本科毕业设计-铁路裂隙土基床病害整治探讨

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1、兰州交通大学毕业设计（论文）设计题目：铁路裂隙土基床病害整治探讨专业（班级）： 14级土木工程 指 导 教 师： 学 生 姓 名： 学 号： 14* 兰州交通大学继续教育学院 毕业设计（论文）任务书班级：14级土木工程 学生姓名： 指导老师： 设计（论文）题目铁路裂隙土基床病害整治探讨主 要 研 究 内 容裂隙土（膨胀土）造成的铁路路基病害，如边坡溜坍、滑坡、路基下沉、路肩挤出、基床翻浆冒泥等病害研究与整治方法。采用丙烯酸和脲醛树脂共混聚合物铺路剂，可结合线路中修清筛道碴时铺在道床下面，具有弹性，性能良好，该材料经过施工验证收到良好效果，是一种值得推广应用的新措施。另外还研究了采用丙烯酸盐和脲

2、醛树脂对基床土灌浆的方法来加固基床，也收到良好效果。关 键 环 节1确定论文题目；2收集、整理资料；3编写提纲；4撰写初稿及修改；5定稿。计 划 进 度1201 年 月 日201 年 月 日 收集资料；2201 年 月 日-201 年 月 日 撰写论文；3 参 考 资 料1孔德坊 裂隙性粘土 地质出版社 19942钱家欢， 殷宗泽 土工原理与计算（第二版） 1996.53廖世文 膨胀土与铁路工程 中国铁道出版社 19844V.Rizallash西德裂隙硬粘土的应力-应变性状5李潼桂，韩会增，唐永富，李秉生裂土路基病害及防治措施 西南交通大学 1989.126铁道部科学研究院论文集 铁道部科学研

3、究院西北研究所 1988.37文熙 土的工程性质 水力电力出版社8郭瑞林等 阳安线裂隙土分布及路基病害概述 安康铁路分局9刘宝兴 路基工程新技术实用全书 海潮出版社10韩会增 白志勇 应用高分子材料改良基床土质方法和技术研究总结报告 西南交通大学 1999.511 路基工程杂志 1988.2开 题 报 告班级：14级土木工程 学生姓名： 指导老师： 设计（论文）题目铁路裂隙土基床病害整治探讨一、文献综述裂隙土也称膨胀土是国内外广泛分布的一种特殊性粘土，该种土遇水膨胀，失水收缩开裂，反复胀缩使土体强度大幅度衰减，给工程的安全性带来极大危害，它常造成路面开裂，地基沉陷，边坡坍滑。在铁路上，造成的病

4、害有边坡溜坍、滑坡、路基下沉、路肩挤出、基床翻浆冒泥等病害。二、选题的目的及意义为了有效整治铁路基床病害，研究出一种丙烯酸和脲醛树脂共混聚合物铺路剂，可结合线路中修清筛道碴时铺在道床下面，该种铺路剂，可控制在35分钟固化，其2小时抗压强度达177kPa，25小时达522kPa；6小时抗拉强度1470kPa，24小时地基系数K30=180MPa/m，材料具有弹性，性能良好，故称弹性铺路剂，该材料经过施工验证收到良好效果，是一种值得推广应用的新措施。另外还研究了采用丙烯酸盐和脲醛树脂对基床土灌浆的方法来加固基床，也收到良好效果。三、重点研究内容为有效治理基床病害，本次研究出一种高分子新型铺路剂，可

5、供推广应用，其性能和特点如下：（1）脲醛树脂与高分子共混聚合物是一种全新的基床封闭材料，其配方合理，材料采购方便，凝固时间可调。（2）由于其有良好的胶结功能，可使不同时间的两次铺设达到“无缝”连接，从而可消除其他卷材的“接头”薄弱，理论上可实现“无限长”铺设。（3）其现场施工可以不架空线路，大大提高了行车的安全性。（4）可结合线路清筛时作大规模铺设。（5）施工简便、操作简单。（6）适应性强，可适合于已有的裂隙土基床，在清筛时进行铺设，也可在其他土质基床中铺设。四、教师意见指导教师： 年 月 日中 期 报 告班级：14级土木工程 学生姓名： 指导老师： 设计（论文）题目铁路裂隙土基床病害整治探讨

6、一、总体设计自接受毕业设计任务以来，首先按照编制要求，认真调研铁路施工维修作业分类及内容、铁路施工维修计划分类及内容、施工等级划分等基本概念；施工维修计划管理研究现状，其次，分析目前国内外施工维修计划管理研究现状，总结经验、吸取成果。按照实际情况从铁路运营实际出发，提出新的施工维修计划，管理模式、并在此管理模式下，重新设计组织结构和管理流程。并对该项目进行整体评价，以确定该项目的可行性。二、详细设计1. 裂隙土基床病害国内外研究现状及基床病害整治措施2.病害产生机理及高分子加固材料研究3.翻浆冒泥整治研究4.病害整治结论三、设计完成情况对施工工维修计划管理信息系统进行补充调研，其余部分内容按计

7、划逐步推进。对裂隙土基床病害国内外研究现状及基床病害整治措施进行研究，对病害产生机理及高分子加固材料研究，研究了翻浆冒泥整治方法。四、教师意见指导教师： 年 月 日结 题 验 收班级：14级土木工程 学生姓名： 指导老师： 设计（论文）题目铁路裂隙土基床病害整治探讨结题验收申请： 根据毕业设计任务书要求：毕业设计（论文）已全部完成，请老师评阅。 201 年 月 日指导教师评语：指导教师评分（优、良、中、及格、不及格）：指导教师： 年 月 日6兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要裂隙土也称膨胀土是国内外广泛分布的一种特殊性粘土，该种土遇水膨胀，失水收缩开裂，反复胀缩使土体强度大幅度衰减，给工程的安

8、全性带来极大危害，它常造成路面开裂，地基沉陷，边坡坍滑。在铁路上，造成的病害有边坡溜坍、滑坡、路基下沉、路肩挤出、基床翻浆冒泥等病害。矿物晶面之间的联接有的以分子键联结，如蒙脱石、晶面联结极弱、极性分子和水化阳离子可大量插入晶面之间，使土体分散，失去颗粒联结。高岭石晶面是氢键联结，伊利石晶面之间是K离子联结，联结性较强，但因粘土矿物本身带有过量负电荷，也会吸附极性水分子而造成土质软化。由于粘土矿物的亲水性，再加上列车动荷载的反复作用，而使基床土质软化，产生泥浆翻冒，道碴下陷，造成种种基床病害。为整治基床病害，曾采用换填优质土层、铺设氯丁橡胶板、塑料排水板和土工布来治理基床病害，但因施工条件，施

9、工质量和材料质量限制，经实践验证，采用的三合土、砂垫层、铺设土工纤维布、氯丁橡胶板都没有达到理想要求，施工完后不长时间，基床翻浆冒泥仍然复发，因而对上述几项措施已不再使用，而唯一一种使用效果较好的措施是铺设塑料排水板，它施工方便快捷，运用范围广，铺设质量好时，寿命可达36年。但塑料排水板铺设时要求架空线路和慢行，对既有线行车有一定影响，另外因板材长度大，不能多断面施工，限制了施工进度。为了有效整治铁路基床病害，西安铁路局安康工务段与西南交大协作，研究出一种丙烯酸和脲醛树脂共混聚合物铺路剂，可结合线路中修清筛道碴时铺在道床下面，该种铺路剂，可控制在35分钟固化，其2小时抗压强度达177kPa，2

10、5小时达522kPa；6小时抗拉强度1470kPa，24小时地基系数K30=180MPa/m，材料具有弹性，性能良好，故称弹性铺路剂，该材料经过施工验证收到良好效果，是一种值得推广应用的新措施。另外还研究了采用丙烯酸盐和脲醛树脂对基床土灌浆的方法来加固基床，也收到良好效果。关键词：裂隙土，基床，病害，铺路剂，灌浆AbstractFissured clay, also known as expansive soil, is special clay distributed all over the world. This soil swell when possess water and shr

11、ink when loses water. The strength of the soil will reduce greatly because of the repetitive expansion and shrinkage. This will lead to great danger for the safety of engineering with pavement cracking, ground settlement and slope failure. In railway engineering there is slope failure, landslide, se

12、ttlement of subgrade and shoulder of road pushing.Those diseases are concerned to soil ingredient, mineral composition, crystal structure and hydrophilic property, Minerals of clay are mainly kaolinite, montmorillonite and illite, which are composed of silica tetrahedral and hydroxo-aluminium octahe

13、dral. Crystal faces are combined by molecular bond, such as montmorillonite; this kind of combination is very weak and inserted by a great deal of polar water molecule and hydration cation, which results in soil disaggregation and losing the combination strength. Crystal faces of kaolinite are combi

14、ned by hydrogen bond and those of illite are combined by K+ ion. This kind of combination is relatively stronger but the soil will soften for the minerals have excessive negative charge, which lead to adsorption polar water molecule.Because of the hydrophilic property of clay minerals and the repeti

15、tive dynamic load of the train the soil of subgrade will soften, which results in a lot of diseases of foundation bed such as mud pumping, settlement of ballast, etc. In order to repair those diseases measures are adopted, such as soil replacement, laying chloroprene rubber plates, strip geodrain or

16、 geotextile. Those measures could not meet the requirements because of the restrictions of construction condition, construction quality and materials quality. It is proved that mud pumping of foundation bed will recur not long after the construction of sand cushion, laying chloroprene rubber plates

17、or geotextile, thus the above-mentioned measures are not adopted now. The only effective measure above mentioned is laying strip geodrain, which gains advantages of construction conveniently, application widely and the life span will be 36 years if the construction quality is guaranteed. On the othe

18、r hand it demands to overground the track and to limit the speed of train then affects the running of train. In addition multi section construction is impossible because the length of strip is long that limits the construction progress.In order to treat diseases of foundation bed effectively, Ankang

19、 railway engineering section and Southwest Jiaotong University developed a new pavement solvent, which is a polymer composed of acrylic acid and urea-formaldehyde plastics. This pavement solvent could be laid under track bed when middle repair. For this pavement solvent, it is controlled to solidify

20、 in 3 to 5 minutes, and the compressive strength within 2 hours is 177kpa, and can reach 522kPa after 25 hours; and the tensile strength within 6 hours is 140kpa, and foundation coefficient within 24 hours (K30) is 180Mpa/m. This material possesses elastic property and performs satisfactorily, there

21、for it is named elastic pavement solvent. It is proved by practice that this material is worth popularizing.Keywords: Fissured clay, Foundation bed, Disease, Pavement solvent目 录第1章 绪 论11.1 概 述11.2 裂隙土基床病害国内外研究现状21.3 国内外基床病害整治措施3第2章 裂隙土特性及病害产生机理72.1 裂隙土特性及基床土状态72.2 基床应力状态82.2.1 道床结构及对基床施加的荷载82.2.2 基床

22、应力状态计算132.3 翻浆冒泥的分类及病害产生机理142.3.1 翻浆冒泥概念142.3.2 翻浆冒泥分类152.3.3 翻浆冒泥的原因分析162.3.4 基床翻浆冒泥的产生过程24第3章 铁路基床高分子加固材料研究273.1 原原万源工务段基床土质酸性水玻璃改良加固研究273.1.1 前言273.1.2 病害产生的自然地质条件273.1.3 土体的工程地质性质283.1.4 酸性水玻璃的特性303.1.5 土质改良试验研究333.1.6 关于加固体韧性研究403.1.7 结论413.2 原万源工务段基床土质丙烯酸钙改良研究423.2.1 丙烯酸盐及其凝胶性质423.2.2 丙烯酸钙加固土试

23、验483.2.3 高分子复合材料改良土质研究513.2.4 结论52第4章 翻浆冒泥整治措施研究544.1 既有几种整治方法的评价544.1.1 三合土封面544.1.2 砂垫层544.1.3 铺设土工纤维布544.1.4 铺设塑料排水板554.2 整治翻浆新方法研究574.2.1 高分子化学浆液灌注加固路基574.2.2 丙烯酸和脲醛树脂共混聚合物铺路剂研究74结 论84主要参考文献85 第 85 页第1章 绪 论1.1 概 述 裂隙土在世界上存在于八十多个国家，如美国、英国、南非等。在我国分布也十分广泛，遍及云贵高原到华北平原之间各江河流域的平原、盆地、河谷阶地。 据全美土木工程师协会一九

24、七三年的估计：美国每年裂土对土木工程造成的损失达23亿美元，远大于地震、洪水、飓风造成损失的总和。裂隙土地区的铁路路基基床病害主要有基床下沉、翻浆冒泥和路肩挤出等病害，特别是翻浆冒泥，它是造成线路设备失控的一大病害，它直接消弱地基承载力，影响轨道结构的稳定，威胁列车的安全运行，是造成列车慢行和重大事故的原因之一。而由于路基翻浆和基床沉陷，造成轨道构件严重损伤，轨面急剧变形，使养护工作量大大增加，给工区线路维修造成很大压力。 如照片11。 照片11 钢轨接头处的翻浆冒泥和钢轨下的泥浆源裂隙土给土木工程造成的危害及线路翻浆冒泥是超固结性裂隙土的强度衰减及粘土的特殊成分造成的，由于以往对这种特殊土认

25、识不足，导致基床翻浆“久治不愈”、反复“发作”。裂隙土基床病害整治的关键问题是正确的选择整治措施。本文主要介绍裂隙粘土特性，基床病害类型及产生原因，裂隙土基床翻浆冒泥的工程措施的合理选择及高分子铺底和灌浆法材料的研制成果，这将为以后基床翻浆冒泥处理提供一种新的方法。从而逐步解决裂隙土基床翻浆冒泥这个老大难问题。1.2 裂隙土基床病害国内外研究现状粘土是一种在地质历史的长河中相当年前的沉积物，所经历的地质作用相对较少，除表层风化裂隙而外，在一定深度以下并不是所有的粘土层中都有裂隙发育；然而，在自然界中也确有许多粘土体具有不同程度的裂隙性。根据国内外大量文献资料的记载，广泛分布于亚、欧、美、非、各

26、大洲的裂隙性粘土均属于更新世及其以前沉积的超固结粘土。尽管在土力学和工程地质学领域对粘土的研究中，除表层不连续面以外，迄今仍基本上将其作为连续体看待，但是从粘土地基变形破坏和边坡失稳大量事故的分析以及对粘土力学特性的实验研究中，早在20世纪30年代就已发现裂隙所起的重要作用。遗憾的是当时并未引起研究者们对此问题的足够重视，直至六十年代才在有关文献中见到对这方面的论述。主要研究者如PGFookes，AWSkempton，LoK，Y.A.Chudnovsky，A.B.Williams，J.M.Duncan，L.Bjerrum，Mc GoWN，等等。在此领域中，他们主要论述粘土体中裂隙的形态、分布和

27、成因以及裂隙性粘土的变形、强度、边坡稳定性和试验方法等方面。结合上述研究成果，其基本特点如下：（1）多从土力学角度着眼，将此类粘土作为一种“材料”，而将其作为地质历史形成物的研究较少；（2）对裂隙性粘土变形和强度笼统的研究较多，而在裂隙对土体变形和强度的控制性方面具体分析研究的很少；（3）关于裂隙的成因，根据其宏观特征进行一般性推论的较多，但缺乏较确切的论据。裂隙性粘土在我国虽然分布较广，但研究情况和程度大体上也与国外相当，尤其在从裂隙性研究粘土体或者专门研究粘土体中裂隙的文献则更少见。从上述可以看出，对于裂隙性粘土的研究，无论是其地质特征及其与土体力学性能的关系，或者是在裂隙的力学特性及其对

28、土体总体力学性能的作用方面，特别是结合铁路基床方面的研究还相对较少。1.3 国内外基床病害整治措施 铁路路基病害的主要表现就是基床强度不足而产生的下沉、挤出变形和翻浆冒泥。产生这些病害的原因主要是土质不良，压实密度不足和排水不畅等原因造成。针对基床病害的原因，自六十年代以来，国内外都曾摸索过多种治理方法。目前常用的软弱地基加固方法主要有：桩基加固、排水固结、人工换填、土工材料处理和化学加固等各类方法。这些方法在新建线路的基床强化处理中，依据基床土质物理、化学性质的不同以及可能产生病害的原因不同而选用，一般都可取得较好的效果。但在既有线基床病害的治理中，有些方法成本太高，有些方法其工艺很难适应于

29、在运输繁忙的线路上实施，还有一些则治理效果又不太理想。 照片12 架空线路施工现场例如像换填土，已被公认为是一种较彻底的对路基病害的整治方法，但病害路段附近往往不一定有可供换填的好土。还有这种方法要进行钢轨架空施工，对线路的正常运营影响较大，所以具有较大的使用局限性。 近年来，许多欧洲国家开始使用大型路基处理工程编组列车，他们能够将换碴、换土、压实、铺设土工材料等许多工作一次完成。但投资大、技术要求高，也有较大的使用局限性。还有像前几年，在治理翻浆冒泥的过程中，最常用的铺设氯丁橡胶板、塑料排水板、土工布等方法，在基床强度较好的情况下，在一定时期内会收到良好效果，但由于风化作用和地下水位的上升，

30、使基床强度产生衰减，很快就会失败。据了解，有些路局曾铺设的氯丁橡胶板，近百分之八十的站段很快就失效了。见照3、照4。照13 氯丁橡胶板铺设后道床泥化状况照14 铺土工布前后的路肩挤出因此要想减少基床病害的发生，取得较为满意的整治和强化效果，就必须从本质上改变基床土体的性质，增加基床强度和抗水性能。要达到这一目的，最有效的方法就是采用化学加固的方法来对基床土体进行改良加固。国内有些研究机构也曾尝试过用石灰桩、水泥土桩来改变基床土的性质，也取得了一些成果，但由于在既有线施工中可操作性稍差，难以广泛应用。20世纪80年代，美国和日本研究了采用机床加固作业车，对基床灌注化学浆材和改性水泥浆材来加固铁路

31、基床，取得较好效果，其作业车工作原理加图11、图12。 图11 美国基床加固机具及施工原理图图12 日本基床灌浆机具及加固施工原理图第2章 裂隙土特性及病害产生机理2.1 裂隙土特性及基床土状态西安铁路局阳安、襄渝铁路处于陕南、川东北的秦岭巴山之间，有200多KM线路沿着汉江、月河等河流的两岸阶地或河谷盆地边缘的丘陵、垅、岗地带通过。所经地区广布裂隙土。该段裂隙土属于古老河床冲积物，主要由伊利石、蒙脱石及其他亲水矿物组成，含粉粒（0.050.005mm）4555%；粘粒（0.005mm3045%；渗透系数在1.5810-51.0510-6cm/s之间。这种土质失水收缩固结，吸水膨胀软弱，当地群

32、众形容为“晴天硬邦邦，雨天成泥浆”、“晴天一把刀，雨天一团糟”、“晴天似块钢，下雨一锅汤”。陕南各地裂隙土物性指标、颗粒成分及渗透系数见表2-1、表2-2。表2-1 陕南裂隙粘土物性指标 物性 指标 地点天然含水量w(%)天然容重g(KN/m3)天然孔隙比e液限Wl(%)塑限Wp(%)塑性指数Ip液性指数Il饱和度Sr勉西23.00.8843.822.521.30.02372.2汉中20.318.70.7740.620.220.40.00572.5K158 19.419.80.7339.521.917.60.1476.2西乡21.119.80.7940.620.120.50.04-汉阴24.6

33、18.90.8031.016.714.20.5484.0安康22.218.10.6336.220.216.00.1385.1表2-2 陕南裂隙粘土颗粒组成、渗透系数地点粒径(mm)及含量（）渗透系数0.050.05-0.010.01-0.0020.002-0.005(cm/s)勉西153312401.58-7.63x10-5K158192915371.31-3.6x10-6汉阴133118.237.8/安康103016441.5X10-6从表中测试数据看出，裂隙粘土多数为粘土少数为砂粘土渗透系数小，天然含水量都在塑限附近，土质软弱，在这种土质性质影响下，回填土基床极易产生道碴囊和道碴陷槽，并产

34、生翻浆冒泥使道床泥化 见图21。图21 回填土基床道碴囊泥化道碴在裂隙土基床中，因裂隙土具有超固结性，下层强度较高，而表层土因风化作用影响，土质软弱也极易产生翻浆冒泥，使道床泥化，但道碴囊厚度比较均匀，深度比回填土小，见图22。图22 膨胀土基床道碴囊及泥化道碴从阳安线和襄渝线现场可看到，凡是膨胀土路基地段，翻浆冒泥比比皆是，路肩挤出到处可见，对这种路基地段必须采用有力措施，才能保证列车正常运营。2.2 基床应力状态2.2.1 道床结构及对基床施加的荷载 1、道床结构施加的静荷载进行铁路基床病害整治，要清楚了解道床结构的基本形式，正线铁路道床的结构如图2-3。图23 铁路道床结构图 当铁路等级

35、为I级次重型时，设计轴重220KN，钢轨重量50kg/米，当铺设混凝土轨枕时，每公里为1840根，平均间距0.543米，轨枕长度2.5米，道碴厚度0.45米，道碴坡度1：1.75，荷载分布宽度3.49米。根据以上指标，道床对基床产生的总荷载为57.4KPa，其中活荷载42KPa，轨道荷载为15.41KPa。 2、列车运行对基床产生的动荷载 铁路火车运行，对基床面产生动应力作用，动应力大小与行车速度有关，按下式计算： =0.26 P （1+0.003V） 当用韶8机车时，轴重P=220KN，行车速度按70KM/h计算时，基床面处动应力为69.2KPa。当行车速度为200KM/h时，动应力92Kp

36、a。在以这两种速度行车时，基床面承受动荷载与静荷载之总和分别为126.6KPa及149.4KPa。 3、在火车荷载作用下路基中应力分布规律 在火车运行荷载作用下的基床中动应力分布规律，参阅国内及前苏联资料，在（）“在火车荷载作用下路基应力状态的变化规律”的文章中，介绍了在轴重为210KN，速度为120KM/h，路基中应力分布曲线如图2-4。图24 在火车荷载作用下基床里应力分布规律文章中介绍在火车荷载作用下，路基横断面上不同深度水平线上应力状态分布的规律及动应力在深度上存在范围。在同一深度，任何点的应力，可通过该断面钢轨下应力乘以不均匀享数来计算，则这里为应力分布不均匀系数，它表示出在路基横断

37、面上应力分布不均匀的特点，在钢轨下断面上的=1。在基床部位，枕木端部和道中心的不均匀分布系数分别用和表示。 根据试验研究结果，对于木枕直线段，路基面上枕木端部 0.440.84，对于混凝土轨枕0.380.7。而在道心，不管是木枕还是混凝土轨枕，道床中心路基面上=0.170.50。在上述基础上，研究出木枕和钢筋混凝土枕下路基面上，不均匀分布系数平均值=0.61，=0.33。不均匀分布系数，经研究它不依赖于车辆类型，荷载轴重以及运行速度而变化，它在不同部位，随深度的变化规律见表2-3。表2-3 荷载分布不均匀系数表距枕木底面的深度（m）断面上（距轨道中心线X数值）沿轨道中线（x=0）钢轨下的断面上

38、（x=0.76）枕木端部下面（x=135）在枕木范围外（x=1.95）1.00.650.70(=0.68)1.00.500.83(=0.70)0.250.35(=0.31)1.50.610.81(=0.71)1.00.720.88(=0.75)0.280.34(=0.32)1.80.780.82(=0.80)1.00.740.92(=0.82)0.440.48(=0.46)从表中不均匀系数看出，在同一个路基断面上，同一水平线上的钢轨下系数为1，是最大值。第二位轨枕端部，最小者在道心。不均匀系数随着深度的增加，相互的差别在减小，深度为1.8米时，系数最大差值为20%。由该资料得到,在基床中同一横

39、断面,钢轨下、枕木端和道心的各个部位,应力随着深度的增加按接近指数形式曲线衰减,应力按下式计算 式中 是路基面下离枕木底hi处的应力；是路基面离枕木底h0处的应力； lj是应力随深度衰减系数。 应力随深度衰减系数lj跟行车速度有关,可用下式表示 lj =a+bV 式中a,b是根据试验资料用回归法统计出来的系数，深度在0.41.8处研究出的系数值列于表2-4中。表2-4 路基应力随深度衰减系数的参数部位系数钢轨下轨枕端部道中心A0.00720.00860.0048B8.710-611.010-632.510-5 4、火车运行动荷载对基床的作用频率在路基横断面上不仅有随深度变化的应力大小影响着路基

40、应力状态，各种车辆的作用频率也影响着路基应力状态，用图2-4中四个轮对的车辆为例来说明车辆对路基作用过程。车辆作用于道床上时，先是整体呈弹性压缩，然后车辆下的道路，在不同部位局部或全面恢复到荷载作用前的应力状态，使应力状态产生周期性地变化。在路基中荷载作用的反复性和周期性，不仅依赖于转向架轴间距离l0和不同转向架相邻轴间距离L0，还依赖于行车速度。图24 车辆对基床的作用频率下面表2-5列出了在不同的轴间距情况下列车施加给轨枕上的最大荷载Qmax以及恢复值Q0与施加的最大荷载Qmax比值（Q0/Qmax），还列出了路基面恢复应力与施加最大应力比值h 0/max。同时也列出了在不同的轴间距下，路

41、基顶面最大应力的重复频率f0。从表中看出,火车给予轨枕的最大压力,在轴间距l0=1.85m时,可减少为25%。而在轴间距为4m甚至更大时,作用到枕木上的压力百分之百衰减.荷载对基床的作用频率,在基床表层1m内与单轴数量和行车速度有关,通常不超过10-20赫兹.在基床深2m以下,最大应力仅产生于两个转向架间,作用频率减少为表层的1/2.再向下一定深度,作用频率更加减少为车厢的个数.表2-5 不同轴距时基床面应力状态Lo(m)Q0/Qmax0/max在火车行速(km/h)时基顶面最大应力的重复频率(赫兹)25701001501.850.250.103.810.515.022.62.10.350.1

42、73.29.313.220.02.70.550.272.57.210.315.43.20.670.362.26.18.713.04.21.000.551.74.66.69.96.81.001.001.02.94.16.12.2.2 基床应力状态计算根据上述计算指标，如果列车速度按70Km/h计算，作用于路基面的动应力为69.2Kpa。若路基面距枕底为0.4米，（即道碴厚度为0.4米）埋深距枕底1米处轨下应力计算如下：0.00728.710-670000米/h=0.0072+0.6=0.6162 =69.2e-(hi-ho) =69.2e-0.616247.8KPa 同理可计算出离基床底不同深度

43、动应力值见下表2-6。表2-6 基床内钢轨下不同深度动应力和静载应力值应力类型路基面深度动应力(KPa)静载及土自最应力（KPA）动应力静应力动静总值加应力KPn轨道重土自重合重069.215.4015.44.4984.60.357.515.45.721.12.7372.91.037.3713.6819.032.681.1451.052.020.1811.4538.049.950.4031.633.010.909.557.066.50.1620.44.05.887.6576.083.650.0713.535.03.186.495.0101.40.039.58注：I级次重型线路火车时70Km/h

44、。从表中看出动应力对基床土作用力随深度衰减很快，在基床面下1米内影响最大，在2.8米处就显著减小为20%左右。从表列数据还看出，作用在路基面上的总应力为84.6kPa，根据不均匀系数又可算出，作用在枕端基面应力为51.6kPa。作用在道心基床面上的应力为27.9kPa。这可看出，地基强度不是翻浆冒泥产生的根本原因。应该说土的亲水性是病害的主要原因。2.3 翻浆冒泥的分类及病害产生机理2.3.1 翻浆冒泥概念 翻浆冒泥为一种基床病害的统称，实质上它是以翻浆和冒泥两种病害形式在线路上出现。翻浆是由含一定量细小粉粒、粘粒以及少量沙粒的土与水组成胶态或液态的泥浆，在动力作用下发生翻冒的现象。冒泥即是粘

45、性土含水量达到一定程度时，发生软化、形成处于塑性状态的软泥，在列车重复荷载和振动作用下，软泥受压向四周挤出滑动，而顺着弧形槽底向路肩、道心以及枕木盒内上翻，挤出的现象。翻浆和冒泥两种基床病害虽然表现形式不同，但其构成的条件和形成后对线路的危害情况以及整治的方法大致相同，故现场习惯把翻浆和冒泥统称为翻浆冒泥。2.3.2 翻浆冒泥分类翻浆冒泥，按照病害的性质、特征和形成的条件，以及从泥浆产生的部位和泥浆补给的条件，分为道床翻浆和基床翻浆两大类型。（一）道床翻浆在列车经过时碎石道碴互相摩擦或捣固时石碴摩擦，产生大量石粉，在水的存在条件下，由于列车频繁的振动抽吸作用，在道床内形成稀泥浆，列车经过时，泥

46、浆被挤压抽吸翻冒的现象，称为道床翻浆。其特征为：1、翻浆现象仅发生在道床内，通常不侵入路基面。2、翻出的泥浆与路基面土质不同，翻出的泥浆和开挖时看到的泥浆均为道碴色。3、雨季时翻浆严重，晴天干燥状态时，泥浆和石碴胶结在一起成坚硬的泥碴混结层，俗称板结层，使道床失去弹性。4、接头部分由于受到列车冲击力和抽吸作用较大，经常表现得比较严重。道床翻浆的根源是道床不洁，而道床不洁的主要原因为：一是道床使用了花岗岩和石灰岩两种岩性的道碴，由于石灰石性脆、弹性小，在列车经过时，碎石道碴互相摩擦产生大量石粉，污染道床。二是行人过道等带入泥土污染道床。（二）基床翻浆冒泥所谓基床翻浆冒泥是指粘土、粉土质土层和风化

47、软质岩层，受地表水和地下水影响而软化以致泥化，在列车重复荷载作用下形成泥浆，通过道床翻冒的现象。根据地层岩性、水文地质情况、泥浆补给条件和产生泥浆的原因，基床翻浆冒泥又可分为两种：1、土质基床翻浆冒泥粘土、粉土质土被地表水或地下水浸润软化以及泥化，在列车重复动力作用下，基面形成泥浆，通过道床翻冒的现象。2、风化石质基面翻浆冒泥风化石质基面受地表水或地下水长期浸润软化以致泥化，在列车重复动力作用下，基面形成泥浆，通过道床翻冒的现象。形成风化石质基床翻浆冒泥病害最根本的条件是岩性。基床翻浆冒泥的特征有：a. 翻浆从路基面开始，逐渐侵入道床以至枕木底部，严重的在枕木面上也泛滥泥浆。b. 基床存在深浅

48、不等的道碴陷槽时，由于积水，其表层土壤便成浆泥或成塑性状态稠泥，整个道床呈泥碴混合体。c. 在道碴孔隙间可以清楚地看到泥浆上冒的途径痕迹，当列车行进时，看到泥浆从通路孔隙中喷出，冒出泥浆的颜色基本上与路基面土壤相同，有时比路基面土壤稍深一些。d. 雨季开始，翻浆首先在钢轨接头处出现，随着雨季的延续，迅速地蔓延至钢轨的其余部分，雨季过后翻浆程度逐渐减轻。e. 风化石质基面翻浆与土质基面翻浆大致相同，但路基面一般无道碴陷槽。实际上，道床翻浆发展的结果会引起基面翻浆冒泥。同样，基面翻浆冒泥的结果更会产生道床翻浆，两种翻浆是相互影响，道床翻浆和基床翻浆冒泥呈复合状态出现的。因此，在实际进行分类时，必须

49、结合具体情况加以分析。2.3.3 翻浆冒泥的原因分析翻浆冒泥病害的产生，首先取决于地质条件和水文地质条件，其次决定于气候条件和动力因素。但是产生翻浆冒泥的原因是较复杂的，往往是以一个或几个条件起决定作用，而其他因素是影响因素。下面从几个方面加以叙述。（一）、翻浆冒泥地段的岩土的工程地质特征为研究翻浆冒泥，首先要分析翻浆地段的土样，安康地区土质物理、力学及化学分析结果如表2-7。表27 西乡、安康两地区裂土性质对比表地 区 性 质 西 乡安 康物理、水理性质颗粒成份砂粒20.058.523.59.622.4粉粒0.050.00543.962.938.556.7粘粒0.00523.139.1426

50、.8151塑性液限WL(%)37.4543.939.1949.5塑限WP(%)19.422.2317.9528.7塑性指数IP17.4522.0318.2431.79天然含水量(%)19.6622.3317.9528.79自由膨胀率(%)306841103力学性质直剪峰值C (Kpa)16741855 (度)11347.813.3三轴强度C (Kpa)5024020950 (度)723.51932残余强度C (Kpa)12332538.3 (度)3.76.31.74.9化学性质蒙脱石有效含量(%)14.1919.1924.931.43比表面积(m2/g)215.03267.13202.1823

51、8.82吸附阳离子总量(me/100g)23.8226.7128.4532.55PH7.17.75基床的岩土工程地质特性与翻浆冒泥有直接的关系，它是基面形成翻浆冒泥的内因。众所周知，透水性差的粘土和粉土很容易产生翻浆冒泥。这是由于粘土具有颗粒细小、透水性差、含水量高、承载力低、抗剪强度低、稳定性差等特性。容易使基床面土壤形成泥浆，在动力的作用下产生翻浆冒泥。下面就从土的矿物成分、颗粒组成、土的可塑性、土的渗透性加以说明。1、矿物成分土的矿物成分决定了土的物理力学性质。土的矿物成分不同，其性质就有显著的区别，风化形成的次生矿物和原生矿物的物理力学、水理性质有显著的改变。在土的矿物成分中，粘土矿物

52、的性质对翻浆冒泥的形成有较大的影响。粘土矿物主要由高岭土、伊利石、蒙脱石组成。经调查研究表明：蒙脱石、伊利石含量较多的土是产生翻浆冒泥的重要因素之一，这是由于它的化学成分和结构特性所决定。粘土矿物是由原生硅酸盐类经水解作用而形成的次生硅酸盐矿物，具层状或链状晶体结构，外形多呈片状，且含有不同数量的水。绝大多数粘土矿物都是晶质的，其晶胞的基本构造单元是硅氧四面体和铝氢氧八面体层。见图25。a硅氧四面体b铝氢氧八面体图25 粘土矿物晶体基本构造单元不同类型的粘土矿物都是由这种硅氧四面体层和铝氢氧八面体层相互叠置而成，其结构特性如下：（1）高岭石，高岭石晶胞是由一层硅氧四面体网格和一层八面体网格叠置

53、而成，为两层型粘土矿物，其结构见图26。图26 高岭石结晶结构示意图四面体层顶端向下通过公共氧离子与八面体联结，晶胞的上部基面由氧组成，而下部为氢氧根，因此晶胞基面间为OOH氢键联结，氢键使得晶胞间的联结较为牢固，晶格不能活动，所以高岭石是一种较稳定的粘土矿物，具有坚固的不活动格架，在浸水时格架中的晶胞的距离保持不变，因含有大量细微分散状态的粘土，因颗粒细小，具有一定亲水性。（2）蒙脱石：蒙脱石晶胞是由两层硅氧四面体网格中夹一层铝氢氧八面体网格构成，为三层型粘土矿物，其结构见图27。图27 蒙脱石结晶结构示意图四面体顶端指向八面体层，并通过共用氧（O）与之结合，蒙脱石的晶胞基面全由氧（O）组成

54、，晶胞间为OO接触，彼此间靠分子间相互作用力联结，晶胞间连结很不牢固，极性水分子或其他极性水化离子容易进入其间，使晶胞间距增大，当进入水分子很多时，使相邻晶胞完全失去联结力而相互分离，形成更细小的颗粒，由此可见，蒙脱石较其它的粘土矿物亲水性强，具有极大的可塑性，在水中有相当大的膨胀性和吸水性，因而极易产生翻浆冒泥。（3）伊利石：伊利石也为三层型粘土矿物，与蒙脱石不同的是类质同象替代主要发生在四面体中，其中Si被Fe、Al所替代，剩余电荷较多，且接近基面，因此有利于在相邻晶胞之间吸附更多阳离子以补偿正电荷之不足，这些被吸附的阳离子主要是K离子，它起着加强晶胞间联结的作用，从而使晶格的活动性较蒙脱

55、石类矿物低得多。伊利石为主的粘土矿物具有中等偏高的亲水性、可塑性、膨胀性与吸水性，比较容易产生翻浆冒泥。（4）细小的粘土颗粒均带有电荷，在水介质中产生离子交换，使土粒周围形成增厚的扩散层，且因颗粒小、比表面积大，因此粘土细颗粒的离子置换性促使土的膨胀性、崩解性增强、透水性降低、塑性增大。当土的含水量增大时，这一因素的影响更加强烈。蒙脱石的离子转换能力最强，伊利石次之，高岭土最小，由此可知，只要有水的影响，这类土就可能产生翻浆冒泥。（5）由于胶体性和离子转换能力强，粘土矿物中的蒙脱石、伊利石有很强的亲水性。易吸水，又很难将水排除，从而引起翻浆冒泥加剧。（6）当土中有胶体颗粒时，即使胶体颗粒不多，

56、只要有适当条件，使土的含水量达到塑性状态，在列车动荷载作用下，即液化呈流动状态，这一特性称为触变。正由于这个原因，许多翻浆冒泥地段土（石）的含水量仅达到塑性状态即产生翻浆冒泥，且难以根除。 2、土的颗粒组成一般来说，砂粘土、粉土和粘土以及风化严重的软岩基床产生病害较多。经研究表明：一般粘土颗粒在30%以上，和含粉土颗粒在35%以上，特别是含粉土颗粒在40%以上时，最易引起翻浆冒泥病害产生。这主要是因为含粉粒、粘粒多的土，渗透性差，容易在基床面形成泥浆，而引起翻浆冒泥。3、土的可塑性 一般分析认为：液限含水量和塑性指数能很好地反映出土的亲水性大小。我们平时说的粘土、砂粘土，塑性指数在12以上都易

57、产生翻浆冒泥。 （二）水是产生翻浆冒泥极为重要的条件几乎所有的路基病害都是直接或间接受到水的影响所造成的。要了解水在翻浆冒泥病害中作用，首先应对水在岩石和土壤中的存在形式有比较全面的认识。根据水所处地层的位置和来源，可分为地表水和地下水，他们的存在，也是造成翻浆冒泥的主要条件之一。在调查中我们发现，在该段中地下水的埋深较大。引起该段翻浆冒泥的水的来源主要是地表水。土中水的分类是以水分子的活动能力的大小为主要依据的。土中的水可分为结合水和自由水，结合水又分为强结合水、弱结合水；自由水又分为重力水和毛细水，重力水存在于土的孔隙中，是只受重力作用控制的普通液体水。在天然状态下，上述几种水在土中是共存

58、的，它们之间一般没有明显的界限，而且在岩土中不停地相互作用，从一种形式转变成另一种形式，并改变着土壤的性质，其中以自由水所起的作用最为显著。要说明水对基床面翻浆冒泥所起的作用，必须要了解水与翻浆冒泥的相关特性，现分述如下：1、土的渗透性和湿化、软化作用土孔隙中的自由水在重力作用下，能通过土体的性能称为水的渗透性，水的渗透速度主要决定于土的颗粒组成与密实程度，在其他条件相同的情况下，速度与压力差成正比。砂的渗透速度大致与其颗粒的平均粒径的平方成正比。在黏性土中，水常向着湿度小的方向沿着毛细孔移动，当土浸于水中时即可失去黏结性，并失去抗压能力，形成湿化现象，土的胶结性被破坏，从而使土体产生软化。特

59、别是粘土，由于湿化软化作用而常呈塑性状态或流动状态，在列车动力的重复拍击抽吸作用下，泥浆便向上翻冒，所以水对翻浆冒泥首要的作用是湿化和软化土体，而水的湿化和软化与水的渗透特性有因果关系，它为翻浆冒泥创造了条件。 2、土的毛细性和毛细作用在该段范围内，由于地下水埋藏较深，毛细水对路基面的作用几乎可以忽略，主要是由于地表水下渗润湿基床面，使其处于软塑状态，为翻浆冒泥创造条件。3、水的极性和介质作用水分子是极性分子，在水分子中，两个氢原子位于等腰三角形的底角，而一个氧原子位于顶角，彼此以共价键相连。整个水分子是中性的，但它的一端显示正电荷，另一端显示负电荷，遇到电场作用，水分子就作定向排列，这就是水分子的极化。当水中存在电解质的离子时，水分子围绕着离子定向排列，从而出现离子的水化现象。由于粘土颗