时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：大包铁路为客货混运重载铁路，从2010年开始运量已达2亿吨以上。随着万吨大列的开行和运量的急骤增加，路基病害发展显著增加，设备质量状态恶化。为解决大包线路基在客货混运重载运输条件下的长期适应性问题，对呼和浩特铁路局(以下简称：呼铁局)管内大包线路基病害进行了现场调研和分析，结合利用动态测试的试验数据，对路基在重载运输条件下的适应性进行了综合分析，并提出相应的强化措施。
关键词：交通运输职称论文,职称论文发表,重载铁路,路基,分析,研究
1 概述
大包线呼铁局管辖里程正线约421km，是客货混运重载线路，客车最高速度为120km/h。2007年开行轴重为25吨的C80重载列车，目前大包上行线日开行万吨大列30-50对。图1-1为大包线上行方向历年通过总重统计图，大包铁路上行线年运量、牵引质量全部达到重载铁路的标准。而国外主要重载铁路及国内的其他两条重载铁路(大秦铁路、朔黄铁路)均为货运铁路，大包铁路运输模式与其他重载铁路相比明显不同。
路基存在的主要病害是冻害、路基下沉、翻浆冒泥等。冻害主要影响时间为12月至次年4月，持续时间长达5个月，在每年4月左右，会出现路基翻浆冒泥病害，主要发生在桥头过渡区路基、道岔区路基以及区间不良状态路基段。大包线沿线属于中温带大陆性季风气候，为干旱少雨的地区。沿线年降雨量不多，路基填料细颗粒含量较多，渗透性较差。因此，路基出现病害主要是由于填料本身特点所致。
2动态测试分析
为了分析路基对客货混运重载运输方式的适应性，利用C80万吨大列进行实车运行试验。
2.1一般路基段测试
(1) 路基动应力测试分析
在测试过程中，测得机车作用下基床动应力范围为54.3～58.7kPa，平均值为56.4kPa;货车作用下基床动应力范围为59.5～69.2kPa，平均值为63.0kPa;客车作用下基床动应力范围为33.5～42.8kPa，平均值为38.3kPa。
(2) 路基动变形测试分析
在测试过程中，测得机车作用下基床动变形范围为0.41～0.44mm，平均值为0.43mm;货车作用下基床动变形范围为0.62～0.65mm，平均值为0.64mm;客车作用下基床动变形范围为0.20～0.23mm，平均值为0.22mm。
2.2不良状态路基段测试
(1) 路基动应力测试分析
在测试过程中，测得机车作用下基床动应力范围为44.6～50.3kPa，平均值为47.3kPa;货车作用下基床动应力范围为60.6～69.2kPa，平均值为64.7kPa;客车作用下基床动应力范围为33.6～43.9kPa，平均值为39.0kPa。
(2) 路基动变形测试分析
在测试过程中，测得机车作用下基床动变形范围为0.52～0.57mm，平均值为0.54mm;货车作用下基床动变形范围为0.79～0.89mm，平均值为0.82mm;客车作用下基床动变形范围为0.24～0.31mm，平均值为0.28mm。
2.3过渡段测试
在路基动变形测试过程中，测得机车作用下基床动变形范围为0.45～0.67mm，平均值为0.53mm;货车作用下基床动变形范围为0.65～0.77mm，平均值为0.71mm;客车作用下基床动变形范围为0.22～0.31mm，平均值为0.27mm。
2.4各路基工况动变形测试结果对比分析
2-1各测点动变形对比
路基动态测试结果表明：在货车通过时，路基动应力水平在59.5~69.2Kpa之间，一般路基的动变形范围为0.62~0.65mm，状态不良路基的动变形值范围为0.79~0.89mm。过渡区段的测试结果表明，货车作用下基床动变形范围为0.65～0.77mm;其动变形与一般路基相比略有增加。结合实际观测表明，状态不良路基出现过冻害、翻浆冒泥病害，其表层不密实、含水量大，动变形的明显增加，路基的刚度降低，道床、轨道和道岔处于不良工作条件下。
3 室内试验分析
大包线路基冻害与填料关系密切。因此，选取大包线典型填料进行室内试验。
3.1颗分试验
土的粒径组成是指固体颗粒形状、大小以及他们之间的互相结合关系。这些组合关系决定着土体的结构特征。根据土颗粒同水相互作用关系可以确定各类土的冻胀变形能力与特征。研究资料表明，土颗粒的大小对土体冻胀有着显著影响，不同土颗粒大小反映出土粒表面力场的差异性。这种表面效应指标是粒径的比表面积。粒径由大变小，其比表面积由小变大，与水相互作用的能量也越高。这种差异性直接影响着土冻结过程中水分迁移能力的差异，并导致冻胀变形特征各不相同。颗分曲线如图3-1所示。颗分结果表明大包线路基填料，细颗粒含量高。
3.2渗透试验
渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数K的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法(包括实验室测定法和现场测定法)或经验估算法来确定K值。本次渗透试验的目的就是测试各种土的渗透性，为填料的冻胀特性分析提供依据。试验采用变水头渗透仪进行渗透试验，试样直径61.6mm，高40mm。
试验结果见表3-1。典型填料的渗透系数较小，填料透水性差，渗入路基土中的水分不易排出路基，使得土体中含水量高，在低温情况下易产生水分迁移，不利于达到路基防冻胀要求。#p#分页标题#e#
3.3冻胀试验
冻胀验装置主要由试样盒、低温恒温箱、温度控制装置、试验内部温度与变形监测系统组成。试样φ15cm 、h=15cm，在冷冻室降温，在冷冻过程测试内部温度与变形。
大包线路基的压实度不高，填料的平均冻胀率为3.1。根据内蒙古地区土的特点，冻胀量能够达到50mm左右。
4 轻型动力触探现场测试分析
现场选取10个有代表性的测点进行轻型动力触探现场测试，为提高其对地层的分辨率，采用贯入10cm计数，并将该击数扩展为30cm深度的击数的特征值来计算路基的基本承载力。
在大量的既有线轻型动力触探试验数据的基础上，提出既有线路基基床的轻型动力触探在深度范围内的经验曲线(见图4-1)。考虑到既有线道床厚度各处存在差异，将所有的轻型动力触探试验的标高都统一到轨道顶面，统计得出路基状态良好时的触探曲线包络线。
针对大包铁路路基的具体情况、运营现状及既有线路基检测的经验，采用上述思路对其路基承载力状况进行评估。
大包线目前运营列车轴重普遍为23t或25t，根据路基面动荷载的经验公式
其中 —机车轴重，kN;
—行车速度，km/h。
轴重为23t及25t的大包线路基轻型动力触探参考曲线见图4-2所示。利用该方法对10个测试测点进行分析，见图4-3所示。
对所有测点进行综合分析表明，路基面以下1.5m深度范围内轻型动力触探指标偏低，部分测点1.7～2.6m深度范围内存在软弱薄夹层。
4.1雷达探测分析
2011年5月26至5月28日对大包线部分区段进行路基地质雷达探测。
4.1.1路基下沉
雷达图像表现为基床表层反射的同相轴发生明显的弯曲下沉或同相轴中断不连续，有时是时断时续，如砟土混合比较严重其同相轴可能有缺失。典型雷达图像见图4-4。在典型检测区段内，统计雷达测试结果，道床平均厚度为0.49m，路基变形下沉区占3.59%，下沉最大值为21cm。
4.1.2路基冻害
路基冻害探测是从含水量角度出发，重点为基床部分含水情况。由于水的介电常数为81，冰的介电常数为3.2，级配碎石的介电常数在约为6，它们之间介电常数差异明显，反射系数较大，随着含冰水量的增加，雷达波的反射能量、反射振幅也加强，反射频率降低，有时出现反射波多次震荡现象。图4-5为含水量大的路基雷达剖面图。分析结果表明，含水量大的路基段占19.31%;道床普遍存在污染。
5 路基强化措施
综合试验与检测结果，大包线出现病害的不良状态路基、路桥过渡区段、岔区路基，提供的支承刚度偏低，路基表层在列车荷载作用下劣化，易发生病害，在货车长期运营的情况下为薄弱区段。
强化措施：
⑴换填措施：进行基床表层换填，换填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。
换填措施有人工换填与路基处理车换填两种方式，均需在天窗内进行，对运营影响较大。因此应根据路基检测结果，按组织人工换填能力或路基处理车的施工能力分段进行。大包线路基换填厚度一般在1.50m左右，换填措施适用于不良路基段、道岔区路基。桥路过渡区对路基结构的压实要求较高，不宜采用换填措施。
换填措施必须与运营部门协调一致，精心组织施工，准确计算施工时间。
⑵压力注浆：
在既有线上压力注浆主要有花管注浆、高压喷射注浆法。压力注浆是将浆液灌入土中，充填孔隙，改善土体的物理力学性质，形成复合地基以提高承载力。
压力注浆适用于局部病害地段，如路桥过渡段、道岔区段、病害路基。
压力注浆会在加固区形成高压，必须进行严格的控制，加强对加固区路基变形的实时监控，以免发生线路严重上拱现象。
压力注浆时浆液在压力的作用下，沿孔隙与软弱部位优先扩散，容易发生跑浆现象，造成浪费，达不到良好的加固效果。因此，对于浆液扩散路径应进行细致周密地考虑，并应根据填料的性质控制压力。
⑶挤密桩措施
挤密桩措施是用钢套筒定桩位，用取土器成孔，将拌和好的材料分层夯实在孔内将基床水平和垂直方向挤密加固。
挤密桩措施适用于路桥、路隧和路涵过渡段路基，加固效果好，施工工艺、施工机具简单，可以在天窗时间内施工，不影响行车安全。
挤密桩水泥采用普通硅酸盐水泥、中粗砂和现场的土的混合料，施工前可进行水泥：干砂：干土：水的配合比试验，根据现场施工环境条件采用无侧限抗压强度和最佳含水量控制四者的最佳配合比。
依据过渡段的特点和现场加固的要求可以采用逐渐过渡的桩长，例如加固路桥过渡段路基挤密桩的长度从靠近桥台到过渡段尾逐渐减少。
⑷填料快速固化法：
将树脂通过一定的压力渗入路基填料中，在很短的时间内使作用范围内的土体固结成强度很高的复合体。
填料快速固化法首先在加固区埋设注浆钢管，然后采用专用的设备向钢管内注入A、B组份树脂，A、B组份在填料内混合后，在15分钟内迅速固结达到95%强度。完成后拔除注将管。填料快速固化法在线路上的工序少，绝大部分工作可在线路外进行。线路上的工序可独立在不同天窗内进行，因此对天窗时间的要求不多。#p#分页标题#e#
该方法适用于路桥过渡段、道岔区路基、状态不良路基。
填料快速固化法为新材料的应用，在公路上应用效果很好，可在大包线进行试验段应用。
⑸提高钢轨重量措施
钢轨的刚度与其重量有关，提高重量可以提高其刚度，使得列车动荷载在路基上的作用范围扩展，降低动应力的幅值，减小对路基的动载影响。
大包线钢轨重量为60kg/m，在货车通过时，路基动应力水平在59.5~69.2Kpa之间。大秦铁路钢轨重量为75kg/m，在2万吨货物列车通过时测得的最大动应力为45Kpa。可见，提高钢轨重量可减小路基动应力。大秦铁路计算结果表明，采用60kg/m钢轨，路基的动应力比采用75kg/m钢轨增大7.3%。
因此，大包线可通过提高钢轨重量的方式来降低货车动荷载的影响。在大包线上进行不同重量钢轨的试验段试验，测试不同重量钢轨下路基的动应力、动变形，以确定改善路基动应措施的效果。
6.建议
冻害是大包线路基存在的主要问题，重载铁路的冻害必须进行彻底整治。治理冻害决不能盲目，要采用科学的手段，加强对路基冻害区段的观测与检测，充分掌握成因与发展规律，逐步进行强化处理;建议开展路基冻害整治关键技术的研究，对路基冻害进行专项整治。
参考文献：
[1] 铁道部工程管理中心.客运专线铁路路基质量检测技术要点手册.中国铁道出版社,2009年
