粉質黏土路基邊坡病害整治方案的探討

胡東波 上海鐵路局阜陽工務段

阜陽工務段管內京九鐵路K718+300-K742+000屬粉質黏土路基地段，每逢汛期，路基邊坡沖刷、坍塌等病害頻頻發生，病害發生速度快，嚴重危及行車安全。

1 粉質黏土路基邊坡的病害特點及分析

1.1 粉質黏土路基邊坡病害的特點

該地區粉質黏土內摩擦角11°～32°，內聚力16kPa～38kPa，土體的滲透系數約 2×10-3cm/s。

主要病害有邊坡沖蝕、坍塌等。邊坡沖蝕、坍塌是指受降雨影響造成坡面沖刷成雞爪溝或表面溜坍，進而發生大面積塌方的現象。

其特點：（1）均在汛期集中暴雨而發生；（2）病害發展速度快、分布范圍廣，對行車威脅大；（3）因病害點多面廣，整治費用高；（4）在新線設計和既有線病害整治時，由于未考慮粉質黏土的特殊性，常規加固方案不能根治病害。

1.2 粉質黏土的病害成因分析

1.2.1 坡面沖蝕

路基邊坡抗沖刷性與許多因素有關，決定因素是顆粒間聯結強度，聯結強度決定于水膠作用力和分子作用力。因粉質黏土中決定顆粒內聚力大小的蒙脫土、水云母等黏粒含量低，致使土顆粒間聯結強度較低，抗沖刷極差。當汛期雨強達某值時，首先雨滴沖擊破壞土顆粒間脆弱的聯結，降雨在坡面形成的水流也會沖擊并帶走土顆粒，坡面形成道道沖溝。綜合影響粉質黏土沖刷性的內外因素，可以下式表示：

D=f（C，tgα，L，I，P）

式中：D-沖刷程度；C-內聚力；α-坡度；L-坡長（m）；I-雨強（mm/min）；P-植被覆蓋率。

根據土壤學研究，土體沖刷與邊坡坡率（tga）的立方成正比。坡面流量（Q=0.006LI）則決定于坡長和雨強。當坡面長降雨大時，匯集的水量越大，水流的末速度相應大，故沖刷力就強。當坡面有較好的植被時，則可減緩雨水對坡面的沖刷作用。

1.2.2 滲透破壞

水對土的滲透作用可分為靜水壓力和動水壓力兩部分，其中靜水壓力所產生的浮力雖不直接破壞土體，卻使土體有效重量減輕而降低土體抵抗滲透的能力，是一種消極破壞力，單位土體的浮容重：γb=γ（1-n）（G-1）

其中：G=γs/γw；γs，γw 分別為砂、水的容重；n為孔隙率。

動水壓力所產生滲透力與滲透破壞程度直接相關，是積極破壞力，滲透力f=γ/J（J為水力坡度）。

土體受滲透力頂托，土粒一經松動，土粒間摩擦力和內聚力可忽略不計，當背水路堤坡腳發生流土時，坡腳首先軟化失穩，從而導致路堤坍塌。

1.2.3 潛蝕破壞

邊坡坍塌是粉質黏土路基在汛期雨季易發生的的水害，它是集中水流、土的動強度衰減和振動液化的結果。

基床表層中單元土體的強度在列車荷載作用下衰減，而動應力因列車提速而升高，當抗剪強度小于剪應力時，導致基床中單元土體發生剪切破壞，裂隙產生，為水在基床表層中下滲提供了通道。發生振動液化的自由水具有較高的水壓力，對周圍土顆粒有滲透和劈裂作用，從而破壞了土顆粒間聯結。同時，承壓水在尋找出水路徑以消散空隙水壓力。當出水路徑形成后，自由水流出路堤邊界，并帶出粉質黏土顆粒時，自由水在路堤中滲流的通路逐漸形成，潛蝕破壞開始。

2 粉質黏土路堤邊坡病害的整治措施

2.1 干砌片石護坡

在京九線上行K738+500-K739+500地段，采用干砌片石護坡，下加碎石、滲濾布墊層，該方案主要在高度大于5.0m的路基。

滲濾布具有強度高，耐酸堿，尺寸穩定性好，抗沖擊，抗老化，隔離土體，排水和反濾作用。

2.2 級配碎石護坡

在京九線 K721+900～K729+800地段，采用級配碎石整治路基邊坡沖刷、坍塌等病害，該方案主要在高度小于5.0m的路基。

級配碎石來自采石廠生產的石灰巖道碴，經分篩設備系統加工而成的。其石灰巖的物理力學性能要求如表1。

級配碎石的要求和作用機理：覆蓋厚度不小于50cm，粒徑小于2～5cm的顆粒重量占總重的69.4%～71.9%左右，含灰量（粒徑＜0.1mm）占總重的 9.9%～20.0%，坡度1:1.5～1:1.75。碎石在自重作用下與坡面、地面土體形成平衡體，當降雨時，雨水直接作用在碎石體表面，大大減少雨水對邊坡土體表面的直接沖蝕，雨水與坡面以滲透方式接觸；而石灰巖碎石中的CaCO3粉末遇水與碎石顆粒形成一層反濾、滲水的柔性保護殼，使路基面和滲入的雨水，沿坡面反濾地流出坡腳。

表1 級配碎石的物理力學性能表

2.3 種植香根草護坡

香根草以其獨特的生物特性，一般草本植物無法具備的工程特性以及許多草本植物不及的生態特性，成為優良的水土保持植物。同時由于其深根性，大大提高土壤的剪切強度，而且生態、經濟效益顯著。

香根草根龐大且深扎，剪切強度及穿扎能力強，猶如"土壤鉚釘"，可有效地網絡土體和聚合土體。香根草根的抗張強度是一般鋼材的極限強度的六分之一即75MPa。耐極度干旱和洪澇，適應降雨量200mm～3000mm，適應溫度-15℃～50℃，適應PH值3～11的范圍。該方案主要應用于路基護道等其他方案施工困難的部位。

3 級配碎石顆粒組成的確定

穩定狀態的概念：當降雨量大于常年汛期降雨量時，路基邊坡的級配碎石護坡，經過2～3個汛期的暴雨沖刷作用，始終能保持相對穩定的狀態。

我們在達到穩定狀態的地段對級配碎石進行篩分試驗，分析路基邊坡碎石的顆粒組成，含灰量和容重，從而確定路基邊坡穩定狀態下，對碎石的級配要求。

碎石篩分結果見表2[1],[2]，穩定狀態下的碎石級配曲線見圖1，含灰量與容重的關系曲線見圖2。

表2 碎石篩分結果表

圖1 碎石級配曲線

圖2 含灰量與容重的關系曲線

通過曲線圖和現場穩定狀態分析得出：（1）顆粒較大，含灰量較低，碎石邊坡不能形成柔性保護殼，邊坡處于較穩定狀態；(2)顆粒較小，碎石邊坡能形成柔性保護殼，但易局部產生較深的沖溝和坍塌現象，不利于穩定。

根據以上結果分析，得出最優的碎石級配為[3]：粒徑＞5mm顆粒，占28.1%～31.6%；粒徑5～2mm顆粒，占34.20%～43.3%；粒徑2～0.5mm顆粒，占13.0%～15.0%；粒徑0.5～0.1mm顆粒，占0.1%～0.2%；粒徑組＜0.1mm顆粒，占9.9%～

22%，干容重平均在15.7kN/m3左右。這種級配易形成柔性保護殼，利于表面草皮、紫穗槐等植物生長，邊坡處于穩定狀態。

4 效果分析

從現場加固情況來看，用級配碎石覆蓋方法對路基坡面進行防護處理,與其它路基坡面防護方法相比，有以下幾方面優勢：

4.1 施工簡單

該方案用路用車裝運，人工就地卸車，適當在坡面均勻、整形、夯拍，使坡面形成即可。為防止污染道床，可事先在卸料一側道床邊坡上覆蓋聚乙烯塑料布，清理完碎石后再將塑料布收起，可多次使用。

4.2 成本低

級配碎石的主要材料是采石場生產片石或道碴的副產品，工程造價的主要因素是運雜費，是鐵路內部運輸收入。既降低成本，又解決采石場的后顧之憂。就施工情況來看,處理同樣工作量的路基,該方案費用是干砌片石的36%，漿砌片石的30%[4]。

4.3 進度快、工期短

施工進度取決于路用車的編組數量和到達速度，通常每列可編組30～40輛車，根據路基高度情況，可采取一次或兩次停車卸料，此方案在目前運量大的情況下更適合大范圍，短工期的搶修工程。

4.4 對既有坡面植被破壞小

管內京九線兩側路基坡面已種植紫穗槐等灌木，用該方案施工不破壞灌木根系，僅在施工時除去植被上枝，一年后仍能長出枝葉。若用干砌片石或漿砌片石防護，既有綠化植被均要破壞。

4.5 后期維修投入少

級配碎石防護體是“柔性”的，片石防護體則是“剛性”的，它很容易隨路基的下沉變形而破損，也容易被線路大中修時卸笨重材料砸壞，且日常維修成本也比其它砌體低得多。

5 結束語

采用以上三種方案整治粉質黏土路基沖蝕、坍塌等病害的目的是通過試驗，與以往整治方案進行比較，從更有效、經濟的方面確定整治粉質黏土路基病害的方法。

（1）當路基邊坡高度小于5.0m時，采用級配碎石護坡（厚度≥0.5m）整治路基邊坡沖刷、坍塌，優于干砌片石護坡和漿砌片石護坡，且經濟效益和社會效益十分顯著。

（2）當路基邊坡高度大于5.0m時，采用干砌片石護坡（碎石墊層≥0.2m）整治路基邊坡沖刷、坍塌病害，滿足使用和技術的要求。

（3）粉質黏土分布廣，病害種類多，對行車安全威脅大，建議將該土質納入鐵路特殊土路基設計規范，使工程技術人員對其特殊性有足夠的認識。