【文章內(nèi)容簡介】 加劇，加上水的作用，使泥漿侵入道床向上翻冒。還有一點，就是在振動荷載作用下，黏性土的動力強度降低，而且基床土在列車荷載作用下的強度降低與基床土的含水量有關(guān)，強度降低的幅度隨含水量的增大而增加，因此，防治基床翻漿冒泥應(yīng)注意處理好基床土含水量的問題。這種動力的作用與運量、列車運行的速度、軸重和振動等四個方面有關(guān)，概括起來就是：運量愈大，路基面所受的荷載愈大、愈多，沖擊和振動的周期縮短，發(fā)生觸變的黏性土壤在未恢復原狀之前又遭受到另一次的作用，因而就使原先良好的粘性土壤發(fā)生翻漿冒泥，使已形成的翻漿冒泥更加嚴重。路基面所受最大動應(yīng)力隨速度增大而增大，但增大得并不顯著，鋼軌下路基表層應(yīng)力除鋼軌接頭下，一般隨速度增加而增大，而速度對路基應(yīng)力的影響隨深度增加而減小，同時路基面動應(yīng)力與線路上部建筑設(shè)備狀態(tài)和質(zhì)量有關(guān)。理論上，機車車輛的軸重和軸距，特別是機車主動輪的軸重對軌道應(yīng)力起著決定性的作用。在速度一定的情況下，機車車輛的軸重越重，軸距越小，則所產(chǎn)生的軌道應(yīng)力越大，相應(yīng)的對路基面所施加的壓力也就越大。振動也是引起翻漿冒泥的原因之一，特別是在鋼軌接頭處振動最大，因而相對來說在該處的翻漿冒泥更為嚴重。（四）線路養(yǎng)護維修質(zhì)量通過我們調(diào)查和統(tǒng)計的資料表明，西安鐵路局的翻漿冒泥的水的來源主要是地表水，只要運用封閉層把地表水與路基面隔離即可，因此以前主要采用鋪設(shè)氯丁橡膠板和塑料排水板等封閉措施。從理論上來講，氯丁橡膠板和塑料排水板對路基面起隔離和保護作用，由于隔絕了地表水，并能使道碴陷槽內(nèi)的泥漿自然干固，新的陷槽不會形成，封閉層起到制止翻漿的同時，還能加固路基面，增加乘載力、防止基面變形，保護軟弱易風化的軟質(zhì)巖石（粘土、頁巖）使其不為地表水所浸潤而軟化，保護承載力不降低具有顯著的作用。但是在我們調(diào)查時還發(fā)現(xiàn)，有些地段繼續(xù)翻漿。當開挖到氯丁橡膠板和塑料排水板下時，可以看到以前陷入路基內(nèi)的碎石沒有清除干凈，同時砂墊層厚度也不符合要求，致使氯丁橡膠板和塑料排水板被頂破，地表水下滲，形成泥漿，這些泥漿沿著氯丁橡膠板和塑料排水板頂破的地方上冒，形成翻漿冒泥。由于前幾年線路養(yǎng)護不當，基本不搞道床邊坡及接頭五孔的清篩工作，因此，道床土龍和接頭病害較為普遍，致使地表水長時間滯留于道床之內(nèi)，軟化基面，進而造成翻漿冒泥。從以上可以看出，養(yǎng)護維修工作的質(zhì)量和施工作業(yè)方法對產(chǎn)生翻漿冒泥也具有重要作用。 基床翻漿冒泥的產(chǎn)生過程 在翻漿冒泥野外調(diào)查中，根據(jù)開挖和行車過程中觀察到的翻漿冒泥狀況，把翻漿冒泥的形成過程歸納成三個階段：既泥漿擠壓上升階段，積壓抽吸聯(lián)合作用階段和翻漿冒泥形成階段，下面用示意圖27加以說明。圖2－7 翻漿冒泥形成過程示意圖擠壓上升階段鐵路竣工后或剛剛大修后，道碴潔凈、基面平整，排水通暢不會發(fā)生翻漿冒泥，但隨著運行時間的延長，由于基床鋪有親水性粘性土或存在易風化親水的軟質(zhì)巖，在火車動荷載反復作用下，使基床面產(chǎn)生不均勻沉降，一旦雨水下滲浸入基床，便在凹洼處積水，因鋪設(shè)在基床的粘性土滲透系數(shù)小，一般都小于104cm/s，積水難以排除，便在火車動荷載作用下，道碴反復與土層相互作用，使基床面土層軟化形成泥漿。泥漿沿道碴孔隙上升，這是翻漿冒泥形成的初期階段。如果該階段有連續(xù)降雨發(fā)生，基床面土層不斷泥化，使道床中的泥位不斷擠壓上升。當沒有水源補給時，過一段時間，道床中的泥位便停止上升，并干枯凝結(jié)道床，形成板結(jié)層，這一階段泥漿一般不會從道床面擠出。泥漿擠壓抽吸階段第一階段形成的板結(jié)道碴層，并不十分密實，在干燥時，也會產(chǎn)生收縮裂縫，一旦降雨，雨水還會滲入基床面，再度使基床面產(chǎn)生泥漿。泥漿在這時上升受到兩種力的作用，一種是擠壓力，另一種是抽吸力。這兩種力的成因是因泥化道碴層形成一個相對密閉的板結(jié)層，板結(jié)層對封閉的泥漿加壓，使孔隙泥漿水壓力加大，受壓的泥漿便沿道碴中某些膠結(jié)弱的孔洞冒到原膠結(jié)層之上。所謂抽吸作用是因板結(jié)的道床層在車輛反復作用下，上下往復振動，當板結(jié)層抬升時，枕下路基面處局部形成真空帶，便把周圍水和泥漿吸到枕下真空處，一旦板結(jié)層下壓，使孔隙水壓力加大，泥漿便沿孔洞上升，這就是以擠壓抽吸作用形成泥漿上冒的第二階段。翻漿冒泥形成階段在道床中，雨水下滲，基床軟化，泥漿被擠壓抽吸上升反復進行，使道碴會板結(jié)越來越嚴重，對枕下的封閉越來越密閉，產(chǎn)生的孔隙水壓力越來越大，因此泥漿在密閉的道碴板結(jié)層中，仍能沿某些孔洞上升，直至使泥漿漫溢道床，掩蓋軌枕，并使道床積水，雜草生長，這就是翻漿冒泥形成階段。翻漿冒泥形成后再翻漿時，從漿液來分可分為小循環(huán)翻漿、大循環(huán)翻漿和復合型翻漿三種類型。（1）小循環(huán)翻漿：所謂小循環(huán)翻漿是指因降雨時間短、雨量小，水只能滲入到泥漿板結(jié)道床中，在火車的荷載作用，在已經(jīng)泥化的碴層中，產(chǎn)生泥漿，翻冒到道床表面，造成泥漿飛濺。從漿液顏色上看好象是基床漿液，這實際上是道床翻漿，不會影響基床的穩(wěn)定性。（2）大循環(huán)翻漿：所謂大循環(huán)翻漿，是因為在長時間降雨過程中，從板結(jié)道碴底部翻出的泥漿的現(xiàn)象稱大循環(huán)翻漿。這種漿液的產(chǎn)生仍是降雨所引起。板結(jié)的道碴，盡管滲透系數(shù)很小，但雨水無孔不入，長期降雨，雨水總會滲到基床面，軟化土體形成泥漿，在密閉道床更大的抽吸力、擠壓力作用下，把泥漿擠向道床表面。在循環(huán)過程中不斷進行，泥漿不斷抽出，使道碴下陷，形成道碴囊。碴囊不斷積水，土體進一步軟化，一旦側(cè)向擠壓力超過土體抗剪強度，便產(chǎn)生路肩擠出，使基床失穩(wěn)，造成事故發(fā)生。（3）復合型翻漿冒泥：所謂復合型翻漿冒泥，是在一個地點，小循環(huán)和大循環(huán)同時產(chǎn)生。在連綿雨季往往會產(chǎn)生復合型翻漿冒泥，在這種情況下，往往是以大循環(huán)為主，泥漿主要來自基床面，其危害與大循環(huán)翻漿冒泥相同。第3章 鐵路基床高分子加固材料研究 西安局管內(nèi)原萬源工務(wù)段基床土質(zhì)酸性水玻璃改良加固研究 前言 襄渝線由于鐵路基床土質(zhì)不良，在水和動荷載的作用下，土體泥化形成翻漿冒泥。為整治病害，擬采用化學漿材進行加固處理。在眾多的土質(zhì)改良研究中，水玻璃是一種最常用的化學漿材。我們根據(jù)襄渝鐵路萬源區(qū)段基床土性質(zhì)，研究了以水玻璃為基本原料，加活化劑對水玻璃活化，便其聚合成無機高分子材料。活化劑使用的是酸類物質(zhì)，其聚合產(chǎn)物也稱為酸性水玻。本文研究了襄渝線原萬源工務(wù)段K538+544地段基床土的性質(zhì)，并對水玻璃的酸化以及酸性水玻璃與其它高分子混合漿材改良加固土作了試驗研究，取得了較好成果。 病害產(chǎn)生的自然地質(zhì)條件1．地質(zhì)條件試驗研究工點在襄渝鐵路原萬源工務(wù)段K538+544地帶，該處位于四川盆地東部，大地構(gòu)造是屬于龍門——大巴山臺緣褶皺帶和川東糟皺帶的平行嶺谷地區(qū)，地形以褶皺山地為主，是由一系列復式褶皺構(gòu)成的山間盆地群和低山丘陵組成。該區(qū)主要出現(xiàn)的地層為中生界的侏羅系地層，巖性為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖及黃綠色砂巖，呈互層狀態(tài)，巖層屬軟質(zhì)巖，易于風化和崩解。該處路基用當?shù)芈穳q開挖土、碎石塊填筑，因這種巖土具有親水軟化特性，使路堤和路塹地段都存在著嚴重的翻漿冒泥。2．氣候條件該區(qū)為濕潤的亞熱帶東南季風氣候區(qū)，具有春來早，秋雨綿，夏日炎熱，冬暖多霧的特點，年平均氣溫18℃左右，年降雨量為1000~2000mm，大部分雨季集中在夏季，年降雨日為150~200天，~，雨季漫長，降雨量充沛，為路基病害的產(chǎn)生和發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。 土體的工程地質(zhì)性質(zhì) 基床上體的物理力學、物理化學及水理性質(zhì)對于翻泥冒泥起著決定性的作用。為此，對該地區(qū)土質(zhì)進行了詳細的分析。 （一）物理水理性質(zhì)指標 對該區(qū)域內(nèi)路基土，經(jīng)過開挖調(diào)查，取回5組土樣進行研究，其物理水理性質(zhì)試驗結(jié)果見表31。 由表31可看出：該區(qū)土體為含碎石粘性土，碎石由易風化的泥質(zhì)粉砂巖，砂質(zhì)泥巖組成，其性質(zhì)各段各不相同。但一般均有如下共性：%左右；砂粒、粉粒和粘粒均占有一定的比例；其天然含水量為13~20%；，屬于密實狀態(tài)；液限小于40%；自由膨脹率在17~29之間，~10－4cm/s，塑指數(shù)在16~20之間；其無側(cè)限抗壓強度在80Kpa以下。表3－1 物理及水理性質(zhì)試驗表（二）化學成分分析化學成分分析結(jié)果見表3－2表3－2 化學成分分析和理化分析結(jié)果從表32的化學成分分析結(jié)果可看出，各里程所采樣品的化學成分沒有明顯的差異。該地區(qū)土均是泥巖與粉砂巖被破碎后的上體，土中成分主要為SiO2，其次為Al2O3和Fe2O3；三項之和約占總量的80%以上。游離SiOFe2O3含量較低，游離Al2O3幾乎沒有。游離氧化物含量低，土粒之間的膠結(jié)性差。值得注意的是試樣的PH值大于7，呈堿性土。土的PH值是土化學性質(zhì)中最有代表性的量度之一。Thomas（1967）曾指出：，則標志著CaCO3存在。~，土中的鈣幾乎全部是以CaCO3的形式存在。含碳酸鈣的土在干燥時強度較高，一般能滿足工程施工需要，但與水接觸時，短時間內(nèi)即全部崩解，強度也隨之大幅度降低，在列車高速、重載的強振動下，大量被崩解的基床土在水化作用下形成泥漿被擠壓出來，引起翻漿冒泥，鐵路路基下沉，承載力下降。除此，從理化分析結(jié)果看，土中含有一定量的蒙脫石，陽離子代換總量測試結(jié)果也說明了這一點。蒙脫石類礦物具有三層晶格結(jié)構(gòu)，即由中央夾著一層鋁氧八面體晶片的兩層硅氧四面體所構(gòu)成，由于這種晶體結(jié)構(gòu)特征，使其具有較強的吸附能力，以及較高的塑性、親水性和遇水膨脹性，這些特征的存在，為翻漿冒泥的發(fā)生提供了條件。 酸性水玻璃的特性1．水玻璃的特點水玻璃是一種堿性金屬（常為鈉或鉀）的硅酸鹽，一般分子式為MeOSiO2，式中Me代表堿金屬。選擇水玻璃的主要參數(shù)有模數(shù)、波美度等。模數(shù)（M）：水玻璃溶液的模數(shù)是指所含SiO2的克分子數(shù)與Na2O克分子數(shù)的比值。 即式中?？紤]到水玻璃漿液中鈉含量的影響，~。 波美度（176。Be） 水玻璃溶液的濃度常用波美度表示，它與比重的關(guān)系： 式中：d為水玻璃溶液的比重。 市售水玻璃溶液的濃度比重較大d=~，為40~45176。Be，一般所需濃度的比重d=~，為10~20176。Be，因此，需用水稀釋使用。 堿性水玻璃價格便宜，來源廣泛，作為灌漿加固材料被廣泛使用。不足之處是堿性水玻璃的膠凝體有脫水收縮和淋濾腐蝕現(xiàn)象，這就影響它的耐久性和對環(huán)境造成的污染，便其多用作臨時性工程的加固處理，為了克服堿性水玻璃灌漿材料的缺點，目前國內(nèi)外發(fā)展了酸性水玻璃漿材。由于酸性水玻璃材料可以在中性區(qū)域內(nèi)凝膠，凝膠體沒有堿溶出，因此不存在堿性水玻璃那種淋濾腐蝕污染環(huán)境的問題，而且在潮濕地層中可看作是一種永久性材料。堿性水玻璃是以二氧化硅為主，在鈉離子作用下形成的一種粘接物，為了活化水玻璃溶液中的硅酸，使其反應(yīng)生成一種陰離子型的無機高分子聚合物，常常中以Na2O、3SiOXH2O為原料，加入活化劑，將其中以Na2O為代表的堿度加以中和，使硅酸游離出來，常用的活化劑有硫酸、硫酸銨、碳酸氫鈉、二氧化碳等。2．水玻璃的聚合水玻璃是硅酸鈉的水溶液（Na2O、3SiOXH2O），化學結(jié)構(gòu)為在沒有外加劑作用下，水玻璃的原硅酸根皆帶負電荷，不會發(fā)生聚合作用，若加入酸或其它活化劑，硅酸負離子將隨著溶液中H＋濃度的增加而逐步產(chǎn)生聚合：其聚合機理戴安邦認為在堿性溶液和濃酸內(nèi)完全不同，在堿性溶液和稀酸中，由原硅酸與一價陰離子之間進行的四配位數(shù)的溶合作用而生成膠凝。在濃酸溶液中硅的配件數(shù)則由4增至6，由原硅酸和一價陽離的聚合作用而生成凝膠。由于在堿溶液中與濃酸溶液中水玻璃的凝膠機理不同，因此，凝膠體的性質(zhì)也有所不同。研究硅酸凝膠的聚合時間、聚合機制和凝膠反應(yīng)速度在土質(zhì)改良和灌漿工程中具有重要的實用價值。由于化學反應(yīng)速度是由分步反應(yīng)中的慢過程所決定，由此推斷膠凝時間能夠反應(yīng)聚合的速度，在水玻璃的酸溶中，硅酸的酸化度對膠凝時間有著十分明顯的影響。試驗用水玻璃M=，硫酸d=，濃度為98%的工業(yè)硫酸。硅酸溶液的酸化度按下式計算：試驗結(jié)果見表33表33 酸化度與膠凝時間試驗結(jié)果上表結(jié)果可用圖31表示出酸化度與膠凝時間的關(guān)系。圖3－1 酸化度與膠凝時間關(guān)系曲線從表3圖31中可以看出酸化度越高，膠凝所需的時間則少，聚合反應(yīng)的速度加快。圖1中酸化度與膠凝時間的曲線呈“S”型曲線，~%區(qū)間，聚合反應(yīng)速度加快不是十分明顯，其機理有待研究。一般來說，酸化度以75~100%較好，酸化度高，游離的SiO2多，膠凝性硅酸含量增加，這對加固土有利，游離出的SiO2與土中的鈣、鎂、鉀按下式反應(yīng)硅酸的游離容易在土粒表面形成SiO2膜，使土的膠結(jié)能力加強了。酸化后的硅酸在聚合反應(yīng)中生成了一種陰離子型的無機高分子化合物。 土質(zhì)改良試驗研究從表3表32的粒度分析、物理力學性質(zhì)測定、化學成分分析中可知襄渝鐵路原萬源工務(wù)段區(qū)內(nèi)基床土質(zhì)的工程性質(zhì)與翻漿冒泥關(guān)系很密切。翻漿冒泥不僅發(fā)生在工程性質(zhì)較弱的路基，在強度較高的路基中也會發(fā)生，這是由于（1）巖土中含有親水性粘土礦物（如蒙脫石）遇水易崩解、泥化。（2）泥巖中碳酸鹽的影響也不可忽略，這類礦物在干燥條件下堅硬、強度高。但浸入水后，便迅速崩解，形成泥漿。尋找既適宜于基床土質(zhì)改良加固，又便于在既有線路施工的化學灌漿材是本課題研究的重點。為此我們選用多種活化劑對水玻璃活化，并摻加有機高分子材料對酸化后的水玻璃改性等方面作了大量的試驗研究，分述如下：（一）硫酸酸化水玻璃加固土試驗在硅酸的膠凝聚合試驗中，我們是以硫酸作為活化劑來研究的，因此在基床土質(zhì)的改良中，以硫酸酸性水玻璃為基本原料作了較為詳細的研究。1．試驗原料（1）工業(yè)水玻璃：成都亞川化工廠產(chǎn)品 ，（2）硫酸：四川化工廠產(chǎn)品 濃度98%，2．酸性水玻璃的制備（1）水玻璃：水=1:1 配制成稀釋水玻璃溶液備用（2）硫酸：水=1: 配制成稀硫酸溶液備用根據(jù)需要計算出酸化度，配制成試驗用酸性水玻璃溶液。3．試樣制備將試驗用土樣風干后過2mm篩，再根據(jù)試驗條件，將土與漿液充分拌合制成直徑d=4cm，高H=8cm的小樣，測無側(cè)限抗壓