高速铁路路基微膨胀性填料改良.pdf

中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-84-三星推荐研究现状微膨胀性填料存在变形累积，对路基的稳定性造成隐患，因此对高速铁路路基微膨胀性填料改良研究迫在眉睫。常见的改良方法主要有物理改良（搅拌、碾压等）和化学改良（掺入水泥、石灰、粉煤灰等）。工程应用表明，确保改良质量的关键在于严格控制掺量、做好填料间的界面处理以及施工防水防渗措施，这些都是改善长期稳定性的必要手段。研究目的及意义主要研究内容及目标研究内容：（1）开展路基填料的基本物理化学力学试验，确定填料的膨胀组分。（2）揭示级配碎石填料内部膨胀矿物的催生转化机制。（3）明确膨胀矿物与粗颗粒骨架的相互作用机制。（4）建立考虑时间效应、环境效应和工程效应的微膨胀填料上拱变形预测模型。研究目标：（1）制定适用于高速铁路无砟轨道的微膨胀路基填料分类分级标准。（2）弥补现行规范中微膨胀性评价标准与高速铁路无砟轨道精度要求之间的不协调。（3）准确判断路基填料的膨胀潜势，实现路基填料科学选用，避免非膨胀填料浪费。研究意义研究意义：（1）保障高速铁路安全稳定运营。微膨胀填料长期变形效应严重影响路基稳定性，改良可有效消除负面影响，防止事故发生。（2）节约建设和运营成本。改良后填料性能更优，可减少道床病害和后期维护，降低整体费用。（3）为类似填料处理利用提供参考。研究可推广至公路、水利等建筑工程领域，有效指导现场材料的筛选改良。（4）积累高铁路基长期稳定性设计经验。未来可在复合环境条件下开展填料稳定性监测，进一步完善相关标准规范。路基界面发育机理高速铁路路基填料中往往存在一定量的微膨胀性组分，如蒙脱石、高岭石等，它们在湿润环境下会发生微量的胀缩变形。虽然每次变形量很小，但长时间累积会对路基稳定性产生负面影响。这种微膨胀性填料与路基其他部分物质之间存在明显的行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度高速铁路路基微膨胀性填料改良符文博 吴孜鹏 郑 洋符文博 吴孜鹏 郑 洋石家庄铁道大学高速铁路建设取得了长足的发展，但也面临路基微膨胀导致的上拱变形等一些技术问题亟待解决。部分高铁线路由于采用的填料中含有微膨胀性组分（如蒙脱石、高岭石等），这些组分在湿润环境下会发生微量但持续的胀缩变形，长期累积后会严重影响路基的整体稳定性。如何改良这类微膨胀性填料，提高其力学性能和长期稳定性，是保障高铁安全运营的重要课题。本研究拟深入揭示微膨胀填料膨胀发育的微观机理，开展室内外试验，研究环境因素和工程因素对其上拱变形的影响规律，建立精确的变形预测模型。并在此基础上，比较分析不同改良措施的效果，找出科学的材料配置方案。此外，还将探讨优化的施工工艺流程，确保改良质量，提供整体解决方案。研究成果可为类似铁路、公路工程项目的设计施工及运维提供借鉴，具有重要的工程应用价值。-85-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐强度差异和界面。比如与基岩、边坡护岩之间的界面；粗细粒料间的界面；改良土与未改良土之间的界面。这些界面是应力、水分传递的主要途径，一旦发生损伤就会引起路基整体稳定性的降低。当路基受外界环境因素（如降雨、温度波动）和交变荷载的长期作用，微膨胀性填料会在界面处不断发生微小的胀缩、软化、崩解，导致界面损伤扩大、渗流通道增加，继而诱发路基变形或破坏。因此，改良路基微膨胀性填料，加强界面处理，控制水分传导是有效预防和治理路基病害的关键措施。一方面减小填料本身的膨胀潜力，另一方面增强界面抗剪抗渗性能，制约变形的发展。高速铁路路基上拱危害性状高铁路基上拱危害性状的主要表现是轨面出现持续上移变形，严重影响线路平顺性，需要临时限速或大修。这类上拱变形往往发生在低矮路堤及路堑段，表层填料膨胀是其主要力学机理。导致上拱的填料膨胀可概括为两大类：一是天然膨胀矿物如蒙脱石等在湿润环境下吸水软化、崩解后体积扩张；二是工程材料中添加剂（如水泥、石灰等）与填料内含盐等反应生成钙矾石、硅灰石膏等次生膨胀矿物。上拱路基在径向和竖向均会产生应力重分布。膨胀体的增厚膨胀使周围环境受压，基底应力增大，引起基底弯矩变形；同时路面的持续上拱也使表层土体受拉应力增大。上拱路基的力学响应还受水分条件影响，会使膨胀体发生收缩，导致应力和变形的动态演化。微膨胀性填料的改良材料微膨胀性填料是指含低黏土矿物（如高岭石、伊利石等）的填料，具有微弱的膨胀潜势。为降低其膨胀性，常见的改良材料主要有以下几种。掺入膨润土。膨润土可吸附填料中游离水分，减缓水分向膨胀矿物的渗透，从而抑制填料的膨胀性。掺入石灰或水泥。石灰和水泥可通过固结作用提高填料的抗渗性，减少水分的渗透，并通过水化反应吸收水分，从而抑制膨胀。但过量掺加会促进硫酸盐侵蚀反应。碱处理。用强碱处理填料，可溶解并去除填料中部分促进膨胀的交换性阳离子，减少膨胀性。采用抑膨剂。抑膨剂可通过电化学反应抑制填料的膨胀，但是抑膨效果与填料组分和配合比相关。微膨胀性填料改良的技术方法从填料组成上看，普通级配碎石填料中含有一定量的黏土矿物、硫酸盐等成分。这些成分在适当温度、湿度和化学条件下会促进钙矾石、硅灰石膏等膨胀矿物生成，引起填料体积增大和路基上拱。因此，合理控制填料中黏土矿物、硫酸盐等有害成分的含量，是减少填料膨胀性的关键。从施工上看，严格控制施工工艺，密实填料结构，防止水分和有害离子的侵入。常用手段有加大首层压实度，增加防渗层的厚度，严格施工检测等。从运维上看，加强路基排水系统建设，防止水分侵入和聚集；运用现代检测技术监测路基变形，及时发现并处理膨胀反应。综上，改良填料成分、配制抗膨剂、优化施工工艺、严密运维监测是减少微膨胀性填料路基上拱变形的主要技术手段。微膨胀性填料改良后的力学特性微膨胀性填料属于弱膨胀性填料，其膨胀变形量较小。从物理方法来看，可以通过搅拌、碾压等手段改变微膨胀性填料中的膨胀性矿物结构，使其失去膨胀性。这类填料改良后的宏观力学特征与未改良填料基本类似。从化学方法上，常见的改良措施有加入少量水泥、石灰等掺合料。加入水泥后，填料的抗压强度、抗剪强度明显提高，韧性增强，黏聚力提高，抗水稳定性提高。但是也增加了填料的脆性，降低了塑性指数。过多水泥掺量还会诱发硫酸盐侵蚀水泥而产生继续膨胀。此外，改良后的填料宏观力学特征还与压实质量密切相关。充分压实是确保填料力学性能的重要手段。压实不充分时，填料孔隙率大，稳定性差，抗剪强度低。充分压实能提高填料的抗剪强度、抗压强度和抗渗性。总体来说，改良后的微膨胀性填料，其力学性能有很大提高，能够满足高铁路基填筑要求，但是仍需严格控制水泥掺量并保证足够的压力。建立数学模型分析，描述填料的微膨胀动力学过程，预测其体积膨胀量和时空分布规律，模型考虑多种环境加载条件下的耦合作用。假设条件：忽略边界效应、填筑稳定均匀。符号说明：取路基填料的弹性模量 E、泊松比、单位重、内摩擦角、粘聚力 c、膨胀压力 s、路基宽度 B、路基高度 H、温度 T 和湿度 RH。稳定性判别条件 Fs 1.25。路基稳定系数 Fs 计算公式：Fs=cA/W其中：c 路基填料黏聚力（kPa）A 抗滑面积（m2）W 路基填料自重（kN）。抗滑面积 A 计算公式：A=（B+H）H路基填料自重 W 计算公式：W=BH合并公式：Fs=c（B+H）/B确定膨胀压力：基于热力学和矿物学原理，建立路基填料中蒙脱石膨胀反应机理模型，表达膨胀压力与温度、湿度的关系：其中 a 为反应程度，Hr为反应放热量，k 为反应平衡常数。建立路基稳定性模型：考虑抗滑稳定性条件，建立判断路基稳定性的模型：优化模型：定义评价指标：结构安全性、变形控制、经济合理性；确立约束条件；采用多目标遗传算法解优化问题。中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-86-三星推荐参数识别：运用贝叶斯估计理论，基于监测数据识别模型中不确定参数。利用计算机程序实现模型的求解。根据不同设计情景，计算填料的长期稳定性指标，评估它对高铁线路平顺性的影响，并提出相应的稳定性设计标准。（1）考虑如下三种典型设计情景：情景一：填料受强降雨影响（此时温度 T=25，相对湿度 RH=80%）。情景二：填料遇严寒天气（此时温度 T=-5，相对湿度 RH=60%）。情景三：填料接近饱和（此时温度 T=15，相对湿度RH=98%）。计算结果：情景膨胀压力 s路基稳定系数 Fs130 kPa1.05210 kPa1.25340 kPa0.98影响评估：情景一：稳定性尚可，对线路平顺性影响较小；情景二：边缘稳定，需加强监测；情景三：稳定性差，严重影响平顺性。提出的设计标准：路基填料的稳定系数 Fs 应不小于 1.15，否则就可能影响线路的长期平顺性，需要采取加固或其他措施。验证模型的准确性。如果条件允许，通过现场试验或室内模拟试验获取数据，与计算结果进行对比。稳定性评价随着高速铁路的快速发展，对路基填料性能提出了更高要求。直接采用微膨胀性填料极易发生变形，影响路基长期稳定性，改性是解决该问题的关键。此外，处理和防水措施对确保改性质量也至关重要。必须严格控制均匀性，并在改性体与基岩之间、与边坡之间做好过渡，避免应力集中；同时加强基床防水，减少水分影响。总之，采用适当的改性方法，不仅可以明显增强微膨胀性填料的力学性能，也使其长期稳定性大为提高，为高铁路基的安全运营奠定坚实基础。结构和构造合理性填料体积变化控制。改性填料残余膨胀系数不超过50%，有效控制填料的微膨效应，避免路基结构累积变形。填料抗剪强度提升。改性填料抗剪强度指标显著提高，黏聚力提升 12 个数量级，满足路基剪切稳定性需求。界面处理合理性。改性填料与路基原有材料的连续层要过渡自然，采用分层搅拌改良，避免界面应力集中。防水排水系统合理性。基床表面要铺设隔水层，并设置细沟槽等排水系统，使路基处于良好的排水状态，减缓填料再吸水软化。压实质量合理性。严格按规程要求的层厚和压实度施工，使改性填料与其他路基材料之间充分接触，有利于整体路基刚度的发挥。检测与评价指标选取合理性。采用残余膨胀系数、抗剪强度、渗透系数等指标对改性填料进行检测评价，判断路基质量和稳定性。改性填料路基结构合理且可靠，有助于发挥整体路基的承载力，是高铁路基设计的重要构成部分。创新点揭示了微膨胀性填料上拱变形的微观发育机制。通过基本物理实验与微观测试，确定路基填料的膨胀组分，明确膨胀矿物与粗颗粒骨架的相互作用机制。建立考虑时间效应、环境效应和工程效应的微膨胀填料上拱变形预测模型。与现场实际情况和实测成果对比分析，实现对上拱时空分布曲线的准确预测。深入研究微膨胀填料上拱变形的物理化学机理，如膨胀土、硫酸盐侵蚀水泥、黄铁矿氧化等机理，为制定防治对策提供依据。开展多因素、多水平的填料上拱变形对照试验，系统研究环境因素和工程因素的定量影响，为工程设计和施工提供参考。通过实验和工程实践研制了土体抗拉测试装置（图 1），并对装置进行实验分析（图 2）。这些创新点可以有效弥补现有研究的不足，为防治高速铁路路基上拱变形提供科学指导，具有重要的工程应用价值。结语高速铁路路基微膨胀性填料（如低黏土矿物泥岩）实际上具有微弱的膨胀性，这种微弱的膨胀性在长期累积后会对高铁轨道产生难以控制的影响，是造成路基上拱变形的重要原因之一。建立考虑时间效应、环境效应和工程效应的路基膨胀量预测模型，修正适用于高铁的路基填料膨胀性分类标准，指导填料的选用，是有效防控路基上拱变形的关键。图 1 土体抗拉测试装置图 2 实验分析