摘要
2021年7月，我国河南省遭遇千年一遇的特大暴雨，这次特大暴雨灾害共造成河南全省16个市150个县（市、区）1478.6万人受灾，直接经济损失1200.6亿元，铁路设施遭受到严重破坏，尤其是既有铁路黄土路堤遭受暴雨侵蚀，诱发大量路堤边坡水害，严重威胁铁路运营安全，长时间中断行车，经济损失巨大，影响深远。 既有铁路黄土路堤边坡水害与地层岩土特性、降雨特征、路堤坡形、路堤既有排水措施及坡面防护措施等影响因素密切相关。郑州地区铁路黄土路堤边坡水害具有特殊性和典型性，其水害机理复杂，对其认识尚不明确，如何快速恢复通车并确保永久根治，实现“永临结合”，技术手段缺乏。因此，紧密结合工程实践，特开展郑州地区既有铁路黄土路堤边坡水害机理与防治技术研究。本文通过现场水害调查、地质分析判断、力学分析、室内外试验、现场监测、数值模拟与工程验证等手段，查明郑州地区黄土工程地质特性，分析黄土强度的水敏软化规律；依据降雨与路堤作用位置与作用方式的差异性，提出既有铁路黄土路堤边坡水害分类模式，揭示各类水害致灾机理；并针对不同致灾机理的水害模式“对症下药”，提出既有铁路黄土路堤边坡水害防治技术体系，取得以下成果： （1）查明了郑州地区黄土工程地质特性。基于常规物理状态指标试验分析黄土物理性质；基于标准贯入试验、静力触探试验、十字板剪切试验多种原位试验手段分析其力学性质；基于扫描电子显微镜试验、X射线衍射试验分析其微观结构与成分。结果表明：郑州地区黄土是风积之后由冲积或洪积而成的次生黄土，其干密度较西北地区黄土偏高，而其液塑限与西北地区黄土相比无明显差异；郑州地区黄土力学性质优于西北地区黄土，其不排水抗剪强度与地基承载力高于西北地区黄土；郑州地区黄土在粒度上以粉土集粒与黏土集粒为主，在连接形式上以面-面接触形式为主；与西北地区黄土相比，其矿物成分中稳定矿物占比较大。 （2）分析了郑州地区黄土强度的水敏软化规律。基于室内试验与原位试验，揭示了含水率变化对郑州地区黄土强度参数的影响规律；分别给出了黄土状粉土、黄土状粉质黏土的剪切模量、极限压力、变形模量、压缩模量随含水率变化的经验公式。结果表明：郑州地区黄土状粉土、黄土状粉质黏土剪切模量、极限压力、变形模量、压缩模量与土体含水率均存在线性关系；随着含水率增大，剪切模量、极限压力、变形模量、压缩模量均线性减小，且当含水率增大至塑限后，剪切模量、极限压力、变形模量、压缩模量的线性减小速率均增大。室内直接剪切试验得出的郑州黄土强度参数水敏软化规律与原位试验具有一致性。 （3）提出了黄土路堤边坡水害模式分类方法。通过现场水害调查、地质分析判断、力学分析和数值模拟，依据降水与黄土路堤边坡作用位置与作用方式的差异性，提出了黄土路堤边坡具有代表性的4种水害模式：①路堤坡面溜坍，坡面水入渗-浅层土强度软化-边坡溜坍破坏模式；②路堤沟槽坍塌，路面汇水-集中冲蚀-沟槽坍塌失稳破坏模式；③泡水路堤滑坡，边坡泡水-强度不足-路堤滑坡破坏模式；④斜坡路堤滑坡，斜坡填筑路堤-地表水下渗-软化斜坡顶面-斜坡路堤滑坡破坏模式。针对每类水害模式开展典型案例剖析与数值模拟分析，分析水害形成过程中黄土路堤边坡的受力与变形过程，揭示了黄土路堤边坡水害致灾机理。 （4）研发了适用于郑州黄土地区既有铁路路堤边坡水害防治的多次分段控制注浆钢花管技术，提出了钢花管注浆技术的设计方法和计算参数，建立了郑州地区既有铁路黄土路堤边坡水害防治技术体系。基于“控水→改性→调力”三位一体的防治原则，提出了多次分段控制注浆钢花管技术，全方位实现黄土路堤边坡的水害防治。基于钢花管管周的挖探调查与高密度电法电阻率成像物探试验，探究钢花管注浆技术抑制坡体内部受水侵蚀的效果；基于跨孔CT地震波波速成像、瑞雷面波成像物探手段以及直剪试验，探究钢花管注浆技术对黄土强度的改善效果；基于多次分段控制注浆斜向钢花管现场拉拔试验，探究斜向钢花管加固黄土路堤边坡的锚固效果，提出钢花管注浆技术在黄土地区的推荐设计锚固力。结果表明：钢花管管周的劈裂注浆体在1m扩散半径范围内综合置换率为5.0145%，黄土地层劈裂注浆效果良好，注浆前连续带状分布的低电阻值区被几处独立分布的椭球状中高电阻值区取代，控水效果显著；注浆后2个月，竖向钢花管周围局部波速提升超过200m/s，黄土粘聚力与内摩擦角增大，黄土强度显著提升；斜向钢花管承载力相较于普通注浆钢管提高了22.6%，斜向钢花管水泥浆体与钻孔壁黄土界面上的平均黏结强度相较于锚杆提高了1倍以上，黄土地区斜向钢花管推荐设计锚固力为160kN，锚固效果良好。最后，针对不同致灾模式与致灾机理的水害类型，并考虑水害的严重程度，建立了“以水害类型为导向，按水害严重程度分级治理”的防治技术体系。 （5）研究成果在陇海线上街至黑石关区段72处黄土路堤边坡整治工程中得以成功应用，多次分段控制注浆斜向钢花管与竖向钢花管加固路堤边坡工程效果良好，且具有快速施工整治、行车干扰小、经济合理等优点，为黄土地区既有铁路路堤边坡加固整治工程提供借鉴。
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