷性黃土路基防治的基本方法

　　2.1整治黃土路基病害的國內外動(dòng)態(tài)

　　為了提高用濕陷性黃土修筑的鐵路路基工作性能，提高其抗變形能力，提高基床表層土體穩定性，對黃土路基基床進(jìn)行改良和病害整治是必須的，國內外都對此開(kāi)展了大量研究。由于黃土的濕陷性，使得路基產(chǎn)生了差異沉降，建筑物遭到了破壞。針對既有建筑物所出現的這種事故，要對路基進(jìn)行處理，必須分兩步進(jìn)行。首先應找出使路基土濕陷的水源，截斷水源；其次必須對已經(jīng)濕陷的路基進(jìn)行加固。采用經(jīng)濟、可靠的加固手段，使路基土的濕陷變形停止、承載力滿(mǎn)足上部結構荷重的要求。

　　軟弱路基的處治方法許多，如：“換土、碎石樁、旋噴樁、灰砂樁以及加入土工格柵等。這些方法主要用于結構物以及公路、鐵路路基在修建之前對軟弱路基進(jìn)行預先處治。但是對于鐵路路基修筑之后，特別是道路通車(chē)數年之后，發(fā)現因軟弱路基的原因使路基下沉、線(xiàn)路幾何尺寸難以維持，在這種狀態(tài)下，對路基下的軟弱路基進(jìn)行處治是非常困難的，尤其是對于像天蘭線(xiàn)這樣車(chē)流密度很大的鐵路干線(xiàn)，采取通常的處理方法處治，需要中斷行車(chē)，而且要大范圍破壞道床結構，是不可行的。

　　2.2劈裂壓漿法加固黃土路基基床基本原理

　　由于路基長(cháng)，工程地質(zhì)條件千變萬(wàn)化，而且機具、材料等條件也會(huì )因地區不同而有較大差別。因此，對每一具體線(xiàn)段都要進(jìn)行細致分析，從路基條件、處理要求（包括處理達到的各項指標、處理范圍）、工程費用、材料、機具等諸多方面進(jìn)行考慮，以確定合適的路基處理方法。鐵路的路基處理不同于其它建筑物地基的處理，鐵路路基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。

　　對非自重濕陷性黃土路基，如基礎下路基處理厚度達到壓縮層下限，或達到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始壓力，就可以認為路基的濕陷性全部消除。對自重濕陷性黃土路基，由于路基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關(guān)，而與壓縮層厚度無(wú)關(guān)，所以必須處理基礎地面以下的全部自重濕陷性黃土層。

　　在非自重濕陷性黃土路基上，對Ⅰ級濕陷性黃土一般不需要路基處理。對于Ⅱ級處理厚度為1.0～1.5m，如處理厚度小于1.0m時(shí)，濕陷性仍要危及構筑物或線(xiàn)路安全。對于Ⅲ級濕陷性黃土，處理厚度為1.0～2.0m，Ⅳ級應為2.0～3.0m。此外，應根據土層的濕陷性系數的分布情況，濕陷性黃土層的厚度等具體情況，適當增加或減少處理厚度。

　　本文結合隴海線(xiàn)整治濕陷性黃土路基病害的具體工程實(shí)例對劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應用進(jìn)行了分析研究。劈裂壓漿是利用路基的最小主應力面和堤軸線(xiàn)方向一致的規律，以土體水力劈裂原理，沿線(xiàn)路縱向布孔，在壓漿壓力下，以適宜的漿液為能量載體，有控制地劈裂路基，在路基形成密實(shí)、豎直、連續、一定厚度的漿液防滲固結體，同時(shí)與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實(shí)，從而提高基床表層土體穩定性。

　　3.劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應用

　　3.1工程概況

　　隴海鐵路天蘭復線(xiàn)于2002年建成通車(chē)，在2003年秋季由于該區域連降大雨致使天蘭復線(xiàn)出現多處路基下沉。從2005年下半年開(kāi)始，在和有關(guān)部門(mén)配合下，開(kāi)始采用劈裂壓漿法對天蘭復線(xiàn)軟弱路基路段進(jìn)行補強施工。前后從K1427～K1666區間范圍內，對橋頭、隧道洞口、單線(xiàn)、雙線(xiàn)等多處路段進(jìn)行了壓漿補強工作。

　　3.2劈裂壓漿的機理

　　劈裂壓漿是利用水力劈裂原理和路基土中小主應力的分布規律，在一定的壓漿壓力作用下，將漿液用高壓泵壓入到地層當中，以克服地層的初始應力和抗拉強度，使其沿垂直于小主應力的平面上發(fā)生劈裂，地層中的固有裂縫擴展變寬變長(cháng)，然后漿液充填到了地層的所有裂縫當中，在路基中形成了許多樹(shù)枝狀或板狀凝固體，而且使凝固體周?chē)�一定范圍內的土體，由于漿液高壓力的作用被擠密，從而形成了復合路基，使路基土的承載力提高、壓縮性降低、濕陷性大幅度減小。

　　3.2.1漿在土體中運動(dòng)的三個(gè)階段

　�。�1）鼓泡壓密階段。漿液進(jìn)入土體形成漿泡并向外擴張，使漿泡土體中引起復雜的徑向和切向應力系統，緊靠漿泡處的土體遭受?chē)乐氐钠茐暮图羟�，并形成塑性變形區，使土體擠密。

　�。�2）劈裂階段。漿液在壓漿壓力作用下，先后克服地層的初應力和抗拉強度，使其沿垂直于小主應力的平面上發(fā)生劈裂，漿液由此切人，擠密土體，并與土體發(fā)生物理和化學(xué)作用，形成作為骨格的漿脈。

　�。�3）被動(dòng)土壓力階段。通過(guò)前兩階段的作用，土體得到初步加固，土中的軟弱面、孔隙及裂隙都被填充滿(mǎn)，此時(shí)漿液在較高壓力作用下，克服土的被動(dòng)土壓力，擠密土體使其固結，同時(shí)漿脈周?chē)�的土體也被壓密，形成了以漿脈網(wǎng)絡(luò )為骨架的復合固結土體。

　　3.2.2壓漿的應力計算

　�。�1）砂和砂礫石地層可按照有效應力的庫侖一莫爾破壞標準進(jìn)行計算：

　　由于壓漿壓力的作用，使砂礫石土的有效應力減小。當壓漿壓力pe達到下式時(shí)，就會(huì )導致地層的破壞：

　　隨著(zhù)孔隙水壓力的增加，有效應力就逐漸減小而至與破壞包線(xiàn)相切，此時(shí)表明砂礫土已開(kāi)始劈裂。

　�。�2）粘性土地層在粘性土地層中，水力劈裂將引起土體固結及擠出等現象，在只有固結作用的條件時(shí)，可用下式計算注入漿液的體積V及單位土體所需的漿液量Q：

　　劈裂壓漿施工前，先是在基礎的外側周?chē)�布設灰土樁作為帷幕，然后在灰土樁的內側靠近基礎一邊布設壓漿孔�；彝翗兜淖饔糜腥齻�(gè)：

　�。�1）起帷幕作用，防止劈裂壓漿的漿液外竄，使漿液能夠進(jìn)入到基礎底。

　�。�2）與劈裂壓漿的漿液一起，形成一道防滲墻，阻止基礎以外的水入浸路基。

　�。�3）分擔部分路基的附加應力，提高路基承載力。

　　劈裂壓漿的漿液由水泥、黃土、粉煤灰和水所組成，將其按一定的比例配制成漿液，然后用高壓泵將其壓入到基礎底下，完成劈裂壓漿的全過(guò)程，在基礎底下形成復合路基，提高路基的承載力，降低壓縮性，大大地降低黃土的濕陷性。

　　從理論上推斷，壓漿后土體應為一球狀，且每個(gè)球狀體應相以交連，但地層的間隙、土質(zhì)不可能是各項均勻，同性的漿液可能沿土層界面滲透，故在布置鉆孔間距時(shí)，要綜合考慮土質(zhì)、孔隙、壓力等因素。

　　路基劈裂壓漿補強處理，多采用單排布孔�？拙�3～5m。實(shí)際布置時(shí)，在沉陷相對較大路段應適當減小孔距，在曲線(xiàn)路段應適當減小孔距。此外，還應考慮路基斷面形式、路基土的密室度等因素的影響。

　　3.4劈裂壓漿法加固黃土路基基床應注意的問(wèn)題

　　由于壓漿目的、要求和各工程的具體條件千差萬(wàn)別，不同的工程只能根據自己的特點(diǎn)規定強度和變形要求，規定統一的強度標準是不現實(shí)的。下面僅提出幾個(gè)與此相關(guān)的問(wèn)題：

　　1.有些漿材特別是化學(xué)漿材具有明顯的蠕變性，在恒定荷載長(cháng)期作用下，壓漿體將隨時(shí)間而產(chǎn)生較大的附加變形。

　　2.當壓漿目的為防滲時(shí)，所需漿材的強度僅以能防止水壓把孔隙中的結石擠出為原則，這種情況下起作用的是結石的抗剪強度。按照抗剪破壞的原則，并假定土孔隙為有規則的平直面，如圖，則抵抗水壓力所需的抗剪強度為：

　　C=p×d/（2L）（5）

　　式中C—漿液結石與孔隙壁面問(wèn)的粘結力；

　　p—地下水的滲透壓力；d—孔隙高度；L—壓漿體長(cháng)度。

　　今設p=10kg/c㎡，d=0.5～1.0cm，L=100cm，代入上式得結石維持穩定所需的c值為0.025～0.05kg/c㎡，此值很容易為低強度粘土水泥漿所滿(mǎn)足，而無(wú)需采用較高強度的漿材。

　　3.利用尺寸效應，可使某些低強度漿材獲得很高的穩定性。在直徑為d的圓形孔隙中，則由水壓力p為造成的破壞力見(jiàn)式（6），由c造成的阻抗力見(jiàn)式（7）：

　　P1=p×πd2/4（6）

　　P2=c×πdL（7）

　　推力P1隨d的二次方、阻力P2則隨d的一次方增減，所以隨著(zhù)孔隙尺寸的減小壓漿體可獲得愈來(lái)愈大的抗擠出穩定性。今假定p=c？L，則穩定安全系數（P2/P1）隨d的增減情況見(jiàn)表1。

　　4.結論

　　在對天蘭線(xiàn)路基下沉病害的整治中，總共完成路基補強7000米，橋頭沉陷治理16處。通過(guò)近一年的觀(guān)察，加固效果明顯。除個(gè)別路段出現了少量下沉外，補強處理后的路基穩定，壓漿法加固濕陷性黃土路基無(wú)論是在經(jīng)濟還是技術(shù)上都是一種切實(shí)可行、高效、經(jīng)濟的方案。今后應擴大壓漿法路基補強的應用范圍，以確保天—蘭鐵路線(xiàn)的安全暢通。

　　1.從直接施工成本看，辟裂壓漿法每米工程造價(jià)要比基床換填低至少150元，這就意味著(zhù)每公里的投資可減少15萬(wàn)元。以天—蘭線(xiàn)為例，據保守的估計，天—蘭線(xiàn)需要進(jìn)行路基補強的線(xiàn)路至少有100公里，全線(xiàn)至少可以節約投資1500萬(wàn)元。寶中線(xiàn)需要處理的路基有150公里，如果采用劈裂壓漿法，至少可以節約2250萬(wàn)元。僅此兩項就可以為全鐵路局節省投資3000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟效益十分巨大。

　　2.劈裂壓漿法在施工中不需要中斷行車(chē)，在目前鐵路運能十分緊張的情況下，可以不影響鐵路的運營(yíng)收入。

　　3.壓漿法所壓入路基基床的灌漿材料是不會(huì )隨時(shí)間的推移而改變，因此治理效果具有永久性。

　　工程實(shí)踐證明，用劈裂壓漿方法處理濕陷性黃土路基，可以明顯地提高路基承載力，降低壓縮性，使濕陷性黃土的濕陷性大大減少。劈裂壓漿作為一種路基補強的施工方法具有廣闊的應用前景。