江西地區重載鐵路路基含水率原位監測試驗研究

朱江江

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

1 概述

鐵路路基是上部列車和軌道結構的基礎，其主體工程設計使用年限長達100年，路基施工完成并投入運營后，在大氣降水、地下水位和蒸發力等自然因素作用下，路基含水率會發生變化，導致填料物理力學性能弱化，直接影響線路長期服役性能[1-3]。因此，開展路基含水率的季節性變化規律研究，對掌握路基運營的長期穩定性具有重要的理論和實踐意義。

目前，國內外學者通過理論分析、模型試驗和現場監測等方式對路基濕度變化規律進行了諸多研究。Thomas[4-5]根據蒸發量實測數據，采用非飽和土流固耦合理論，分析了黏土含水率隨季節性的變化規律；黎瀚文等[6]針對我國高鐵路基，建立了考慮大氣作用的水-熱耦合水分遷移模型，利用北京、上海兩地的實測氣象數據，研究了不同氣候和填料類型對路基水分遷移的影響；肖源杰等[7]采用非飽和滲流數值計算理論，考慮基床填料回彈模量和累積塑性應變的含水率敏感性，通過建立二維有限元分析模型，深入分析了降雨入滲誘發鐵路路基病害的內在機制；李萍等[8]通過在探井井壁上埋設土壤水分計，采用人工滴水方式模擬天然降雨條件，分析了降雨入滲地面后的影響深度及運移規律；王斌文等[9]以蘭新高鐵路基試驗點，借助自主研發的測試儀器，進行了不同上覆荷載下的水平及豎向滲流原位試驗，研究了水在不同滲流方向下對高速鐵路無砟軌道泥巖地基膨脹性及滲透性的影響規律；王曉東[10]結合某高速鐵路膨潤土路基設計，研究了膨潤土的親水特性，詳細分析了高速鐵路膨潤土路基病害機理，并提出了對工程有實際指導意義的防水及工程措施；錢尼貴等[11]為掌握路基內部含水率的真實變化情況，在廣東兩條高速公路路基試驗段埋設水分傳感器，對路基含水率進行了長期現場監測，分析了其含水狀態及變化規律；徐國元等[12]以廣州北二環高速公路為依托，在路基內部不同深度處埋設水分傳感器，進行了為期一年的現場監測，建立了路基含水率的變化模型；陳仁朋等[13]通過足尺模型試驗，研究了地下水位變化對高鐵無砟軌道路基變形特性的影響，獲得了路基累積變形隨輪軸荷載振動次數以及列車運行速度的相互關系。

綜上所述，已有研究對象大多以高速鐵路和高速公路為主，對于軸載重、行車密度高和運量大的重載鐵路而言，路基需承受更強的荷載及疲勞作用，其含水狀態對線路長期服役性能的影響更顯著。因此，為掌握路基濕度場隨氣候季節性的變化規律，依托浩吉重載鐵路工程建設，在路基試驗段選取典型斷面分層埋設水分傳感器，對路基填筑過程中和填筑完成后的含水狀態進行長期觀測，分析路基含水率的時空分布特征，以期為優化路基防排水設計與施工提供參考。

2 路基填料基本工程性質

浩吉重載鐵路北起內蒙古浩勒報吉，南至江西吉安，線路全長1 813.5 km；選取的路基試驗段位于江西省新余市，斷面里程為DK1806+729.06～DK1806+858，路基填料的基本物理化學和力學性質，按規范[14]的相關規定進行測試。

2.1 路基填料礦物和化學成分分析

礦物和化學成分對路基填料的工程性質具有顯著影響，黏土礦物相對含量即使不大，也常表現出明顯的控制作用，因此，有關礦物成分的定性定量研究一直受到工程地質、巖土工程領域的高度重視。對于路基填料中的礦物和化學成分，分別采用DX-2000型X射線衍射儀和Axios Max型X射線熒光光譜儀進行鑒定，試驗設備如圖1所示。

圖1 礦物和化學成分鑒定試驗設備

根據X射線衍射分析法，獲得的路基填料礦物成分及含量見表1。

表1 路基填料所含礦物成分及含量

由表1可知，路基填料中礦物成分以原生礦物為主。主要包括：石英、富鐵白云母和冰長石，共占試樣總質量的94.7%。所含黏土礦物為高嶺石和綠泥石，含量分別為2.1%和1.1%；還有少量不定形或未辨識組分；未檢測到蒙脫石。同時通過試驗測得填料的自由膨脹率為10%，由規范[15-16]可判定路基填料不屬于膨脹土。根據X射線熒光光譜分析法，獲得的路基填料化學成分有24種，主量元素有SiO2、Al2O3、K2O和Fe 4種，次量元素和痕量元素各10種。其中，SiO2含量最多占試樣總質量的74.73%，其次為Al2O3、K2O和Fe，這與主要礦物成分為石英、富鐵白云母和冰長石的鑒定結果相符。

2.2 路基填料物理性質

在路基試驗段取土場選取土樣，采用烘干法和環刀法測得試樣的天然含水率w0為13.7%，天然密度ρ0為1.58 g/cm3。填料粒徑組成采用篩析法及密度計法聯合測定，根據試驗結果繪制的土樣顆粒大小分布曲線，如圖2所示。

圖2 路基填料顆粒大小分布曲線

由圖2計算可得，土樣中5 mm以上粒徑含量不足1.0%，0.075～5 mm粒徑占14.3%，0.005～0.075 mm粒徑占81.9%，0.002～0.005 mm粒徑占2.9%，0.002 mm以下粒徑含量幾乎為零，可見路基填料以粉粒為主。綜上，路基填料基本物理指標匯總見表2。

表2 路基填料基本物理指標

由表2可知，路基填料的10 mm液限為41.4%，大于40%；塑性指數為12.2，位于10～17之間，根據規范[17]可知，為高液限粉質黏土。

2.3 路基填料力學性質

我國南方地區廣泛存在高溫多雨的氣候特征，由于路基等工程直接暴露于大氣空間，受降雨、蒸發等氣候因素及地下水位影響，工程性質會受較大影響[18-20]。為定量分析不同含水狀態下路基填料力學性質的變化規律，進行了最優含水與飽和狀態下的固結和直接剪切試驗，獲得的路基填料在不同壓實度和含水狀態下的基本力學指標見表3。

由表3可知，路基填料力學性質與壓實度和含水狀態密切相關；隨壓實度K增加，試樣標準壓縮系數av(1-2)逐漸減小，標準壓縮模量Es(1-2)逐漸增大，黏聚力c和內摩擦角φ則均呈增加趨勢。壓實度位于90%～95%時，最優含水狀態試樣的av(1-2)和Es(1-2)分別位于0.28～0.18 MPa-1和6.4～9.3 MPa之間；在相同壓實度下，真空抽氣飽和后，試樣av(1-2)增大為0.43～0.35 MPa-1，Es(1-2)減小至4.0～4.8 MPa。當試樣由最優含水狀態轉變為飽和狀態后，其抗剪強度參數c和φ分別由32.4～42.7 kPa和32.7°～37.0°減小為30.8～39.4 kPa和31.1°～34.8°。以上試驗結果表明，填料壓縮特性和抗剪強度指標受含水狀態影響較大，在飽和狀態下，路基工程性質較最優含水率時會弱化，對線路的長期運營會產生不良影響。

表3 路基填料基本力學指標

3 試驗監測斷面及傳感器布設

3.1 試驗監測斷面

浩吉重載鐵路基床結構型式：基床表層為0.7 m厚級配碎石，基床底層為2.3 m厚A、B組填料；基床以下路堤為高液限粉質黏土，但在追加壓密、填料加筋、路基防排水、坡面防護等方面進行加固。路基邊坡采用分級型臺階，路堤高度<8.0 m地段，邊坡坡率為1∶1.5；路堤高度>8.0 m時，在路肩以下8 m處設置3 m寬平臺，平臺以下坡率為1∶1.75。為掌握路基填筑過程中和填筑完成后的含水狀態，在路基試驗段選取DK1806+925斷面分層埋設水分傳感器，對路基含水率進行監測。

3.2 水分傳感器布設

路基含水狀態采用TDR-3型土壤水分傳感器進行監測，其工作原理為晶體振蕩器產生高頻脈沖信號，傳輸到平行的金屬探針末端并發生反射，通過產生的信號與返回信號的時間差，計算土體的介電常數，根據土體介電常數與體積含水率的相互關系獲得體積含水率，然后換算為質量含水率[21]，傳感器體積含水率的測試量程為0～60%，精度為±1%。

路基填筑前，對原地基淺層進行換填，然后在基底鋪設厚度為0.6 m的碎石墊層(第0層)，加強基底排水。填筑一層路基填料后，在DK1806+925斷面開始埋設水分傳感器，起點高程為86.26 m，按埋設順序從下至上為第1～6層，豎向間距依次為2.4，2.4，2.4，1.8，1.8 m；橫向間距5～7 m，從左至右依次為第1～7列，如圖3所示。

圖3 路基試驗段水分傳感器布設方案(單位：m)

當路基填筑至埋設高程時，在路基面開挖20～30 cm深的土槽，將TDR-3水分傳感器沿槽底水平布置，采用原土過篩后進行回填壓實，再將傳感器導線套上PVC管保護，現場埋設過程如圖4所示。

圖4 現場TDR水分傳感器埋設

待傳感器埋設完成后，將所有導線從一側引出至坡腳觀測箱，并測量初值，在路基填筑過程中和填筑完成后，按相關規范[22]的測試頻率進行數據采集。

4 監測結果與分析

4.1 江西新余地區氣象資料分析

新余市地處亞熱帶濕潤性氣候區，年平均氣溫19.8 ℃，7～8月是全年最熱時期，平均氣溫30.6 ℃，極端最高氣溫40.0 ℃，1月是全年最冷時期，月平均氣溫5.4 ℃，極端最低氣溫零下7.2 ℃；年平均相對濕度為80%，3月平均高達84%，7月僅74%。經統計，近4年新余地區降雨及蒸發量如圖5所示。

圖5 近4年新余地區降雨(蒸發)量

由圖5可知，路基試驗段所處地區雨量充沛，年平均降雨量達到2 000 mm以上，4～8月為集中降雨期，月平均降雨量為234 mm，占全年降雨總量的62%，且6月降雨量最大，達到520 mm；其余月份降雨量較少，月平均降雨量100 mm。年平均蒸發量1 200 mm，其變化規律呈明顯的周期性，與溫度高低具有顯著的正相關關系；溫度較高的6～9月蒸發劇烈，對應的月平均蒸發量為151 mm，其余溫度較低的月份蒸發量較少，相應的月平均蒸發量僅為75 mm。

4.2 路基含水率隨時間的變化規律

根據監測數據，分層繪制的路基不同層位質量含水率隨時間的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，路基質量含水率隨時間的增長可分為：由初始狀態逐漸增加至平衡含水狀態、隨季節交替而波動變化兩個階段。在第一階段，路基中第1～6層的初始平均含水率分別為15.7%、17.9%、17.9%、17.4%、16.0%和16.4%，由于降雨入滲的影響，路基含水率逐漸由初始狀態增加至平衡含水狀態的25.0%、23.8%、22.5%、20.4%、19.2%和18.0%，較最優含水率17.5%分別高出7.5%、6.3%、5.0%、2.9%、1.7%和0.5%，范圍為0.5%～7.5%，均值為4.0%。表明路基運營期間的含水率較填筑時高4.0%，路基分層填筑時的檢測指標為壓實系數K≥0.92、地基系數K30≥90 MPa/m[23]，運營期間由于雨水入侵導致含水率增高，實際壓實質量降低[24-25]，會影響路基的長期穩定性，這一現象在制定檢測指標時應予以考慮。第二階段中，隨4～8月的雨季和9～3月(第二年)的旱季交替，路基質量含水率呈季節性的小幅波動。雨季期間路基各層平均含水率分別為24.9%、24.0%、22.6%、20.5%、19.4%和18.3%，旱季時為22.7%、22.4%、21.1%、19.1%、18.4%和17.3%，較雨季時分別減小2.2%、1.6%、1.5%、1.4%、1.0%和1.0%，波動范圍為1.0%～2.2%。

圖6 測試斷面路基質量含水率隨時間關系曲線

4.3 路基含水率空間分布規律

為分析路基填料水平方向上含水率的分布規律，根據第1～6層傳感器的監測數據，繪制的填料含水率沿水平方向的變化曲線，如圖7所示。

圖7 路基含水率沿水平方向分布規律

由圖7可知，在水平方向上，路基中部填料含水率小于兩側，路基兩側含水率逐漸穩定甚至略微減小，第1～6層最外兩側路基含水率的平均值分別為24.2%、23.0%、22.2%、21.3%、19.8%和18.5%，較路基中部的23.3%、21.6%、20.0%、18.7%、18.1%和17.2%，分別高出0.9%、1.4%、2.2%、2.6%、1.7%和1.3%，范圍為0.9%～2.6%。這是因為路基中心線向兩側設有4%的人字排水坡，同時路基中部填料僅受路基表面雨水的浸潤，位于路基兩側的填料同時受路基和邊坡表面的影響，浸水面積更大。

為分析路基填料豎直方向上含水率的分布規律，根據第3～5列傳感器的監測數據，繪制的填料含水率沿路基深度方向的變化曲線，如圖8所示。

圖8 路基含水率沿深度方向分布規律

由圖8可知，降雨后水分在蒸騰作用下向外揮發，同時在重力作用下緩慢向下滲透，改變了路基內部的濕度狀況，路基含水率呈上部小、下部大的基本規律。第3～5列監測的填料含水率，從上至下由20.0%、18.1%和19.6%分別增加至27.4%、23.3%和26.3%，增幅分別為7.4%、5.2%和6.7%，平均增幅為6.4%。綜上所述，路基兩側填料含水率比中部高0.9%～2.6%，下部填料含水率比上部高5.2%～7.4%。

5 研究結論

依托浩吉重載鐵路工程建設，針對岳陽至吉安段沿線分布的路基填料，分析了不同含水狀態下填料工程性質的變化規律；通過在路基試驗段分層埋設水分傳感器，對路基含水率進行了為期3年多的原位監測，探討了路基含水狀態的時空分布規律及隨氣候季節性的波動特征，為優化路基防排水設計與施工提供了參考，并得到了以下結論。

(1)路基填料力學性質與含水狀態密切相關，在飽和狀態下，其壓縮特性和抗剪強度指標較最優含水狀態時會發生弱化，對線路的長期運營會產生不良影響。

(2)路基質量含水率隨時間的增長，先由初始狀態逐漸增加至平衡含水狀態，再隨季節交替而波動變化。平衡狀態路基填料含水率高于初始狀態，隨雨季和旱季的相互交替，路基質量含水率呈季節性的小幅波動，波動范圍為1.0%～2.2%。

(3)路基質量含水率在空間上，呈現中部小、兩側大，上部小、下部大的分布規律。在水平方向，路基中部填料含水率小于兩側，路基兩側含水率逐漸穩定甚至略微減小；在豎直方向，由于重力作用下的緩慢滲透，路基填料含水率下部比上部高。

綜上所述，通過對路基含水狀態的長期原位監測，得到了含水率的時空分布特征，為掌握路基運營中的實際狀態提供了重要的數據支撐，可為優化路基防排水措施的設計和施工提供參考。