黃土高原鐵路路基影響因素分析及防護研究

王美玉

（晉能控股山西煤業股份有限公司塔山鐵路分公司 山西大同037003）

0 引言

黃土高原位于黃河中游地區，是世界上水土流失最為嚴重的區域之一[1]，地質疏松，氣候干旱，雨水量少而集中，降雨多集中于夏季，且植被較少，存在嚴重土壤侵蝕問題，地基承載力差[2]。在這個區域修建鐵路專用線，就需要解決地基承載力和穩定性的問題。本文結合黃土地基承載力相關技術標準，對黃土高原地質特性作一個簡要分析，通過對山西省大同市南郊區塔山鐵路分公司鐵路線路的路基建設及養護情況的分析，對比了漿砌片石滿砌護坡及骨架護坡的施工工藝和使用效果，為鐵路路基護坡施工提供科學依據。

1 黃土高原的地質特性

1.1 氣候特性

溫帶季風氣候：夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。冬冷夏熱，雨熱同期。

1.2 地質特性

黃土高原位于中國中部偏北，面積40萬km2，海拔1 000 m～1 500 m，高原上覆蓋深厚的黃土層，黃土厚度在50 m～80 m之間，最厚達150 m～180 m。土質疏松，暴雨集中，地表缺乏植被保護，地基承載力差。溫帶季風氣候影響和水土流失問題造成了黃土高原地面溝壑縱橫，黃土中易溶性鹽類、石膏、碳酸鹽等遇水后隨著礦物溶解，土體會迅速分散、崩解。黃土的抗侵蝕能力很弱。黃土中孔隙度一般可達45%～50%，尤其大孔隙特別突出，成為土體中水體和細粒物質遷移的通道，導致地基承載力下降。

2 地基承載力影響因素

2.1 抗震設防烈度

參考《GB50011-2013建筑抗震設計規范》國家標準。可知，大同、朔州、渾源、寧武等地抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度值為0.10G。

2.2 濕陷性黃土地質特性

黃土本身是一種較為特殊的土壤，土質疏松，顆粒間有較大的孔隙。一旦經雨水沖刷，就會使黃土地質表面及土質結構遭受極大的破壞，最終導致黃土土質呈較大輻度變形以及附加性的下沉，形成濕陷性黃土[3]。

2.3 提高黃土地基承載力的措施

針對以上黃土土質特性，在黃土地區建筑工程建設之前，需要提高該區域的承載能力，首先要對濕陷性黃土進行一系列分析，包括對濕陷性黃土區域成因、黃土下沉實際狀況、在此區域施工建設所需要的最小承載力等。

目前對于鐵路路基地基承載力各規范有不同的要求。《鐵路工程地基處理技術規程》(TB10106——2010)中3.3.2條“復合地基處理后的地基,承載力應滿足下式要求Pk≤k[σ]式中,Pk為基底壓力;[σ]為處理后的地基容許承載力;k為地基承載力計算修正系數,對于路堤、場坪等柔性基礎地基可取1.2～1.5。按上述要求,處理后地基容許承載力應滿足[σ]≥Pk/k=(0.66～0.83)Pk。《鐵路路基設計規范》(TB10001-2005)中7.1.5條規定“地基表層為軟弱土層,當其靜力觸探比貫入阻力Pk值:I級鐵路小于1.2 MPa,Ⅱ級鐵路小于1.0 MPa時;或天然地基基本承載力:Ⅰ級鐵路小于0.15 MPa,Ⅱ級鐵路小于0.12 MPa時,應根據軟弱土層的性質、厚度、含水率、地表積水深度等,采取地基加固措施”。

從鐵路工程實用、經濟、安全角度考慮，鐵路路基在滿足變形要求前提下，對于無砟軌道，一般要求工后沉降不超過15 mm,按規范取值。對于有砟軌道可在規范的基礎上將承載力特征值適當擴大，地基承載力分項系數如表1。天然黃土地基在不同路堤高度下的總沉降量及工后沉降量見表2。

表2 天然黃土地基在不同路堤高度下的總沉降量及工后沉降量

從表2可以知，按標準一計算的鋪軌前后總沉降量隨路堤高度的增加而增大，而工后沉降量隨路堤高度的增加而減小，并且在兩種活載作用下都滿足工后沉降小于5 cm的要求。標準二全滿足要求。標準三全部不滿足要求。按標準一計算，中活載比ZK活載的工后沉降量大11%左右，按標準二和三計算，中活載比ZK活載的工后沉降量大1.4%左右。

3 濕陷性黃土承載力

3.1 常見的提高濕陷性黃土承載力的方法

有沖基碾壓法、強夯加固法、預進水方法以及深層攪拌法。其中，深層攪拌法操作簡單，可行性強，幾乎不產生污染，不需要過度依靠大型機械裝置，最為實用。強夯加固法是最為經濟、常規的一種方法，但會用到夯錘等大沖擊力的裝置，會在該濕陷性黃土區域產生較大污染。最為經濟、但效果不夠長久的是預進水法。

3.2 提高黃土地基承載力方法論述

K1+289-K1+437.7漿砌片石護坡工程，施工順序:平整坡面一放樣掛線一施工袋裝砂礫石反濾層一分段施工漿砌片石(或混凝上塊)、施工泄水孔、伸縮縫。

砌塊的施工順序應自下而上進行。砌塊采用擠漿法分段砌筑,分段位置宣設在伸縮縫處,分層水平砌縫應大致水平。各砌塊的砌縫應相互錯開,砌縫砂漿應飽滿。各砌層應先砌外圈定位砌塊,并與里層砌塊交錯連成一體。圬工所用石料應選用不易風化的石料,其抗壓強度不小于30 MPa。通過夯實路基基礎，鋪漿砌片石基礎，可以很大程度上加強護坡的地基承載力。

K7+350-K8+000處拱形骨護坡工程采用M7.5漿砌片石4×3 m拱型截水骨架。

護坡防護,截水槽采用C25預制混凝土砌筑,主骨架厚0.5 m,骨架每隔15 m～20 m設置伸縮縫一道,縫寬0.02 m,采用瀝青麻筋全斷面填塞,骨架內植草+栽種紫穗槐。詳見4.1.1的附圖。通過骨架護坡、種植草皮的方式，經濟、環保，提高了護坡的地基承載力，解決了水土流失問題延長了護坡使用年限。

4 黃土地區鐵路路基護坡修砌施工中應該注意的問題

基于對上述黃土地區地質特性的分析，在應用到鐵路路基護坡工程中，常見作法有以下幾種：鐵路路基護坡常見的作法有植物防護和工程防護，植物防護顧名思義，就是采用種植防護的方法，通常有骨架護坡。工程防護又分為框格防護、封面、護面墻、干砌片石護坡、漿砌片石護坡、漿砌預制塊護坡、錨桿鋼絲網噴漿、噴射混凝土護坡等。

4.1 漿砌片石與種植護坡作用效果對比情況

4.1.1 漿砌片石防護方案

選大同某運煤專用線鐵路路基K1+289-K1+437.7處護坡，于2005年建設，采用漿砌片石，坡度1：1～1：1.5，設計見圖1.

圖1 原漿砌片石護坡設計圖

2015年監測，發現護坡已有明顯的基礎沉降，沉降約5 cm～8 cm，表面鼓包變形，地基承載作用已趨近于失效，于是，在2015年重新做了護坡。

4.1.2 種植護坡防護方案

2006年在同忻站K7+350-K8+000處采用拱形骨護坡，見圖2，種植草籽，養護、補種，通過養護一到兩年，直至出苗率達到80%覆蓋率，通過植物根系牢牢抓住水份，起到很好的水土保持作用，但由于陰陽護坡的特定原因，導致陰面護坡種植草長勢不好，相對沒有陽面護坡的地基承載力穩定。通過2007、2008年連續兩年觀測發現護坡凍融循環現象突出，不能很好的保護護坡地基，抵抗雨水沖刷效果相對較差。

圖2 拱形骨護坡設計圖

4.2 護坡數據對比

序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9比較因素抗壓強度（28d）空隙率透水系數（定水位法）反濾作用透水性抗震性能抗侵蝕、堆土流失性能生態親和性能及特征技術要求骨架護坡M7.5以下15-25%0.1cm/s以上反濾效果顯著具有良好的透水性，可實現自由排水，故堤體及坡面都具有高度的安全性。對地震時的變形適應性強。由于自身具整體的過濾效果對侵蝕、水土流失具有一定的抵抗性能。保持完整的水土生態溝通系統，具有良好的生態和環境親和性能，內部連通的孔隙可使水、空氣等自由滲透，適合植物生長，提高自然凈化能力。施工簡單漿砌片石M7.5-M10砂漿不存在連通空隙1.0×10-9-5.0×10-7cm/s需做反濾層，本身不存在此功能不具備透水性，其排水只能通過排水孔來實現。與護坡基層剛度相差甚大，地震時由于兩者動態特性不同而導致變形過大而斷裂。使用設置濾層、排水孔等方法，易造成流線集中且流速較快，土粒子流失較嚴重。抗侵蝕性能強。無生態性能及特征。對石材需處理加工，施工要求高。

5 結論

砌筑護坡時不僅要注意地質條件、自然氣候、工程坡度等問題，還需要有施工地點周圍的地質勘測報告，要清楚周邊土質是否存在濕陷性黃土，注意取必要措施改善地基承載力。如果必須要交叉作業時需詳細研究設計方案，確保施工質量。

建議對于坡度在1：1～1：2之間，或坡面位于溝岸、河岸，下部可能遭受水流沖刷，且洪水沖擊力強的防護地段，宜采用漿砌石護坡。對坡比小于1.0：1.5，土層較薄的沙質或土質坡面，可采取種草護坡工程。兩者使用年限不同，需要不定期巡視監測，相對片石護坡使用年限更長，基礎承載力更好。但對于施工難度大、土層較厚，溫度、溫度和當地降雨量充足，具備種植 條件的護坡，可優先采用種植護坡。