铁路路基基床病害防治技术方法研究.docx
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铁路路基基床病害防治技术方法研究
铁路路基基床病害防治技术方法研究
引言
《铁路技术管理规程》第35条规定：
“路基应按铁路等级选择优质填料填筑坚实，基床应强化处理，并经常保持干燥、稳固及完好状态……对不稳固的路基，应进行调查，分析原因，采取措施，消除病害。
”由于铁路既有线路建设年代、技术标准及填筑材料不同，在列车运行速度、密度和单位荷载都不断提高的情况下，既有线路路基基床会发生各种病害，如，多雨地区的浸水、沉降，寒冷地区的冻胀、隆起，软土地区的地基路堤工后沉降①等，直接引起基床变形，这些变形都会导致线路上部构造发生变化，譬如：
几何尺寸、线路方向、轨道平顺度等不易长期保持稳定，从而影响列车的正常运营，甚至危及列车安全。
用科学的态度和方法，认真研究铁路线路路基基床病害的防治技术，以利在在新线路铺设和既有营运线路基床维修和病害整治中，利用现代化科学理论和方法、技术、设备等，确保铁路路基基床技术状态完好，支撑线路上部建筑，确保列车安全运行，是本文的研究目的。
由于基础理论和实践经验有限，本文不可避免地存在错误，请各位导师批评指正。
1基床病害的分类及形成条件
1.1 基床病害的分类
铁路路基基床是指路基上部受列车动力作用和水文气候变化影响较大的一层，它的确切厚度，视路基构造、运输条件和水文气候条件的不同而有差别，一般约有1－3m左右，在这范围内，尤以路基面下0.5m内受动力的影响较为剧烈，再下去应力缩减较快，到路基面下1.0m处，路基动应力约为路基面的1/3。
运营线路，由于列车经常不断地、反复地运行，对线路产生一定的压力和剧烈的振动，这些重压与振动通过线路上部构造（轨道）对路基基床施加相应的压力和振动，以致轨道面的质量处于不断地变化之中，这些变化有的是由于水、土、力等不力因素的作用，有的是技术设施上存在缺点，有的是在筑路施工中施工不良，有的是经常养护维修不好所引起的。
由于上述原因，基床会产生变形和病害。
基床变形是指路基基床部分原有形状发生非弹性的任何变形。
在发生变形之先，有一个引起变形的过程，这个过程通常称之为基床病害，而变形只是病害的现象。
一般情况下是先发生病害而后引起变形，但有时病害与变形同时发生。
例如，轨道沉落，既是病害又是变形，变形可由外表的观察或测量断定，病害的判断则需经过研究和检查路基内部情况。
我国幅原辽阔，南北温差大，东西降水不均，且地表构造复杂。
如多雨地区气候温和、潮湿、多雨水，而路基土质又多系粘性土和粉质粘土，颗粒细小，含水量高，以至路基面软弱，故在列车频繁地运营动力作用下，特别是在春融和雨季防洪期间，不少线路上经常发生基面翻浆冒泥、路肩外挤隆起、路基边坡外臌，引起轨道沉降。
北方寒冷地区，寒冬季节则还会发生线路冻胀，引起轨道沉落和冻胀隆起。
盐渍土、软土地区，多为冲海积冲洪积平原，广泛分布软土、盐渍土、臌胀土等特殊土及松软土，其主要问题是工后沉降不易控制，在最不利水文、气候变化的影响和列车动载的重复作用下，常常发生道碴陷槽、翻浆冒泥、冻害、挤出等基床病害。
基床变形分内部变形和外表变形。
1.1.1基床内部变形
路基基床，在地表水和地下水的浸润作用下，原来有一定强度的土体和风化石质的岩体变得软弱无力了。
当线路上部建筑传递来的荷重，特别是近乎周期性的列车动力作用，使粘性土和粉质粘土便发生触变而软塑液化。
在路基面抗塑强度大大减弱的情况下，道碴更被切压入基床，有些在基床内部便逐步形成和发展为各式各样的道碴陷坑，从而构成基床内部变形。
道碴陷坑为基床内部由于道床下陷构成各式坑洼的统称。
在各种不同条件下形成的道碴陷坑，其深浅、大小和形状各不相同，但按其发生的部位和发展的过程来讲，道碴陷坑可分为：
道碴槽、道碴锅、道碴囊和道碴窝四类。
道碴槽的陷坑部位并不深，属于路基面变形范围。
道碴锅就比较深些，已经由基面进入到基床内部。
（见图1－1）
道碴囊是在基床内部深入发展的结果。
（见图1－2）
由于气温变化引起的冻结作用所形成的蜂窝式道碴陷坑称之谓道碴窝。
（见图1－3）
1.1.2基床外表变形
基床内部变形产生道碴陷坑，导致了基床外表发生相应的变形。
内部变形是根源，外表变形则是后果。
随着道碴陷坑的类型、形式和发生部位的不同，基床外表便也相应地发生不同部位不同类型的变形。
因此，基床内外的变形是密切相关而又互为里表的。
按照变形发生的部位和程度，基床外表变形有：
基面变形――翻浆冒泥和冻胀；路肩变形――路肩外挤和隆起；边坡变形――路堤边坡外臌。
（1）基面变形――翻浆冒泥和冻胀
翻浆冒泥为我国雨水充沛地带铁路线上最常发生的，实质上是由翻浆和冒泥两种不同性质的病害所组成；基面冻胀病害多发生在我国北方寒冷地区的铁道线路上。
①翻浆类型及其特征
翻浆，是由含有一定量细小粉土、粘土颗粒以及少量砂粒所组成。
比较紧密、强度较高的路基面，受积水和运行列车动力不断地作用，基面土发生触变和液化。
又由于列车周期性的运动作用，使触变了的土未及恢复又再次发生触变液化，这样反复地触变液化，使路基面形成泥浆。
同时，列车运行时，线路以波浪式的运动起伏，对路基面产生真空抽吸作用，使泥浆通过道床孔隙向上翻冒，便形成路基面翻浆。
路基面翻浆的特征有：
（a）翻浆由路基面开始，逐渐侵入道床，以至轨枕底部，严重的在轨枕面上也泛滥泥浆；
（b）路基面存在不深的道碴槽有的甚至不存在道碴槽，由于积水，其表层土便泡成稀泥薄浆或软塑状态的稠泥，整个路基面呈泥碴混合体；
（c）翻浆初期，在道碴孔隙间可以清楚地看到泥浆上冒的途径痕迹，冒出泥浆的着色基本上与路基面土质相同，有时由于污染的原因，比路基面土的颜色稍深一些；
（d）稠泥型泥浆的上冒，其根部有下泥盘，道床和轨枕面有上泥盘，上下泥盘之前有冒泥孔，列车经过基面受压时，下泥盘的泥浆就经冒泥孔道通道上冒，列车过后，大部分上冒的泥浆返回下泥盘，并逐渐加剧了翻浆的程度；
（e）雨季开始，首先在钢轨接头处出现翻浆，随着雨季的延续，迅速蔓延到钢轨的其余部位，雨季过后，逐渐减轻；
（f）一般翻浆地段轨道并不沉落。
现场的经验是：
“翻浆不下沉，下沉不翻浆”。
实际上，在不少情况下，由于各种翻浆的相互影响，道床翻浆和路基面翻浆往往不是单独存在，而是呈复合状态出现的，既有道床翻浆，又有基面翻浆。
表1道床、路基面翻浆对照表
道床翻浆 路基面翻浆
1.受外来因素的影响，污染道床，引起翻浆；
2.完全由于地表排水不良，在列车频繁的振动和抽吸作用下而翻浆；
3所翻的泥浆多为稀泥薄浆，颜色质黑污浊，与路基面土色不同；
4.翻浆的部位发生在道床内，愈接近道床上部愈严重；
5.不受钢轨接头的限制，春融雨季季节翻浆较严重，干旱天气不翻浆，固结成硬块。
1.内在的原因。
由于路基土质不良或石质路基面有裂隙、泉眼而引起翻浆；
2.很多是由于地下水的作用（也有少数是地表水的作用）泥浆在道床内或循道碴孔隙沿轨枕边沿在轨底附近翻冒；
3.所翻的泥浆有稀有稠，颜色基本上与路基面土质相同，略带深色；
4.泥浆从路基面向上翻冒，愈接近路基面愈严重；
5.先从接头处出现，随春融、雨季而蔓延，雨季过后，逐渐减轻。
②冒泥及其特征
冒泥，翻浆的另一种表现形式。
实质上就是翻土。
比较松散软弱的粘性土或粉质粘土路基面，特别是线路上部建筑结构薄弱的新线上，或者是基床上部为松软的粘性土和粉质粘土，下部为较密实的土层；或者是上层为受风化作用所软化了的岩层，下层为坚硬的岩层，当含水量达到一定程度时，粘性土发生臌胀，在列车反复重压和振动作用下，基面便软塑变形，随着路基面压力的扩散变化，土便顺着弧形槽底向路肩和道心以及轨枕匣内挤移蠕动上冒；有的在初步形成的陷槽内积水，泡软基面土壤，在受动力作用下，松软的土顺着应力弧线上冒的现象均称为冒泥。
冒泥，实质上是道碴槽发展形成道碴锅的过程所表现的病害形式。
它的特征有：
（a）土的含量不一定需要达到饱和或过饱和程度，可塑的土都会发生冒泥；
（b）所冒的泥土虽然比较松散，但它的连续性并未受到破坏，经常夹杂钢轨下路基面上的石屑、碎块或黄砂；
（c）冒泥的结果，在轨枕头和道心内形成三条土垅。
严重时，轨枕匣内形成土梗；
（d）冒泥的形成和发展的结果，道碴槽便演变成为大锅底型或马鞍型的道碴锅，轨道便出现剧烈的沉落变形；
（e）随着冒泥病害的发展，轨面剧烈的变化，需要经常添碴起道，添碴越多，冒泥越是加剧，成为恶性循环。
冒泥病害深入发展形成道碴锅后，轨道沉落的症状反趋和缓；
（f）经常发生在路基面松软的新建路堤上，运营已久的老路基和路堑内很少发生。
翻浆与冒泥两种基床病害，虽然其表现形式不同，但其构成的条件和形成后对线路的危害情况大致相同。
③冻胀及其特征
冻害，多发生在寒冷地区。
如路基土为透水性较差的细粘土，当含水量较高或基面积水，在冻结过程中土中水重新分布和聚集形成冰块，就会引起不均匀的冻胀现象。
过大的冻胀可使柔性路基面鼓包、开裂，使刚性路基面错缝，折断。
冻胀是翻浆过程的一个阶段，同时也是一种单独的基床病害。
它的特征有：
（a）冻害多发生在季节性冻土地区、地表土层一般冬季冻结，春季开始融化，夏季将全部融化；
（b）在土、水、温度的共同影响下，路基面将发生不同程度的冻胀，春夏又发生融化下沉，使轨面高低、水平产生不均匀变形，严重地段往往伴生翻浆冒泥、道碴陷槽、基床外挤等病害；
（c）当土层温度处于负温相转换区，且冻结速率较低时，土中水迁移最活跃，以致形成较大的冻胀；
（d）结构土由粒径大于0.1mm粗颗粒组成的土质，无冻胀或冻胀较小，如砂、砾石、碎石等；由粒径小于0.1mm细颗粒组成的土质，有较大冻胀性，如砂粘土、粘土等，尤其是粘粒含量大于15%，密度较小的粉粒土冻胀最强烈；
（e）土的天然含水量越大、冻胀性越大，特别是有地下水补给时，会发生强烈的冻胀。
（2）路肩变形――路肩外挤和隆起
路肩挤出为路肩变形的统称。
实质上是由外挤――路肩横向挤出，降起――路肩向上挤出的两种不同类型的病害组成。
①路肩外挤及其特征
路基基床如为中塑性或为高塑性的粘土、粉质粘土、淤泥、泥炭等排水不良的土质所筑成，由于施工和养护维修不良，经常处于软塑状态，基床软硬不均，上下强度不同，形成人为的刚卧层；路堑基床内部离路基面不深的部位存在天然的刚卧层――岩层，其产状不论是水平还是倾斜，均阻碍了道碴陷坑向下发展，同时侧面的阻力薄弱，便向一侧或两侧横向发展，引起路肩横向外挤，挤塌肩的现象，称之为路肩外挤。
如图1-4、1-5、1-6。
路肩外挤的特征有：
（a）路肩软塑的土，基本上成水平方向向外侧挤推移动，挤宽路肩，一般不会有隆起现象；
（b）经常在路堑出口处及有人为刚卧层的路堤上产生路肩变形，把侧沟挤坍挤窄，堵塞侧沟，造成地面排水不良，即使采取了加固措施，如浆砌污工建筑物，也难免不遭到破坏；
（c）轨道严重沉落，轨面剧烈变化，需要经常添碴起道；
（d）由于受水的影响，在春融或雨季期间发展较快；
（e）随着时间的延续，变形逐渐加剧，最后造成路肩向外推塌，危及行车安全。
②路肩隆起及其特征
路堑内基床土为中塑性和高塑性的粘土、粉质粘土、淤泥、泥炭、腐植土等排水不良的土质，含水量接近饱和状态，或在离路基面不深的部位存在天然的刚卧层――岩层，其产状不论是水平或倾斜，阻碍了道碴锅向下发展，同时侧面阻力坚强，横向外挤不能发展，便单侧或双侧向上发展，产生路肩向上隆起的现象，称之为路肩隆起。
如图1-7、1-8、1-9
路肩隆起的特征有：
（a）一般情况下，路肩隆起只发生在路堑内的路肩和侧沟内，特别是在下有刚卧层的山口处所；
（b）路肩横向隆起成土梗，影响路基排水，严重的有时隆起成小丘，基床内部马鞍型道碴锅有明显的滑动迹象；
（c）轨面变化剧烈，轨道持续沉落，需经常添碴起道，这样越添碴起道，越是隆起，二者便成恶性循环；
（d）由于受水的影响，在春融和雨季期间发展较快，轨面变化剧烈；
（e）随着时间的延续，轨道变化逐渐加剧，列车经过时剧烈摇晃，甚至危及列车安全。
（3）边坡变形――路堤边坡外臌
在粘性土或粉质粘土的路堤上，基床松软处，受列车动力作用，道碴锅集中一处向边坡深入发展成大道碴囊，经常积水，路堤一侧或两侧边坡的中上部位向外臌凸，严重者有时形成小丘或台地，引起轨道慢性而比较均匀沉落的现象，称之为路堤边坡外臌，如图1－10：
两侧边坡同时向外臌凸变形的情况比较少见。
最常发生的是马鞍型道碴囊向受动力作用大的一侧边坡深入发展，而且多半形成大水囊的一侧边坡外臌。
这样的水囊，随时都会有破囊崩塌的危险，即所谓“破囊崩塌”。
路堤边坡外臌的特征有：
（a）在路堤边坡的中上部有明显的变形外臌，严重的有时臌小丘台地，同时路肩也
向外向下塌肩；
（b）只发生在较高的路堤上，和在塘边填筑的低矮路堤上：
（c）高路堤，有时也与日照有关，背阴的一侧，边坡发生这种病害较多；
（d）严重外臌的边坡上，有时会有道碴露头，开裂淌渗泥水，如若淌渗清水时，则路堤已面临“破囊崩塌”的严重危险阶段，为破囊的预兆；
（e）轨面质量变化比较平缓，轨道沉落也比较均匀，但在边坡面临“破囊崩塌”的阶段，轨面变化就非常剧烈；
（f）由于受水的影响，在春融和雨季期间发展变化较快，轨面变化也剧烈；
（g）随着时间的延续，轨面变化逐渐加剧，最后造成边坡“破囊崩塌”，危及列车安全。
1.2基床病害的形成条件
基床病害的发生和发展原因很复杂，为许多因素综合作用的结果。
基床病害产生的具体原因，往往是以一个或几个条件起着主导作用，而其他条件只是起着助长的因素。
所以，分析产生基床病害的原因，要从具体情况出发，这样才能正确地找出基床病害产生和发展的真正原因。
构成基床病害的原因，归纳起来可分为自然条件、列车作用和线路技术设备状态三个主要方面。
1.2.1自然条件
如前所述，基床变形是基床产生病害的外在表现，是形式，而自然条件也是致基床在病害发展过程中产生变形的助推剂。
（1）基床的岩性
就土质而言，透水性强的砂土和粘砂土路基，一般是不容易发生，甚至不会发生基床变形。
透水性差的粘土和粉质粘土比较容易发生基床变形。
这是由于粘土质岩性具有颗粒细小，排水性能差、含水量高、遇水臌胀、稳定性差、抗剪强度低等不良特性，在水和动力共同作用下，便发生基床变形。
就岩石的性质而言，软弱的岩层，如泥质灰岩、页岩、片岩、板岩、红砂岩等都很容易风化，都很容易构成风化石质基面翻浆。
（2）水的作用
水，不论是地表水还是地下水，都是路基最大的敌人。
几乎所有的路基病害，直接或间接都是受到水的作用造成的。
水是由两个氢原子和一个氧原子组成。
由于氢原子和氧原子在水分子中排列得不相对称，如图1－11所示。
因此，虽然整个水分子是中性电，但它的一端就好像是正极（氢），另一端则是负极（氧）。
由于这种特性，水分子能向电极方向移动。
O-
100～106°¬
H+H+
图1-11水分子中原子的排列图
当水分子进入到由核及反离子所形成的电场之后，便以一定的方位排列起来。
由于与粘土颗粒的负电荷发生相互作用，水分子的正极转向粘土颗粒，而负极则转向扩散层中的阳离子上，这薄膜就形成包裹着粘土颗粒的普通水膜，使土粘带水，为土的液化开辟了道路。
对土质基面和风化石质基面翻浆冒泥以及其他基床变形而言，水是主要作用之一。
（3）气温变化的影响
水在温度4℃时，它的密度最大，体积最小。
超过或者不到这个温度的时候，它的密度变小而体积增大。
在土内，由于气温的变化，发生冻结与春融的现象。
土在冻结和春融的过程中，影响到土内水发生二次重分配。
第一次土中水的重分配是在冻结过程中进行的。
冬季气温下降，当土内达到冻结温度时，土中水开始第一阶段的重分配。
第二次土中水的重分配是在融解过程中进行的。
土壤内由冻结状态的水转变为融解状态的过程，土中水又开始第二阶段的重分配。
在第二次重分配的过程中，土的强度大为降低，在列车动力作用下，便容易发生基床变形。
由于土中水冻结的缘故，边坡上的土较路堤核心的土潮湿，所以经常引起道碴陷坑向边坡方向发展的倾向。
加上列车运行，两股钢轨承受的动力不均衡，便形成不对称马鞍型的道碴锅或道碴囊。
1.2.2列车的动力作用
产生基床病害的原因，除了前述基床岩性内在因素和水文气候条件外，外界的动力作用实为造成病害（变形）的重要因素。
没有列车的动力作用泥土不会成浆，即使变成泥浆，也不会向上翻冒，更不会产生各种形式的道碴陷坑。
因此，列车的动力作用，便成为造成基床病害不可或缺的条件。
机车车辆在线路上行驶，就有一定的重力作用在线路上，而且这些动力是以活动的、重复的、近乎周期性的形式作用着，因而基床承受相应的静荷载、动荷载和振动作用，以及由此而引起对基床的抽吸作用。
列车经过时，钢轨成波浪形向前起伏运动，轨枕也随着钢轨的运动在道床内起伏。
由于道床厚度和孔隙情况的不同，发生不等的真实抽吸作用。
如道床严重不洁，轨道直接放在路基面上，或者是线路上存在暗坑，则轨枕底面对道床或路基面的真空抽吸作用就非常剧烈。
加上水的助纣为虐的作用，把道床内脏物、路基面土壤和风化的岩石，以及岩石裂隙内的泥土，抽吸成泥浆，随着列车的辗轧和振动向上翻冒，便形成翻浆冒泥的病害。
1.2.3线路技术设备状态
路基产生基床病害因素和线路上部建筑的技术设备、线路设计的标准、施工质量和运营中线路养护维修的质量等有直接关系。
因此，必须着重研究技术设备这方面的各种因素，采取相应的经济有效的技术标准和设备，才能防治基床病害的形成和形成后制止其发展，以减少对运营的影响。
首先，线路技术设备的标准，要能满足运输要求。
假如与线路运营要求不相适应，就必然会直接导致基床病害的发生和发展。
如：
（a）在选线、定线时，把线路建设在堆积疏松、残积、坡积的岩层上；
（b）道床厚度不足。
道床厚度不足是产生基床变形的主要因素；
（c）垫床设备不仅具有道床的作用，而且对均布应力，保护路基面和反滤基面泥浆具有重要的作用，特别是在粘性土和粉质粘土路基面上，更为明显；
（d）轨枕的配置根数，不仅影响钢轨的应力，对路基面也产生一定的影响；
（e）钢轨接头，增加了列车车轮对路基面的打击力，使路基面遭受集中应力；
（f）没有横向排水坡的路基面，即未做好路拱的路基面，容易造成路基面积水。
路基和线路上部建筑设备每一个组成部分，都应有足够的强度，而且彼此之间要相互适应，每一薄弱环节都会影响到基床的良好状态。
其次，线路施工质量也决定着路基基床的稳定。
新建与改造铁路的施工质量与产生基床病害的关系及为密切。
例如：
（a）路基的填料在铁路路基施工技术规范上虽有明确的规定，但如果在实际施工时，未按规范要求施工，质量不良为建成运营后基床病害产生埋下了病源；
（b）填筑路堤时，没有在最佳含水量的情况下进行分层夯实，或者夯实滚压不良，因而填土的密实度不够，以致填筑的路基松软，承载力低，极易产生基床变形；
（c）施工时，路基面有坑洼，或缺乏路拱、排水坡、侧沟和排水沟纵坡不够不顺，形成路基面和水沟积水，导致路基松软，产生基床变形；
（d）没有铺设垫床、道床，直接把轨道铺在路基面上就行车的铺轨方法，是产生道碴槽最普遍、最主要的根源。
（e）不按设计标准施工，道床厚度不足或采用不符规定的大石碴，使应力集中，破坏路基面，造成基床变形。
再者，线路养护维修质量，对路基基床病害的产生和发展也是有密切关系的。
（a）由于线路养护维修没有贯彻预防为主的原则，再加养护维修作业不良，致使线路上部建筑失去弹性、道床不洁、排水不良，产生钢轨接头低塌、大轨缝、空吊板、暗坑、水平三角坑等病害增加了列车对路基面的冲击力，加剧了真空抽浆作用，使路基面造成坑洼、积水、软化土壤，造成泥浆，从而产生或加剧了基床变形。
（b）线路养护维护不良的另一结果，是两股钢轨受力不均，特别是在曲线上，由于超高设置不当，产生一股钢轨受力大一股钢轨受力小，形成道碴陷坑不均衡地发展。
（c）失效轨枕的存在，对路基面受力的影响也是十分严重的。
简言之，善于养护维修线路，做到平顺良好，列车的动力对路基面作用影响较小，但在质量较差的线路上，影响则十分显著。
我国幅原辽阔，地理和气候条件也不尽相同，随着铁路的不断延伸，铁路轨道穿越了林区、戈壁、雪原、沙漠、盐渍土、软土、溶岩、湖泊、江河等不同地质地貌，虫害、沙害、雪害、陷穴、冲刷等自然灾害每时每刻考验着线路设备的质量，同时也向铁路人提出了一个个考题，我们将以科学的态度攻克一道道难关，努力提高线路基础设备技术标准和稳定性，确保行车安全。
2基床病害的防治技术方法
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