基床病害防治

2020年10月25日00:00:33 评论 19 9568字阅读31分53秒

铁路路基由基床,基面、基底和边坡等四部分组成。基床是路基上部受列车动力作用和水文气候变化影响较大的土层,是路基的重要组成部分。它的范围自路肩施工高程至其下1.2 m。为确保列车能以规定的速度、安全平稳和不间断运行,基床必须在最不利的水文.气候和列车动力作用下,具有足够的稳定性,因此要求基床不可以发生危害线路正常工作的变形。但基床往往在各种因素作用下产生变形,这种变形称之为基床病害。

一、基床病害的主要类型

基床病害表现的形式是多种多样的,最常见的有道碓陷坑,翻浆冒泥、路肩挤出、路堤边坡外市及线路下沉等五种。

(一)道砟陷坑

在列车动力作用下,道砟挤人基床所形成的陷坑称为道砟陷坑。这是基床病害的初级阶段。形成道砟陷坑的主要因素有:基床土质不良,地表水或地下水的浸润、施工时填土压实不够及以道床厚度不足。

由于地表水与地下水的浸蚀作用,使基床的土或岩石产生软化,在列车动力作用下,产生触变液化,造成路基基面的抗剪强度降低,道砟陷人路基面,引起基床内部变形,致使道砟逐渐沉陷于基床中。这种病害是运营线上常见的路基病害之一。根据其形状及发展的程度,可分为道作槽,道砟锅和道砟囊三种。

1.道砟槽

由于道砟压陷,在每根轨枕下的路基面上形成互不连通的凹槽,这种凹槽称为道作槽,如图1所示。道昨槽的表现形状为相应轨枕的基面上出现的道昨沉陷,其产生的原因有:一种是在线路施工中,由于先铺轨后铺砟所造成。线路未铺砟时就放行工程列车,导致轨枕压人基面;另一种原因是路基填土夯实密度不够,基床松软抗剪强度低,道床厚度不足,在通行列车后逐渐形成道砟槽。

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图1 道砟槽

2.道砟锅

道砟被压陷形成道砟槽后,在列车动力的反复作用下,由于基面土质密实度不均匀或基面所受压力不等时,在多根轨枕下的路基面上形成的洼坑,其形状就像大锅底或马鞍,把这种由道砟槽不断扩大深度与宽度发展而形成的沉陷叫做道砟锅,如图2所示。

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图2 道砟锅

3.道砟囊

道砟挤人基床所形成的囊状陷坑称为道砟囊如图3所示。

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图3 道砟囊

最初,道砟在基床土质特别软弱处陷入,形成洞穴;由于地表水流入,使洞穴周围的土浸泡松软,导致更多的道砟陷入,如此不断发展,成为奇形怪状的道砟囊。道砟囊的深度可达3 m以上,一般向边坡方向发展。道砟囊也可由道砟槽或道砟锅发展而成。

(二)翻浆冒泥

不良的路基土(岩层)含水量饱和,在列车动力作用下,基床产生软化或液化成泥浆,被从道砟间隙中挤压出来的现象。翻浆冒泥会严重污染道床,使道床板结,使基床产生永久变形,降低轨道强度,影响列车高速.安全.平稳运行。翻浆冒泥可分为道床翻浆﹑土质基面翻浆、风化石质基面翻浆和裂隙泉眼翻浆四种。道床翻浆不属路基病害。

1.道床翻浆

由于列车上不断掉下的各类尘土,脏物,过路行人走路带来的土泥和维修捣固产生的石粉及其他原因,使道砟含土量达到一定限度时,道砟失去了良好的排水性能,在降雨后,雨水与道砟间空隙的泥土混合成泥浆,在列车压力反复作用下,泥浆受到挤压抽吸而上冒。晴天当水分被蒸发后,道砟被泥浆凝成干硬的整体,成为一个硬壳层。

(1)道床翻浆的特征:一股在雨季翻浆严重,除排水不良地段外,一般雨季后不再翻浆;从翻浆物的形态上看泥浆较稀,呈灰黑色(运送矿石线路往往与所运的矿石颜色有关);钢轨接处翻浆相对严重;轨道状态变化不大;基床状态良好等。

(2)现场鉴别:为了更有效地处理病害,减少无效劳动,确保轨道技术状态良好,道床翻浆冒泥与基床翻浆冒泥应进行严格区分。道床翻浆不属于基床病害,虽然现象及危害与基床翻浆有许多共同之处,但通过细致的鉴别,还是可以区分的。现场可以取一些翻浆泥土放在手中揉搓,如果是粗涩不滑的石粉,就是道床翻浆,扒开道床如果下面仍有清砟叮以断定为道床翻浆。道床翻浆可以通过清筛来解决。

2.土质基面翻浆

路基面及其以下为透水性能差的裂隙黏土和一般黏性土的土质,因雨水,水沟渗水.毛细水,或其他方式来源的水使路基面土质含水量的增加而强度大幅度下降,最后达到饱和而形成塑性状态。列车通过时,泥浆被挤压沿道砟空隙向上冒出。在南方,无论是平原丘陵,还是山区,特别是裂隙黏土地区,土质基面翻浆较为普遍,雨季期间最为严重。而在北方,土质翻浆冒泥则主要集中在春融冻害回落期间,是基床冻害的附属物。

土质翻浆冒泥特征:一般首先在钢轨接头处形成,逐渐向其他部位发展;冒出的泥浆较稠,颜色与基面土质一致或更深;翻浆位置在轨枕端或轨枕中,形状是柱状或条状;翻浆其间或雨季轨道标高及水平会有连续的轻微变化;基床软层较薄,其下土质仍较坚硬。这种翻浆冒泥病害仅通过道床清筛是不能根治的。

3.风化石质基面翻浆

石质基面翻浆冒泥主要发生在基床填料为软质泥岩的基床中,如泥质页岩,板岩,泥灰岩等,这类岩质易风化,水浸后易软化,强度显著降低。在南方,石质翻浆冒泥主要分布在缓丘垄岗地带的路堑中。其特征基本同土质翻浆相似,只是泥浆更稀,软弱层厚度较土质基面相对较厚。

4.裂隙泉眼翻浆

裂隙泉眼翻浆是指裂隙水或泉水在列车动作用下,冲蚀软化基床土而形成的翻浆。

其主要原因是基床排水不畅,裂隙或泉水聚集基床所致。一旦基床排水通畅,翻浆可能自动消失;如果裂隙水通道改变,翻浆位置也可能随之发生改变。裂隙泉眼翻浆的特征;开始时在泉眼或裂隙处出现,随后延续扩散至较大范围;泥浆较稀,几乎全年翻浆;翻浆呈条状.漏斗状或柱状,会给轨道的标高及水平造成定的变化。

(三)路肩挤出

路肩挤出是路肩变形的统称,由路肩外挤(路肩横向挤出)和隆起(路肩向上挤出)两种病害所组成。

1.外挤

当路堤基床为中塑性或高塑性的黏土.粉质黏土,淤泥,泥炭等土质,由于施工养护不良,经常处于饱和状态,基床软硬不匀,形成人为的软弱层及刚卧层;路堑基床内部离路基面不深的部位存在岩层(天然的刚卧层),其刚卧层的形状不论是水平的或倾斜的,均能阻碍道砟锅向下发展,同时侧向阻力小,向一侧或两侧路肩横向筒状发展,引起路肩横向向外挤的现象称之为路肩外挤。路肩外挤基本上是水平方向向外侧滑动,挤宽路肩,轨面变化较大,线路下沉。雨季发展较快,变化剧烈。随着病害的发展,变形逐渐加剧,最后造成路肩滑塌,危及行车安全,如图4.图5所示。

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图4 双侧外挤                                                                   图5单侧外挤

2.隆起

隆起的原因与外挤相同,它是发生在路堑内,在路基面较深的部位存在岩层(天然刚卧层),其形状不论是水平的还是倾斜的,阻碍了道砟锅向下发展,同时侧向阻力大,道作锅只得向一侧或两侧路肩成简状向上发展引起路肩向上隆起,称之为隆起,路肩纵向隆起成土哽,影响路基排水;轨面变化大,线路下沉,需要经常补充道砟以维持轨道平顺,但越铺隆起越严重,两者恶性循环;雨季轨面变化大,影响列车安全.平稳运行。在隆起地段,基床内部道砟锅有明显的滑动面,如图6.图7所示。

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图6双侧隆起 图7单侧隆起

(四)路堤边坡外媵(边坡变形)

在黏性土或粉质黏土的路堤上,基床松软的地方,道碓锅集中一处向边坡深处发展成大道作囊时,路堤—侧或两侧边坡的中上部向外膨出,轨面发展缓慢而均匀下沉的现象,称之为路堤边坡外贼。边坡外个多发生在较高的路堤或水塘填筑的矮路堤上,而且多半是向路堤的一侧边坡发展,有时严重外媵的边坡上有道昨露头,有时淌混水。边坡外媵处,一般轨面下沉比较均匀。但在边坡即将开始崩塌时轨面下沉非常严重。边坡外膨随着病害发展最后造成边坡崩塌,严重影响行车安全。

(五)线路下沉(综合性变形)

线路下沉的情况比较复杂,有时因变形本身所引起,也有的是其他变形,如翻浆冒泥、路肩外挤隆起,边坡外媵等变形,故称之为综合变形。路堤与路堑,均可能发生线路下沉,路堤上比较普遍;路堑内比较复杂。其共同的特点是轨面变化大,特别是水平变化大,对行车安全威胁大。

二、基床病害的形成条件

基床病害的形成与发展原因是复杂的,是许多种因素综合作用的结果。基本上可以分为三个方面,即自然条件、列车的动力作用和线路技术设备状态。

(一)自然条件

自然条件是产生基床病害最基本的因素,包括基床的岩性,水的影响和气温的变化等。

1.基床岩性

渗水性强的砂类土与碎石类土路基,不易发生基床变形;透水性差的黏土和粉质黏土,很容易发生基床变形。这是因为黏性土颗粒细小,遇水膨胀,稳定性差,抗剪强度低等特性。在列车重复动力作用下,发生液化变成黏流状态,抗剪强度可趋近于零,从而产生基面变形,导致道作沉陷的发生与发展。

路堑内有的基床是由软弱岩层组成,如泥质灰岩、泥岩、页岩,板岩,片岩、千枚岩、红砂岩等都容易风化,在地表水和地下水的作用下便形成基面翻浆。有的基床虽由坚硬岩层组成,但处在构造破碎带,断层带或风化裂隙带,遇水后也容易形成裂隙翻浆。有的基床由未胶结的松散岩层所组成如第四纪砂质的含砂砾石的岩层,夹杂黏性土或是残积层堆积层,在孔隙水作用下形成翻浆。有的基床下不深处有较坚硬的岩层,构成了不均匀的刚卧层,阻碍了道硅沉陷向下发展,变为向路肩,边坡发展形成路肩外挤.隆起等变形。

2.水的影响

一般情况下,基床变形的形成与发展主要是受地表水的影响。当道床排水不良时,大气降水就会通过道床渗人路基,改变路基土的物理力学性质,导致基床病害的形成。除地表水外,由于黏性土的毛细水上升的渗透而产生软化作用,使土失去凝聚力而降低抗剪能力,土由于胶体物质遇水膨胀、体积增大,使土的胶结性被破坏呈软塑状态,甚至发生土颗粒脱离土体而呈流动状态,降低基床的承载力,形成基床病害。水对形成基床病害起着重要的作用。

3.气候的影响

气候的变化与基床病害有着密切的联系。特别是冻结和融化时期,雨季暴雨集中时期,均极大地影响到路基的稳定性,加速基床病害的发展。

(二)列车的动力作用

列车动力作用是促使基床病害形成的重要因素,特别是对于一些道床厚度不够、基床强度不足的处所,机车车辆的冲击和振动作用会使基床发生永久变形,产生有害的道作陷坑、基床表面不平整,为基床病害的发展提供了条件。

(三)线路技术状态

线路上部建筑与路基技术标准、新建时施工质量及养护维修质量是产生基床病害的直接因素。

1.与线路上部建筑和路基技术标准的关系

线路上部建筑和路基技术标准是产生基床病害的直接原因之一。由于在设计时采用的标准过低,原设计标准不能适应现有的运量与轴重.行车速度等对线路的要求。例如道酢厚度不足、轨枕配置数量太少,致使基面在列车动力作用下压力集中;路基面未设横向排水坡、路堑排水设施不全,不能迅速排除地表水,影响路基面的干燥等均是导致基床变形的重要因素。总之,线路各组成部分应有足够的强度和规定的标准,否则每个薄弱环节均能导致和加速变形的发生与发展。

2.与施工质量的关系

施工质量与产生基床病害的关系最为密切。在施工中对填料选择不当,为节省劳力而就地用透水性差、承载力低的黏土.粉土,甚至含有大量有机腐质的土作填料,为产生基床变形留下隐患;在填筑时,夯实未达到设计要求,填土的密实度不够,造成的路基松软,承载力低,是产生基床变形的温床;未铺碓就放行工程列车,是产生道昨槽的直接根源;道碓厚度不足或道碓规格,质量不符要求,没有按设计要求铺底昨,使基面受到较大的应力,导致基床病害的产生与不断发展。

3.与线路养护维修和关系

线路养护维修的质量,对基床病害的产生和发展关系十分密切,养护不当会加剧基床变形。例如:整理线路外观或除草等作业不良,往往产生路肩外高内低,或修建水沟时,沟墙挡水,形成基面积水;排水沟不及时疏通致使沟内积水,渗入基床,由于长期积水软化基床而造成基床变形。又因轨道几何状态不良,接头高低错牙或马鞍形、低接头,大轨缝.轨枕失效、吊板、暗坑等病害均能增大列车对路基面作用力不均衡,产生应力集中,加大冲击力,从而造成基变形或由于养护不良,特别是在曲线上,曲线超高设置不当,使两股钢轨受力不均,一股钢轨受力较大而形成道砟槽不均匀发展。

在线路养护维修工作中往往因线路养护维修不好,线路质量变差,产生的病害就越多,因此,必须贯彻预防为主,防治结合的原则,认真做好线路养护维修。

三、基床病害的防治措施

基床病害对行车安全威胁很大,必须根据病害的原因,及时采取相应的防治措施,以确保行车安全。

(一)结合线路维修整治基床病害

各保养工区可结合线路综合维修与重点病害整治做好下列工作,处理或减轻基床变形的发展。

1.清理排水设施、修理少量坍塌的沟墙,填补路肩,消灭路肩外高内低使整平后的路肩坚实无杂草、无积水,无裂缝,并使路肩向外有不超过1:20的流水缓坡;打掉或拆除挡水的沟墙,以利路基面水及时排出,保持路基干燥。

2.清筛道床,挖除不深的道砟陷槽,做好路基面横向排水坡;适当抬道,补充道床,保证清砟厚度,确保轨道弹性。

3.做好钢轨修补工作,打磨鞍型接头和钢轨低头;整治钢轨错牙;均匀轨缝,更换失效轨枕;加强防爬锁定,减少列车对线路的冲击力。

4.综合整治接头病害,消灭轨面不平顺,强化轨道结构,合理调整曲线超高,尽量避免列车对路基面产生应力集中与受力不均。

(二)铺设砂垫层整治基床病害

铺设砂垫层,即在道砟与路基面之间铺设一层符合材质要求的砂,将碎石道床与路基面隔开,避免碎石道床与路基面的土直接接触,利于路基面受力均匀,防止破坏路基面平整而造成坑洼积水,并在一定时期内阻止基面泥浆上升而污染道床。

砂垫层最适宜整治无地下水影响的土质基面翻浆,也适用于风化石质基面翻浆,是路基大修时作为隔层或换床等的辅助措施,但不适用于裂隙泉眼的翻浆和挤出。在有地下水的地段,应在降低地下水位之后,方可采用砂垫层。

1.长度要求

铺设砂垫层的长度,应包括全部翻浆地段,并向两端至少各延伸5 m。

2.断面要求

砂垫层为一梯形断面(图8),其厚度一般采用15 ~ 25 cm,在排水条件差,雨量大的地段,采用较大值,反之用较小值,一般采用20 cm。

基床病害防治

图8 砂垫层断面(单位 cm)

3.材质要求

砂垫层宜采用中砂或搭配良好的粗砂,含泥量不超过3% ,砾砂、细砂,粉砂不能使用。砂的质量可根据砂的颜色判断,白色的石英含量多,质量最好,黄色次之,红色的砂中含铁.镁量多易风化成泥,质量较差,不宜使用。

4.施工要求

砂垫层铺设地段应彻底清筛道床,挖除泥浆,按断面要求施工。分别从线路两侧挖出泥砟,削去路基面的泥浆层,清除道砟陷槽,做好路基面横坡,按规定断面铺设砂垫层,并夯拍密实。然后回填道砟,再清筛下一孔。施工的基本程序如下:

(1)按《普速铁路工务安全规则》规定的防护办法设置防护;

(2)扒出道砟、削去基面泥浆、清除道砟陷槽,做好路基面横坡;

(3)铺设砂垫层,并夯拍密实;

(4)回填道作,整修线路;

(5)加固线路,整理现场,消灭路肩外高内低及沟墙挡水,清理排水设施;

(6)开通后,按规定的限制速度放行列车,阶梯提速。

5.养护要求

铺设砂垫层后,应经常保持完好状态,定期对道床进行轮筛,轨枕头的土垄及道床的污物尘土应及时清除,保持道床良好的弹性和排水畅通。

(三)单独整治

对较严重的基床病害,可提报路基大修件名来单独处理。处理的方法很多,主要分为两类:一类是在基床范围以外进行增设排水系统,以引走地表水和降低地下水位;另一类是在基床范围内进行整治病害,例如设置封闭层,基床换土,切开路肩、设纵向或横向渗水沟等。

1.封闭层

在基床表面用掺合料铺设的隔层叫做封闭层,主要作用是隔离地表水,使之不渗人基面,从而防止和减轻基床表面层的软化和风化,阻止泥浆上冒污染道床,并在一定程度上加固基床。封闭层最适用于风化岩石基面翻浆和土质基面浆翻。

封闭层的铺设长度应包括全部病害地段,并向各端至少延伸5 m。在堤、堑交界处、土质与石质基床交界处及换掺合料交界处应设置沉降缝,在路堑地段需同时考虑排水设施。最常用的封闭层材料为石灰掺合料。

2.基床换土

用其他填料更换基床中不良土壤,以改善基床土质的性能,提高地基承载力,叫基床换土。基床换土能有效地治理挤出,道砟沉陷等病害。

换土时,应将变形深度内的士全部挖出,其下卧层土质应达到规定的强度指标,对地下水引起的路基病害,应做好降低地下水位的处理。

换土可根据其填料的不同,分为黏性土、砂及其他掺合土。

(1)换黏性土:一般用于需排除地表水的地段,基本断面如图9所示。换土的顶部做成标准拱或人字坡,上铺一层厚10 cm 的砂垫层。换土层与下卧层的接触面一般做成水平或1:20的人字坡。换填的黏性大,限用液限<32,塑性指数<12,而且土中小于0.5 mm颗粒的重量不得小于总重量的70% ,而j小于0.05 mm颗粒的重量又不得小于0.5 mm颗粒重量的70%,当换土的深度大于50 cm时,基面50 cm以下可选用当地较好的土。

(2)换砂:一般适用于地下水丰富,而且对基床有直接影响的地段,换砂的深度应考虑侧沟的深度。侧沟底部应低于砂层底部标高,如换床深度太大,可考虑下部填掺合土。基本断面形式如图10所示。

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图9 黏土换床示意(单位 cm)                                               图10 黄沙换床示意(单位 cm)

换砂宽度以4 m,深度不超过1 m为宜。砂层两侧均应设0.2 m宽碎石反滤层,反滤层外应设不小于0.8 m宽干砌片石路肩(并用M10砂浆抹面)。路堑地段设浆砌片石水沟,沟底标高应低于砂层底标高0.3 m以上。

所换的砂可用砾砂及粗砂,困难条件下可用中砂,但不得用细砂与粉砂。

(3)换掺合土:掺合土是用石灰、砂、黏土等材料按一定比例配置而成,目前我国使用较多的是石灰砂黏土和石灰黏土。石灰黏土的常用配合比(重量比)为石灰:砂:土=1:1.5:10,石灰黏土的配合比(重量比)为1:10。拌和时加水量以最佳含水量为宜。石灰、砂、土等材料质量要求与拌和方法可参照掺合料封闭层。换掺合土的基本断面形式如图11所示。掺合土的厚度不少于20 cm,底部做成1:20的排水坡,地表水丰富地区可适当加大坡度,但以不大于1:10为宜,地面上应铺设砂垫层。

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图11 换填掺料王(单位:m)
1—砂垫床;2—掺料土;3-砌石侧沟

①基面下50 cm以内,N≥4.5(N为小型贯入仪的击次);

②基面下50~150 cm,N≥3;

③基面下150 ~ 300 cm,N≥2.5。

换人掺料土施工的压实标准K=0.91,初期强度N≥4.5,后期强度N≥15。

(4)换床施工可参照砂垫层和封闭层施工方法进行,应注意如下事项:

①换填粉性土及掺合土时,应分层填筑夯实,每层以不大于20 cm为宜。基面应做成路拱。换黏性土时宜加2 cm的沉落量,换填砂时,应往砂中洒适量水拌匀,并夯实。

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