试论铁路路基填料的改良技术

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【摘 要】 随着铁路修建工作的深入开展，填料改良技术有效地解决了铁路路基的填料问题。本文在分析铁路路基改良设计的动态特性基础上，探讨了水泥改良土和石灰改良土的特点和技术条件。

【关键词】 铁路 路基填料 改良技术

1 引言

铁路路基是轨道结构基础的重要组成部分，也是确保铁路列车的安全快捷运行的重要保证。作为支撑轨道基础的路基，其强度和刚度直接影响到轨道表面的平顺性。铁路路基的构成材料一般是松散的土石材料，这在铁路建设过程中常常由于优质填料欠缺而大量使用细颗粒土作为路基填料的现象并不少见。这种路基填料受自然条件、上部荷载等因素的影响， 会出现路基结构压密下沉和累积塑性变形等病害，以致列车与线路的动力加剧，线路养护维修难度加大，路基填料改良技术的发展应用便成为路基设计和施工的重要研究课题。本文以高铁为例，在分析铁路路基改良设计的动态特性基础上，探讨了水泥改良土和石灰改良土的特点和技术条件。

2 改良设计要体现动态特性

高铁的路基设计、施工和养护在很大程度上改变了传统铁路的主导思想。以路基为例，传统的设计思想主要以无侧限抗压强度为控制指标，现代的设计思想则以控制线路的变形为主控因素，因为强度在现有技术背景下能够得到有效地解决，主要问题在于，路基的超常变形总是先于强度破坏之前。一般来说，高铁路基的变形主要表现在地基的固结沉降、路基填料的压密下沉、路基基床的累积塑性和弹性变形几个方面。地基的固结沉降和填料的压密下沉是静载作用的原因，路基的填料压密下沉、基床的累积塑性和弹性变形则来自于列车动荷载的缘故。

国内的普通铁路运速相比高铁要低，动荷载引起的累积塑性变形问题基本上都在可控范围之内。而高铁由于运速高，对路基的变形要求要严格得多，对路基基床底层改良土的要求也高得多。目前国内一般的采用以静强度为判别标准、以动强度为控制条件的改良设计方法。

高铁路基一般是细粒土等具有弹塑性土体，在重复荷载的情况下会产生难以恢复的塑性变形。细粒土体有一个临界动应力。在动荷载下，临界动应力大于实际动应力时，塑性变形随重复作用次数的增加累积，变形速率则与重复次数成反比，直至变形趋向稳定。这种状况可用对数关系来表示，即Sp=S0βlogN，Sp表示累积塑性变形。S0表示N=1的变形，N表示加载次数，β则表示填土密实度、物理力学性质。临界动应力小于实际动应力时，塑性变形与速率都与重复作用次数成正比，导致变形过大而结构失衡，可用幕数关系关系来表示，即Sp=aNb中，a、b是与土性和应变水平相关的系数。也就是说，高铁基床底层改良土的设计，要充分考虑土体的临界动应力，确保改良土的临界动应力大于基床底层顶面所受列车动荷载传递的动应力，防止出现路基病害。

3 铁路路基填料的改良技术分析

3.1 水泥改良土

作为高铁路基重要填料之一，水泥改良土对水分要求不高，具有高强度、高稳定性的特性，是较为理想的高铁基床填料。但是在水泥用量方面却十分讲究，用量超过一定比例，经过改良后的土体收缩性会随之增大， 水泥中细颗粒伴随着水泥强度等级的提高会产生收缩裂缝，使基床表层的配粗粒料渗入基床底层改良土，直接影响到排水效果，将会出现翻浆冒泥的情况，降低路基的安全系数，严重威胁列车的行车安全。这种情况的应对措施，可以用32.5水泥，既可以大幅度减少填料时产生的裂缝，又能保证改良填料的弹塑性特征。在实际施工中，宜在阴晴天气条件下，采用拌合效率高的机械，合理安排拌和、整平、碾压工序，两小时内完成从加水拌和到压实过程，以避免水泥在水化和水解快速作用下降低强度。

水泥与土搅拌后，水泥中的成分与土中的水发生强烈的水解和水化反应，分解出氢氧化钙，并生成各种水化物，硬化后在土中形成水泥石骨架，但这个过程由于土的影响会，水化反应要慢一些，而且水泥水化物的硬化过程必须在强碱介质环境中产生，尤其是用水泥去改良含粉粒或粘粒较多、塑性指数较大的粘性土，氢氧化钙会先与粉粒和粘粒发生反应，导致碱性介质生成慢，影响到水泥水化物的正常硬化，降低改良土的强度。有实验数据表明，水泥宜适用于改良不均匀系数Ip≤12，Cu>1O，且WL

3.2 石灰改良土

高铁路基的另一主要填料为石灰改良土，具有板体作用、较高的抗压强度、较好的水稳性和冰冻稳定性。石灰属于中缓凝慢硬材料，易与土混合后构成一种整体填料。从加水拌和到碾压成型的过程的延迟时间一般为2-3d，与水泥改良土相比，石灰改良土的压实度和强度不会受到大的影响，但强度的可调范围要小，收缩性更大。石灰改良土由于具有早期强度低的特点，在龄期增长的过程中，强度增长的过程比水泥改良土要慢。如实验表明，28d龄期的石灰改良土的强度在30%左右，增长期长达8-10a以上，而同期的水泥改良土强度达到70%左右。因此，使用水泥改良土填料容易受到温度的影响，在低温情况下强度受到龄期增长的限制，施工工期短又影响到施工质量。

氢氧化钙结晶及碳酸化反应、离子交换反应、火山灰反应是石灰与细粒土拌合后发生的主要物理化学反应，改良土形成泥土顺粒絮凝，经由胶结物到晶体形态的转化过程，刚度、强度、水稳性在此过程中逐步提高。实验数据表明，用石灰改良同等剂量的不同粘性土， 当土中粘粒含量增加、塑性指数增大时，改良土的强度也增大。一般而言，石灰宜改良粘粒（d12的粘性土。但与水泥不同，用石灰改良粉质粘土，8%掺入量，qu=0.789MPa，剂量增加到16%时，qu=0.751MPa，说明石灰良土有最佳剂量范围，当剂量达到某一数值后，继续增加石灰，改良土的强度反而随之降低，这是由于改良土中石灰含量超过临界量，多余的石灰将沉积于土中的孔隙无法参加反应，以致石灰土强度减弱。这是使用石灰改良土作铁路路基填料要注意的技术问题。

4 结语

鉴于高速铁路对路基变形的高要求，在路基填料的环节最为关键应，予以高度重视。以静强度为控制指标的设计思想方法在高铁路基的高要求下已经时过境迁了，应采用以动态特性为主要内容的设计思想进行高铁路基建设，应用先进的改良技术进行基基床底层填料，方能有效防止路基在动荷载作用下的变形，保证列车高速运行的安全。

参考文献：

[1]王仲锦，张千里，叶阳升.铁路路基填料分类深化研究[J].中国铁道科学，2012，（2）.

[2]李连顺.改良土在新建铁路工程中的应用分析[J].铁路工程造价管理，2005，20（3）