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DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-4295
摘 要：该文依托于西北地区某高速铁路路基上拱试验段，通过现场和室内微观试验，着重分析了上拱路段工程地质特点以及膨胀性指标、易溶盐含量和矿物成分，得出了该高速路基上拱是由于硫酸盐侵蚀水泥改良土生成钙矾石以及硅灰石膏等膨胀性物质导致路基上拱變形的结论，提出了一些防治措施，并通过现场监测评估了该高速铁路路基桩板结构的整治效果。
关键词：高速铁路 路基上拱 硫酸盐侵蚀 治理措施 桩板结构
中图分类号：U238 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（a）-0059-05
Study on Mechanism and Treatment Measures of Subgrade Arching of High-speed Railway
WANG Yue1 DU Lin1 GONG Huaiming1 LEI Zhanshan1 LI Yaozong2
（1.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810007 China; 2.School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province， 050043 China）
Abstract： Based on a high-speed railway subgrade arch test section in Northwest China， through field and indoor micro tests， this paper focuses on the engineering geological characteristics， expansibility index， soluble salt content and mineral composition of the arch section. It is concluded that the camber of the high-speed subgrade is caused by the expansive substances such as ettringite and wollastonite produced by sulfate eroding the cement improved soil， and some prevention measures are put forward; Through field monitoring， the regulation effect of the pile slab structure of the high-speed railway foundation is evaluated.
Key Words： High speed railway; Subgrade arching; Sulfate attack; Governance measures; Pile slab structure
中国铁路近年来发展迅猛，目前已建成高效的铁路网。预计到2030年，我国高速铁路运营里程将会达到4.5万km[1]。以西北地区为研究对象，通过可达性潜力模型和网格化模型分析，发现铁路建设将会更好地带动西北地区交通网络的协调发展，缩小区域之间的差异，为西北地区的经济繁荣发展提供强有力的交通基础设施保障[2]。
高速铁路运行速度高，对线路平顺性要求高，所以其路基变形要求更为严格。路基上拱一直是困扰交通工程建设的问题，从2015年起到2018年该高速铁路多个路基段持续发生轨道高程上拱现象，且这些发生上拱现象的路基段膨胀变形仍在发展，其中最为严重段道岔上拱量已超过100 mm，严重地影响列车的正常运营。
目前很多学者对高速铁路路基上拱变形原因进行了大量研究。路基上拱可能是由于路基中含有膨胀土，而膨胀土中的膨胀性物质遇水会引起体积的剧烈膨胀[3-4]。有学者指出在温湿度、盐分合适条件下，水泥改良土填料与硫酸盐发生反应生成钙矾石、硅灰石膏等膨胀性晶体，也会引起路基膨胀[5]。例如美国得克萨斯州82号公路东侧路基发生的石灰土与硫酸盐矿物质反应诱发路基膨胀、马德里和巴塞罗那之间的某条高速铁路发生的硫酸盐侵蚀水泥改良土诱发路基膨胀，通过微观物质分析二者生成物主要成分为钙矾石、石膏等膨胀性物质[6-7]。尧俊凯等人发现水泥改良土段路基上拱变形主要原因是硫酸盐侵蚀路基水泥改良土，并且封闭体系下钙矾石的生成反而会使体积变小，只有当外界水和硫酸盐参与反应生成钙矾石时，才会引起体积的剧烈膨胀[8-10]。
1 病害机理分析
为了探究该高速铁路路基上拱的具体原因，通过对路基上拱段较为明显工段，进行了工程地质勘察、路基填料取样进行膨胀性指标分析、易溶盐含量测试和x射线衍射仪矿物质分析等手段，来探究该高速铁路路基上拱的具体原因。
1.1 上拱路段工程地质
该试验段地质位于：湟水河一级、二级阶地，地形地势较为平缓开阔;工点范围内主要分布地层为第四系全新统冲积砂质黄黏土：棕黄色、浅棕红色、浅黄色，厚2～20 m，具有I～Ⅱ级非自重湿陷，且该段范围内不良地质不发育;其下为粗、细圆砾土、卵石土，局部夹透砂土、粉质黏土、粉土;下伏第三系泥岩夹砂岩，具有膨胀性;在铁路、道路路基及坡脚一带表层为填筑土、素填土;该上拱工点的地下水埋深6.8～8.5 m，地下水位变化幅度大，土壤最大季节性冻结深度为105 cm。 1.2 上拱路段各项指标分析
1.2.1 膨胀性指标
由分析可知，该工点蒙脱石含量为7%～14%、自由膨胀率为40%～90%、阳离子交换量为170～260mmol/kg，得出该断面的填料和地基土均达不到膨胀土的标准。
1.2.2 易溶盐含量
该断面易溶盐偏高，除基床表层以外其他土样，易溶盐总量为0.8%～1.3%，硫酸根离子高0.4%～0.9%。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038-2012）中对于盐渍土的判定标准（易溶盐总量大于0.3%），得出该断面路基填料和地基土达到盐渍土标准。
1.3 高速铁路路基上拱原因分析
通过对该上拱断面的检测可知水泥改良土和水泥垫层位置处含有大量石膏粉末，由于硅灰石膏具有膨胀性，所以其是造成路基上拱变形的主要物质。因此，该工点路基的上拱变形，只要是由于硫酸盐侵蚀水泥改良土生成硅灰石膏、钙矾石等膨胀性物质引起的。
2 病害治理措施
通过第二节分析可知该高速铁路路基上拱的主要原因为硫酸盐侵蚀水泥改良土引起的。封闭体系下钙矾石的生成反而会使体积变小，只有当外界水和硫酸盐参与反应生成钙矾石时，才会引起体积的剧烈膨胀，所以寻找合理的外界水分、盐分的阻断措施便势在必行。
2.1 水盐运移的防治措施
目前关于水盐运移防治措施主要有提高路基高度、铺设隔断层、改进路基结构形式、防排水措施等。
（1）提高路基高度：路基高度的提高有利于增加毛细水上升时的重力势，进而减少毛细水对路基的影响作用，该措施主要针对于新建铁路。
（2）铺设隔断层：虽然路基高度的增加能够减少毛细水对路基的影响作用，但是同样也会使路基施工的成本增加，并且如果路基高度过高会对行车安全造成一定的影响。当路基高度受限时，需要在路基内部设置隔断层来降低毛细作用，减少路基内部水分和盐分的运移。
（3）改进路基结构形式：桩板结构路基是高速铁路无砟轨道的一种新型路基结构形式，它由上部钢筋混凝土承载板、钢筋混凝土桩基和路基本体构成。下部桩对土的挤密作用，可以使地基与路基土的密实度增加，进而减少地基内部水分携带盐分的向上运移。
（4）防排水措施：目前主要有加强路基边坡防护，截、排地表水，降低地下水。
2.2 该高速铁路具体治理措施
目前高速铁路针对路基上拱点的整治措施多为桩板结构。为了检测路基桩板结构整治效果，该文以桩板结构治理后的上拱试验段进行变形实时监测。采用TZT-D1型振弦式多点位移计测量结构物体内部的深层部位的位移、沉降。TZT-D1型振弦式多点位移分别布设在路基左右两侧1 m、3 m、5 m、7 m处。
对整修后的K1808+060试验段左右两侧1 m、3 m、5 m、7 m处进行了长达10个月路基变形监测。路基两侧测点变形位移如图3、图4所示。
由图3和图4可知，路基左右两侧变形整体表现为先增大后减少趋势。各测点在铺设初期略有上拱现象，并且右侧比左侧上拱变形稍大，左侧路基测点最大变形量约为0.5 mm;右侧测点最大变形量约为1 mm。进入冬季尤其12月份以后，路基开始剧烈上拱，2月中旬变形最大，右侧高达6.5 mm，左侧约为1.95 mm。入春后天气变暖，冻胀变形开始减少，2月中下旬至3月初变形迅速减少，3月至7月初变形缓慢减小至入冬初期的路基变形。目前路基变形均小于2 mm，在路基变形可控范围内。整体上看变形呈现先增大后减少现象，而硫酸盐入侵水泥土一旦形成了钙矾石等膨胀性晶体后，膨胀变形会持续增大，故整治后的变形不是硫酸盐入侵水泥发生的侵蚀膨胀，说明该高速铁路上拱试验段桩板治理效果目前看来是有一定治理效果的。
3 结论
（1）通过上拱段工程地质的调研，分析膨胀性指标、易溶盐含量和矿物质成分，得出西北某高速铁路路基上拱变形机理是硫酸盐侵蚀水泥改良土生成钙矾石、硅灰石膏等膨胀性物质引起的。
（2）目前关于水盐运移防治措施主要有提高路基高度、铺设隔断层、改进路基结构形式、防排水措施。
（3）该高速铁路路基桩板结构的整治措施对于治理硫酸盐入侵水泥改良土引起路基上拱变形有积极作用。
参考文献
[1] 叶阳升，蔡德钩，张千里，等.高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势[J].中国铁道科学，2021，42（3）：1-12.
[2] 宋国栋，钱勇生，曾俊伟，等.西北地区铁路建设对区域可达性空间格局的影响[J].铁道运输与经济，2021，43（6）：51-57.
[3] 程康，杨有海，马治国，等.兰新高铁玉门段路基泥岩膨胀病害治理研究[J].兰州工业学院学报，2017，24（3）：50-53.
[4] 王剑.兰新高速铁路路基上拱原因分析及整治措施[J].路基工程，2015（1）：205-209.
[5] ALONSO E E，RAMON A.Massive Sulfate Attack to Cement-Treated Railway Embankments[J].Géotechnique，2013，63（10）：857-870.
[6] PUPPALA A J，TALLURI N，CHITTOORI B C S.Calcium-based Stabiliser Treatment of Sulfate-bearing Soils[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement，2014，167（3）：162-172.
[7] CHEN D H，HARRIS P，SCULLION T，et al.Forensic Investigation of a Sulfate-Heaved Project in Texas[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities，2005，19（4）：324-330.
[8] 尧俊凯.硫酸盐侵蚀水泥改良土膨胀研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2019.
[9] 堯俊凯，叶阳升，王鹏程，等.硫酸盐侵蚀水泥改良路基段上拱研究[J].岩土工程学报，2019，41（4）：
782-788.
[10] 王鹏程，尧俊凯，陈锋，等.无砟轨道路基上拱原因试验研究[J].铁道建筑，2018，58（1）：43-46.
摘 要：该文依托于西北地区某高速铁路路基上拱试验段，通过现场和室内微观试验，着重分析了上拱路段工程地质特点以及膨胀性指标、易溶盐含量和矿物成分，得出了该高速路基上拱是由于硫酸盐侵蚀水泥改良土生成钙矾石以及硅灰石膏等膨胀性物质导致路基上拱變形的结论，提出了一些防治措施，并通过现场监测评估了该高速铁路路基桩板结构的整治效果。
关键词：高速铁路 路基上拱 硫酸盐侵蚀 治理措施 桩板结构
中图分类号：U238 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（a）-0059-05
Study on Mechanism and Treatment Measures of Subgrade Arching of High-speed Railway
WANG Yue1 DU Lin1 GONG Huaiming1 LEI Zhanshan1 LI Yaozong2
（1.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810007 China; 2.School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province， 050043 China）
Abstract： Based on a high-speed railway subgrade arch test section in Northwest China， through field and indoor micro tests， this paper focuses on the engineering geological characteristics， expansibility index， soluble salt content and mineral composition of the arch section. It is concluded that the camber of the high-speed subgrade is caused by the expansive substances such as ettringite and wollastonite produced by sulfate eroding the cement improved soil， and some prevention measures are put forward; Through field monitoring， the regulation effect of the pile slab structure of the high-speed railway foundation is evaluated.
Key Words： High speed railway; Subgrade arching; Sulfate attack; Governance measures; Pile slab structure
中国铁路近年来发展迅猛，目前已建成高效的铁路网。预计到2030年，我国高速铁路运营里程将会达到4.5万km[1]。以西北地区为研究对象，通过可达性潜力模型和网格化模型分析，发现铁路建设将会更好地带动西北地区交通网络的协调发展，缩小区域之间的差异，为西北地区的经济繁荣发展提供强有力的交通基础设施保障[2]。
高速铁路运行速度高，对线路平顺性要求高，所以其路基变形要求更为严格。路基上拱一直是困扰交通工程建设的问题，从2015年起到2018年该高速铁路多个路基段持续发生轨道高程上拱现象，且这些发生上拱现象的路基段膨胀变形仍在发展，其中最为严重段道岔上拱量已超过100 mm，严重地影响列车的正常运营。
目前很多学者对高速铁路路基上拱变形原因进行了大量研究。路基上拱可能是由于路基中含有膨胀土，而膨胀土中的膨胀性物质遇水会引起体积的剧烈膨胀[3-4]。有学者指出在温湿度、盐分合适条件下，水泥改良土填料与硫酸盐发生反应生成钙矾石、硅灰石膏等膨胀性晶体，也会引起路基膨胀[5]。例如美国得克萨斯州82号公路东侧路基发生的石灰土与硫酸盐矿物质反应诱发路基膨胀、马德里和巴塞罗那之间的某条高速铁路发生的硫酸盐侵蚀水泥改良土诱发路基膨胀，通过微观物质分析二者生成物主要成分为钙矾石、石膏等膨胀性物质[6-7]。尧俊凯等人发现水泥改良土段路基上拱变形主要原因是硫酸盐侵蚀路基水泥改良土，并且封闭体系下钙矾石的生成反而会使体积变小，只有当外界水和硫酸盐参与反应生成钙矾石时，才会引起体积的剧烈膨胀[8-10]。
1 病害机理分析
为了探究该高速铁路路基上拱的具体原因，通过对路基上拱段较为明显工段，进行了工程地质勘察、路基填料取样进行膨胀性指标分析、易溶盐含量测试和x射线衍射仪矿物质分析等手段，来探究该高速铁路路基上拱的具体原因。
1.1 上拱路段工程地质
该试验段地质位于：湟水河一级、二级阶地，地形地势较为平缓开阔;工点范围内主要分布地层为第四系全新统冲积砂质黄黏土：棕黄色、浅棕红色、浅黄色，厚2～20 m，具有I～Ⅱ级非自重湿陷，且该段范围内不良地质不发育;其下为粗、细圆砾土、卵石土，局部夹透砂土、粉质黏土、粉土;下伏第三系泥岩夹砂岩，具有膨胀性;在铁路、道路路基及坡脚一带表层为填筑土、素填土;该上拱工点的地下水埋深6.8～8.5 m，地下水位变化幅度大，土壤最大季节性冻结深度为105 cm。 1.2 上拱路段各项指标分析
1.2.1 膨胀性指标
由分析可知，该工点蒙脱石含量为7%～14%、自由膨胀率为40%～90%、阳离子交换量为170～260mmol/kg，得出该断面的填料和地基土均达不到膨胀土的标准。
1.2.2 易溶盐含量
该断面易溶盐偏高，除基床表层以外其他土样，易溶盐总量为0.8%～1.3%，硫酸根离子高0.4%～0.9%。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038-2012）中对于盐渍土的判定标准（易溶盐总量大于0.3%），得出该断面路基填料和地基土达到盐渍土标准。
1.3 高速铁路路基上拱原因分析
通过对该上拱断面的检测可知水泥改良土和水泥垫层位置处含有大量石膏粉末，由于硅灰石膏具有膨胀性，所以其是造成路基上拱变形的主要物质。因此，该工点路基的上拱变形，只要是由于硫酸盐侵蚀水泥改良土生成硅灰石膏、钙矾石等膨胀性物质引起的。
2 病害治理措施
通过第二节分析可知该高速铁路路基上拱的主要原因为硫酸盐侵蚀水泥改良土引起的。封闭体系下钙矾石的生成反而会使体积变小，只有当外界水和硫酸盐参与反应生成钙矾石时，才会引起体积的剧烈膨胀，所以寻找合理的外界水分、盐分的阻断措施便势在必行。
2.1 水盐运移的防治措施
目前关于水盐运移防治措施主要有提高路基高度、铺设隔断层、改进路基结构形式、防排水措施等。
（1）提高路基高度：路基高度的提高有利于增加毛细水上升时的重力势，进而减少毛细水对路基的影响作用，该措施主要针对于新建铁路。
（2）铺设隔断层：虽然路基高度的增加能够减少毛细水对路基的影响作用，但是同样也会使路基施工的成本增加，并且如果路基高度过高会对行车安全造成一定的影响。当路基高度受限时，需要在路基内部设置隔断层来降低毛细作用，减少路基内部水分和盐分的运移。
（3）改进路基结构形式：桩板结构路基是高速铁路无砟轨道的一种新型路基结构形式，它由上部钢筋混凝土承载板、钢筋混凝土桩基和路基本体构成。下部桩对土的挤密作用，可以使地基与路基土的密实度增加，进而减少地基内部水分携带盐分的向上运移。
（4）防排水措施：目前主要有加强路基边坡防护，截、排地表水，降低地下水。
2.2 该高速铁路具体治理措施
目前高速铁路针对路基上拱点的整治措施多为桩板结构。为了检测路基桩板结构整治效果，该文以桩板结构治理后的上拱试验段进行变形实时监测。采用TZT-D1型振弦式多点位移计测量结构物体内部的深层部位的位移、沉降。TZT-D1型振弦式多点位移分别布设在路基左右两侧1 m、3 m、5 m、7 m处。
对整修后的K1808+060试验段左右两侧1 m、3 m、5 m、7 m处进行了长达10个月路基变形监测。路基两侧测点变形位移如图3、图4所示。
由图3和图4可知，路基左右两侧变形整体表现为先增大后减少趋势。各测点在铺设初期略有上拱现象，并且右侧比左侧上拱变形稍大，左侧路基测点最大变形量约为0.5 mm;右侧测点最大变形量约为1 mm。进入冬季尤其12月份以后，路基开始剧烈上拱，2月中旬变形最大，右侧高达6.5 mm，左侧约为1.95 mm。入春后天气变暖，冻胀变形开始减少，2月中下旬至3月初变形迅速减少，3月至7月初变形缓慢减小至入冬初期的路基变形。目前路基变形均小于2 mm，在路基变形可控范围内。整体上看变形呈现先增大后减少现象，而硫酸盐入侵水泥土一旦形成了钙矾石等膨胀性晶体后，膨胀变形会持续增大，故整治后的变形不是硫酸盐入侵水泥发生的侵蚀膨胀，说明该高速铁路上拱试验段桩板治理效果目前看来是有一定治理效果的。
3 结论
（1）通过上拱段工程地质的调研，分析膨胀性指标、易溶盐含量和矿物质成分，得出西北某高速铁路路基上拱变形机理是硫酸盐侵蚀水泥改良土生成钙矾石、硅灰石膏等膨胀性物质引起的。
（2）目前关于水盐运移防治措施主要有提高路基高度、铺设隔断层、改进路基结构形式、防排水措施。
（3）该高速铁路路基桩板结构的整治措施对于治理硫酸盐入侵水泥改良土引起路基上拱变形有积极作用。
参考文献
[1] 叶阳升，蔡德钩，张千里，等.高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势[J].中国铁道科学，2021，42（3）：1-12.
[2] 宋国栋，钱勇生，曾俊伟，等.西北地区铁路建设对区域可达性空间格局的影响[J].铁道运输与经济，2021，43（6）：51-57.
[3] 程康，杨有海，马治国，等.兰新高铁玉门段路基泥岩膨胀病害治理研究[J].兰州工业学院学报，2017，24（3）：50-53.
[4] 王剑.兰新高速铁路路基上拱原因分析及整治措施[J].路基工程，2015（1）：205-209.
[5] ALONSO E E，RAMON A.Massive Sulfate Attack to Cement-Treated Railway Embankments[J].Géotechnique，2013，63（10）：857-870.
[6] PUPPALA A J，TALLURI N，CHITTOORI B C S.Calcium-based Stabiliser Treatment of Sulfate-bearing Soils[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement，2014，167（3）：162-172.
[7] CHEN D H，HARRIS P，SCULLION T，et al.Forensic Investigation of a Sulfate-Heaved Project in Texas[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities，2005，19（4）：324-330.
[8] 尧俊凯.硫酸盐侵蚀水泥改良土膨胀研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2019.
[9] 堯俊凯，叶阳升，王鹏程，等.硫酸盐侵蚀水泥改良路基段上拱研究[J].岩土工程学报，2019，41（4）：
782-788.
[10] 王鹏程，尧俊凯，陈锋，等.无砟轨道路基上拱原因试验研究[J].铁道建筑，2018，58（1）：43-46.