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        铁路路基病害类型_机理及检测与整治技术

        1004 9665 /2005 /13( 02) 0195 05 J ournal of E ngineering G eology

        工程地质学报

        铁路路基病害类型、 机理及检测与整治技术

        摘 要

        *



        张鸿儒
        北京 100044)

        ( 北京交通大学

        针对既有铁路的特点 , ?#27835;?#20102;常见铁路路基病害的类型、 机理; 提 出路基病害 的检测应运 用现代化 检测工具, 采用原

        位和区段测试相结合 的方法; 针对路基病害整治技术的 复杂多 样, 整治具体 路基病 害的困 难性, 指出 了铁路路 基病害 智能管 理系统能较好地解决 此问题。 关键词 既有铁路 路基病害 检测 整治 ?#22411;?#20998;类号: U 213 文献标识码: A

        TYPES AND M ECHAN ISM S OF ROADBED DEFECTS IN EX IST ING RA IL W AYS AND THEIR DETECT ION AS W ELL AS TREATM ENT
        PENG H ua ZHANG H ongru
        ( B eij ing J iao tong University, Beijing 100044)

        Abstract Based on the feature of the ex isting rail ay the authors analyze types and m echan ism s of roadbed de w , fects T he authors then presen t a new m ethod in detection of roadbed defects w hich com b in es the spot detection . , and section verificat io n usin g m odern equ ip en. Consid ering com p lex ity of m easures for treatm ent o f roadbed de m t fect io n as w ell as difficulties in their i plem entation th e autho rs conc lude that an in te llig ent m anagem ent system o f m , ra il ay roadbed defects w ill be a very e ffect iv e tool in assessin g ra ilroad roadbed defects and selectin g appropriate w m easures for trea t en. m t K ey w ord s Ex isting rail ay Roadbed de fects Detect io n M echanism s w , , , 车重复荷载引起的动应力还很大, 近年?#27492;?#30528;重载

        1 引



        及提速列车的大量开行, 路基负荷发生了较大变化, 路基内应力水平、 分布状态和 作用方?#36739;?#33879;改 变, 原有动态平衡被破坏, 逐渐产生病害或使已存在的 病害更加?#29616;? 使 重载或提速得 ?#22351;?#21487;靠保证, 为 此, 在对线路提速改造或重载化之前, 需要针对不同 的提速区段彻底整治路基病害。

        铁路路基是一条带状结构工程, 沿线经过的地 质条件差别较大, 填料也 不均匀一致, 加之由于技 术、 经济以及施工等方面的原因, 填料、 结构设计以 往采用?#31995;?#30340;技术标准, 施工往往要求不严, 从而 导致各种病害的产 生, ?#29616;?#24433; 响着列车 的安全运 行。此外, 以往基床填料基本上都是土质, 压实系数 小, 弹性模量小, 设计厚度也偏小, 在此?#27573;?#20043;外, 列

        2 铁路路基病害类型、 特性与机理分 析

        *

        收稿日期: 2004- 08 - 02; 收到修改稿日期: 2004 - 10- 16 . 第一作者简介: 彭华 ( 1971- ) , 博士, 主要从事铁道工程和岩土工程. Em ai:l [email protected] vip. sina. com

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        2 1 铁路路基病害类型、 . 特性 铁路路基病害按路基断面形状可?#27835;?#36335;堤病害 与路堑病害两类; 按发生的部位可?#27835;?#22522;床病害、 路 基本体病害和地基病害 3种类型; 按表现?#38382;?#21487;分 为翻浆冒泥、 下沉、 挤出变形和冻害 4类。 基床表层 是路基直接承受线路上部荷载的部 分, 其作?#26790;?#22686;强路基的强度和刚度, 使路基更加坚 固、 稳定, 并在列车通过时将路基的弹性变形控制在 一定的?#27573;?#20043;内; 使扩散到基床底层的动应力不超 过基床的临界动应力; 防止道碴压入基床和基?#37319;?进入?#26469;? 防止雨水从路基顶面浸入路基; 防冻。为 此要重点关注基床表层部位的路基病害。 翻浆冒泥一般易发生于基床土质不符合要求的 部位, 其发?#26500;?#31243;一般分 为道心积水阶段、 冒砂阶 段、 局部翻浆冒泥阶段、 区段 ( 或通长 ) 翻浆冒泥阶 段 4个阶段。 下沉主要 是路基填筑密度?#36824;?#21644;强度不足所 致。表现?#38382;?#26377;路基下沉、 道碴囊或道碴袋。 挤出主要是土体强度不足而产生的剪切破坏或 塑性流动, 表现?#38382;?#26377;路肩隆起、 侧?#24403;?#25380;等。 冻害发生在寒冷地区, 如路基土为透水性较差 的细粒土, 当含水量较高 或基面积水, 在冻结过程 中, 土中水重?#36335;?#24067;和聚集形成冰块, 又引起不均匀 的冻涨现象。 尽管路基病害表现?#38382;?#22810;样, 但产生路基病害 的原因则主要是土质不良, 压?#24471;?#24230;不足和排水不 畅等, 病害产生的具体原因见表 1。
        表1 T ab le 1
        病害类型 翻浆冒泥 下 外 冻 沉 挤 害

        观测表明, 在列车?#31181;?#33655;载的重复作用下, 路基 的渐进破坏主要表?#27835;?#36807;大的塑性变形, 这种塑性 变形的累积到一定程度将会使路基填土产生塑性流 动, 并产生路基病害。研究表明: 产生这些病害 ( 破 坏 ) 的原因在很大程度上依赖于路基土在循环荷载 作用下的抗剪强度特性, 而后者与土的饱和度密切 相关
        [ 1]

        。随着饱和度的增大, 土的动强度 ( 即经过

        若干次循环加载后仍处于 稳定状态的最大 偏应力 比 ) 将显著降低。处于轨道?#36335;?#30340;路基土因反复受 到挤压和固结而产生过大的累积塑性变形, 从而形 成所谓的道碴?#21491;?#21450;枕木?#36335;?#30340;积水坑。尤其是在 雨季, 基床填土含水量达到饱和状态, 动强度显著减 小, 从而使?#26469;?#24037;作性能?#26412;?#19979;降, 甚至会导致线路 产生?#29616;?#30340;不平顺而影响行车安全。 不同的病害中路基填料、 等各种因素影响程 水、 度不同。在产生路基病害的这些因素中, 有些是不 能改变的, 如列车荷载。要消除路基病害, 只能改变 ?#20999;?#21487;以变更的因素。

        3 路基病害检测
        为了对路基病害进行合理整治, 必须?#26082;?#26816;测 病害状况, ?#27835;?#30149;害成因。 根据铁路既有线的特点, 路基检测应不干扰行 车或少干扰行车, 为此需采用的检测手段应力求准 确、 可靠、 快速, 从而为将来整治工作提供?#26082;?#21487;靠 的信息。可采用轻型动力触探、 地质?#29366;|?瞬态面波 法和取土试验等多?#36136;?#27573;对线路进行试验检测, 具 体步骤和方法如下。 ( 1)典型地段开挖横沟, 了解路基的?#36127;?#29305;性。 ( 2)采用探地?#29366;?#27861;和瞬态面波法对试验区段 内的路基进行大面积的扫描检测。 探地?#29366;?#27861;具有直观?#20174;车来布负?#24418;态、 表层 分辨率高的优点, 可以探明路基结构的分层; 探测路 基病害类型、 程度和具体位置, 用于?#27835;_来病?路基 各个土层的地质情况; 探地?#29366;?#27979;出的结果是基床 的电性?#38382;? 而无法给出路基的力学特性。而瞬态 面波法表层状况由于石碴的散射和高频信号的限制 不能精确的?#20174;? 探地?#29366;?#26041;法可弥补瞬态面波法 的不足。瞬态面波方法对在 土中频散曲线 比较平 滑, 能够?#26082;从?#36335;基土的力学?#38382;?#38543;深度的变化, 测试的深度也比较深, 也正好弥补了探地?#29366;?#26041;法 不能?#20174;?#36335;基土的力学?#38382;?#21644;测试深度浅的不足。 在路基病害测试中, 最关 心的是路基表层 ( 有无陷

        路基病害产 生的具体原因 Spec ific cause for roadbed de fects
        病害产生的原因

        路基土体土质不良是前提条件; 气温和水是 促成 的必要条件; 列车动力作用起到加剧作用。 地基松软; 路基填筑密度?#36824;察?路基土体强度不足。 土冻结时的水分 迁移; 地下水 的影响; 土的冻 胀 程度还取决于温度变化条件。

        2 2 路基病害产生的机理 . 路基病害 的产生和发展与路基填料的工程性 质、 地表水与地下水、 列车振动荷载、 土的动力强度 的特性和温度及其变化有关。主要是路基填料、 水、 列车荷载和温度变化等各项因素综合作用的结果, 各种因素之间又相互关联。

        彭华等: 铁路路基病害类型、 理及检测与整治技术 机

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        槽、 碴囊 )和其下路基土的?#24615;?#33021;力, 所以两种方法 结合, 优势互补, 正好能够达到路基的测试目的。 ( 3) 对路基强度、 刚度等?#38382;?#26041;面 的?#27835;?#37325; 型动力触探主要?#20174;?#36335;基土的力学性能, 是以击数 - 1 10cm 来?#20174;?#36335;基各个位置的力学性能指标, 击 数越高?#24471;?#22303;质性能越好, 强度也越高, 可以从不同 深度位置来测试出不同深度下土的力学性能以?#27835;?路基状况。轻型动力 触探与重型动 力触探原理相 - 1 似, 只是后者以击数 30c 来?#20174;?#36335;基各个位置 m 的力学性能指标。 针对既有线路的特点, 对既有路基测试的应遵 循原位 ( 动力触探 ) 和区段测试 ( 地质?#29366;|?瞬态面 波法 )相结合的测试方法, 这样可对既有路基的状 况做出一个综合的评价, 为路基病害的处理提供基 础资料。 [ 2] 图 1为?#36710;?#22411;地段路基病害检测成果图 , 图 中粗点区表示允许限速 45 km 许 限 速 60km
        -1 - 1

        构设计 ) 、 提高路 基强度 和刚度 ( 改善 路基结 构设 计 ) 这几个 方面入手, 常用路基病 害处理方法的原 理及主要应用?#27573;?#35265;表 2 。
        表 2 常用路基病害处理方法 的原理及应用?#27573;?T able 2 P rinc iples o f co mmon treatm ent m ethods and the ir application
        处理方法 换填法 水泥土 挤密桩 压力灌浆 化学加固 土工合 成材料 注: 标注 者代表具有此功能。 改变路 基填料 改变填 料结构 防止水 提高路基 主要应 各类病害 下沉类 挤出类 除冻害类 除冻害类 各类病害 分侵入 强度和刚度 用?#27573;?br />
        h , 三角区表示允
        -1

        -1

        总之, 要处理路基病害应按以下步骤进行。 ( 1)首先需要检测路基病害, 判断路基病害的 类型、 发生的部位及规模大小、 ?#29616;?#31243;度; ( 2)对产生病害的主要原因?#27835;? 填料、 水分侵 入、 强度不足; ( 3)对拟采取的措施: 应采用技术上可行 ( 控制 病害产生 原因 ) 、 经济上合理的方法。需要 ?#24471;?#30340; 是, 对同一种病害可以采取不同的处理方法, 同一处 理方案的具体设计?#38382;?#20063;可能相差很大, 这?#24471;?#30149; 害处理技术的复杂多样性。 各种方法具体处理措施如下。 4 1 . 换填法

        h , 小 点 区 表 示 允 许 限 速 80

        k m h , 其余地区表示允许限速 100 km h , 图 中曲线所列数值为不同深度的基床?#24615;?#21147;值, 单位 为 kP a 。

        图 1 F ig 1 .

        典型地段路基病害检测成果 in a typical section

        对于容易发生下沉外挤或深陷槽病害的软弱基 床, 可采用基床表层换填的整治方案。换填厚度视 软弱层厚度而定, 一般为 50~ 60cm。 病害一般地?#20301;?#22635;料可为级配良好的碎石土或 中粗砂, 或在原基床土中掺入改良土壤工程性质的 材料后形成的改性土。换填方法不仅提高基床表层 强度, 还可以防治基床翻浆冒泥病害。病害?#29616;?#22320; ?#20301;?#22635;料可采用石灰土、 水泥土、 P. T 固化剂土、 P. 粉煤灰土等。 基床表层换填是比较彻底的方法, 但是由于换 填基床表层的施工需采取封锁线路揭盖施工或架空 轨道限速行车施工的方法, 且施工速度较慢, 若地段 长, 对行车干扰大。 4 2 . 水泥土挤密桩加固法 水泥土挤密桩加固法是加固饱和粘性土的一种

        T he de tection resu lts o f roadbed de fects

        4 路基病害整治技术
        路基病害的治理办法有很多, 如压力灌浆法、 改 良基床土质、 土工合成材料加固和封闭基床等等, 但 不同铁路线路、 同一线路的不同区段的路基填料不 尽相同, 产生路基病害的部位、 原因不同, 必须针对 各种病害的特点, 采用切实可行的措施, 否则, 病害 会重新出现或出现新的病害类型。 路基病害的整治应从路基填料 ( 改变其填料类 型、 改变填料的成分 ) 、 防止水分侵入 ( 改善路基结

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        ?#36335;?#27861;。它是利用水泥等材料作为固化剂, 由于固 化剂和土间产生的一系列的物理化学反应, 使土硬 结成具有整体性、 水稳定性和一定强度的水泥加固 土, 从而提高地基强度和增大地基变?#25991;?#37327;。 加固后挤密桩复合地基?#24615;?#21147;标准值应通过现 场复合地基载荷试验?#33539;? 也可按下式计算: f sp, k = m R + Ap
        d k

        浸入基床土。对病害?#29616;?#22320;段, 单纯治水是?#36824;?#30340;, 还应考虑提高基床的整体稳定性, 宜选用土工格栅 或土工格室。土工格栅与土体的作用机理是: 格栅 通过与非粘性颗粒的摩擦咬合作用, 约束了土体的 侧向变形, 增强了土体的抗剪强度, 并能将承担的荷 载分担到更大的?#27573;? 从而避免产生道碴陷槽, 使荷 载分布更加均匀。土工格?#39029;?#20855;?#22411;?#24037;格栅加强土 体的作用外, 其特殊的蜂窝状三维结构、 格?#20063;?#21521;限 制及与土的摩擦力可大幅提高土体的?#24615;?#21147;, 消除 因?#24615;?#21147;不足而引发的病害。 大秦线某处的高填路堤, 路基填料为粘性土, 亲 水性强, 透水性差, 针对翻浆冒泥、 路基边坡外鼓、 路 [ 4] 肩坍塌病害采用了图 2所示的处理措施 。

        ( 1 - m ) fs, k

        式中: f sp, k 为复合地基?#24615;?#21147;标准值 ( kP a) ; m 为面 积置换率 (% ); A p 为桩的截面积 ( m ); fs, k 为桩间 天然地基土?#24615;?#21147;标准值 ( kPa) ; 当桩端土为硬土时, 可取 0 1~ 0 4 . . 。 4 3 压力灌浆法 . 压力灌浆是通过钻机, 并利用注浆设备, 分层均 匀地将浆液注入路基土体中, 以充填、 挤密和渗透的 方式, 排出?#37327;?#31890;间的?#20005;?#20013;的水和空气, 并?#23395;?#20854; 空间, 使路基土体孔隙比减小, 强度提高。这种方法 不破坏持力层上层结构, 经过压力注浆加固后, 路基 岩土强度、 胶结性能、 整体性、 ?#24615;?#21147;?#19978;?#33879;提高, 从 而使路面、 路基下沉、 滑动被基本控制。同时阻隔了 地下水对填方土体的渗透, 提高了土体的防渗、 防侵 ?#30784;?抗破?#30340;?#21147;。 压力灌浆法不需要大量开挖、 回填、 碾压, 返修 工作量不大, 占用施工场地较小, 不会影响列车运行 ?#20063;?#20316;技术简便, 所需施工设备不多, 经济适中, 工 期较短。 4 4 化学加固法 . 化学加固着眼于提高土体本身的工程性质。依 据原土的物理及化学构成和工程条件的不同, 可以 选用不同的加固材料和施工工艺, 使加固材料和原 土发生完全或部分 的混合, 产 生一系列 复杂的物 理、 化学反应, 从而使土体的?#24615;?#21147;、 密实度和耐水 性都得到较大提高。 化学加固法加固效果的好坏除与方法本身的针 对性及各项工艺?#38382;?#30340;选择有关外, 更大程度上取 [ 3] 决于注浆和粉体加固材料的性质、 配比及用量 。 4 5 . 土工合成材料法 为桩间土?#24615;?力折减系数。当桩端土为软土时, 可取 0. 5 ~ 1. 0 ;
        2

        图 2 F ig 2 .

        土工防水膜板与土工格栅整治断面 C ross- section treated w ith w ater- proo f m e brane boards and geogr ids m

        需要注意的问题是, 尽管病害整治的方法很多, 但没有哪种方法是万能的, 必须针对病害的实质采 取相应的处理技术, 才能从根本上消除病害, 但这在 ?#23548;?#20013;, 往往是很难做出?#26082;?#21028;断的。

        5

        铁路路基病害智能管理系统
        我国地域辽阔, 铁路路网分布很广, 铁路部门每

        年?#24230;?#22823;量的人力、 物力用于整治各种路基病害, 有 的效果明显, 有的不太理想, 路基病害的处理方法也 很多, 不同的方法有不同的应用?#27573;? 经济?#24230;?#24046;别 很大, 为此, 需要建立全路路基病害管理数据库, 达 到信息共享、 ?#35797;?#20849;享、 辅助决策的目的。该系统具 有智能管理功能, 在统计以往路基病害成功和失败 经验教训的基础上, 能为路基病害的合理处置措施 [ 5] 提出建议 。 它是以 V isua l F oxpro数据库管理系统和人工智 能系统为核心系统, 包括系统管理、 数据库管理, 数

        土工合成材料具有原料丰富、 质轻、 强度高、 抗 变?#25991;?#37327;大、 ?#36879;?#34432;等优点, 对基床水源多为大气降 雨的病害, 宜选用不透水的土工防水膜板, 可防止水

        彭华等: 铁路路基病害类型、 理及检测与整治技术 机

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        据?#27835;?数据统计、 辅助决策等功能子系统的信息管 理系统。核心系统的功能是数据库管理和辅助决策 系统, 其程序流程如图 3所?#23613;?br />
        图 4 F ig 4 .

        辅助决策子系 统结构图 B lo ck diag ram of the ass istance dec ision sub- sy stem

        图 3

        路基病害智能管 理核心系统流程图

        F ig 3 B lock diag ra of the in tellig ent m anage en t . m m core syste for treatm ent o f ra il ay roadbed de fects m w

        是填料、 还是水分的侵入, 才能对症下药。 ( 3) 做好路基病害整治的后评价工作, 以便积 累成功经验和教训。 在充分?#27835;?#26082;有路基病害现状的基础上, 结合 铁路路基病害智能管理系统智能辅助决策系统, 相 信能得到技术可行、 经济合理的处理措施。

        ( 1) 病害数据库管理子系统。数据是管理的前 提, 数据管理是整个系统的基础。数据库管理子系 统涉及基础数据、 路基病害数据、 其它数据等三大类 数据。基础数据包括线路等级、 机车车辆类型、 运行 速度、 路基设计标准、 填料类型等; 路基病害数据资 料包括病害部位、 类型、 病害处理详细方案; 其它数 据主要包括经济指标、 治理效果的跟踪调查数据等。 该子系统可进行这些数据的输入、 修改、 查询、 统计、 打印等数据管理功能。 ( 2)辅助决策子系统。该子系统运用专家系统、 数据库管理系统与决策系统, 形成智能型决策支持 系统。该子系统能对各?#20013;路?#36335;基病害进行?#27835;?#30740; 究, 根据病害发生的类型、 部位、 填料、 经济指标等因 素的?#27835;? 经过?#27835;?#27604;较给出相应的处理方案建议。 此外, 该系统具有自学习的功能, 这样随着学?#25353;问?的增加, 该系统的建议将更加合理、 科学。辅助决策 子系统结构见图 4 。
        [ 3] [ 2] [ 1]









        钟辉虹, 汤 ?#24471;? 黄 茂松. 铁 路粘 土 路基 动 力特 性 试验 研究 [ J] . 西南交通大学学报, 2002, 37 ( 5) : 488 ~ 490 . Zhong H u ihong, et a. . D ynam ic perfor an ce of clayey railroad l m subgrade. Jou rnal of S outhw est J iaotong U n ivers ity, 2002 , 37 ( 5 ) : 488 ~ 490 . 华剑飞. 物探技术在路 基病害检 测中的应 用 [ J] . 铁道 标准设 计, 2002, ( 7) : 56 ~ 58 . Hu a Jian fe, A pp lication of ob ject- d etect ion technolgy on detec i t ion of roadb ed defects R a il ay stand ard des ign, 2002 ( 7 ) : 56~ . w , 58 . 祝和权, 杨殿文. 铁路路基病害整治及化学加 固材料研究进展 [ J] . 中国铁道科学, 2000 21 ( 2) : 35~ 40 , . Zhu H equ an et a. . T reat en t of rail ay roadbed diseases and , l m w the p rogress of study on chem ical stab il iz ing reagen t Ch in a rail ay . w science, 2000 21( 2) : 35~ 40. ,

        6

        结束语
        铁路路基填料的构成差异很大, 造成病害的原

        [ 4]

        刘林昌, 王金玉. 土工合成材料在大秦线路基 病害整治工程中 的应用 [ J] . 铁道标准设计, 2003, ( 1) : 33~ 34. L iu L in chang, et a. , A pp licat ion of geogrid s on roadbed defects l of D aQ in ra il ay. R ail ay standard design 2003, ( 1) : 33~ 34. w w ,

        因也各不相同。为此, 针对不同地区、 不同的路基病 害采用不同的整治方法, 有时需要同时采取多种措 施, 要做到根治病害, 必须因地制宜, 因病施治。要 彻底整治好病害, 需要做好以下几项工作: ( 1) 采用先进手段, ?#26082;?#21028;定路基病害发生的 部位、 类型及规模大小等。 ( 2) 判定产生路基病害产 生的具体原因, 具体

        [ 5]

        苏艺, 许兆义, 王连俊等. 青藏铁路路基加宽 的变形特征研究. 工程地质学报 [ J] , 2003 11( 3) : 288~ 296 , . Su Y ,i Xu Zhaoy, W ang L ian jun et a. . S tudy on defor ation i l m characteris tics of w id ened roadb ed of Q ingh ai- tib et rail ay Jour w . nal of Engin eering G eology, 2003, 11( 3) : 288~ 296.



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