浸水對無砟軌道膨脹土路基力學行為與變形特征的影響

段君義，楊果林，劉 洋，闞京梁，張立偉

(1.南昌大學 工程建設學院, 江西 南昌 330031；2.中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075；3.中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300251)

巖土工程基礎設施在使用過程中常遭遇水的影響，如降雨入滲對邊坡穩定性的影響[1-3]，降水對基坑開挖穩固的影響[4]，涌水/浸水對隧道開挖穩定的影響[5]，凍融水汽遷移對路基融沉變形的影響[6-7]，降雨或地下水波動對路基沉降變形的影響[8]等。水對工程構筑物的侵害具有潛在性、反復性、長期性，對實際工程構筑物具有較大的破壞作用，且修復困難，造成大量經濟損失[9-10]，是眾多研究者的關注熱點[11]。

高速鐵路無砟軌道對路基結構在水環境下的長期穩定具有嚴格控制要求[12]，許多學者為此展開了相關研究。張明禮等[7,13]通過長期監控北麓河地區鐵路路基含水率變化，分析了路基含水率與降雨的關系，指出降雨入滲、地表蒸發伴隨著液態水和水汽運移對鐵路路基的影響不可忽略。冷伍明等[14]對鐵路路基在水分與荷載作用下的翻漿冒泥病害進行了研究，指出翻漿冒泥與填料的類型有關。膨脹土填料是一種對水分極其敏感的特殊土，在土體含水率發生改變時能夠引起顯著的脹縮變形[15-16]，嚴重影響鐵路路基的穩定性，進而危及高速列車運行安全[17-18]。為此，馬麗娜等[12]針對蘭新鐵路具有膨脹性的泥巖進行了浸水試驗，獲得了不同浸水深度和上覆荷載對地基變形的影響。陳偉志等[19]對云桂高速鐵路低矮路堤下膨脹性地基進行浸水，得到了路堤高度與其變形的關系。汪雙杰等[20]通過現場填筑試驗指出，浸水后膨脹路基壓實度出現減小現象。楊果林等[8]針對干燥與浸水工況下鐵路膨脹土路基進行激振試驗，指出浸水對路基動土壓力及路基變形具有顯著影響。

上述研究表明，水分的改變將影響鐵路路基的力學與變形特征，尤其是膨脹土路基受水分的影響更為顯著[21]。為此，本文建立了大比例無砟軌道路基物理模型，通過路基浸水，分析浸水前后路基在循環加卸載作用下的力學與變形特性，并為今后鐵路膨脹土路基的病害處置提供參考。

1 試驗方案與實施

1.1 路基結構

以TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[22]雙線無砟軌道路基結構為原型，考慮試驗條件與可靠性，按照縮尺比例1∶2在室內填筑了無砟軌道路基，路基的長度、寬度、高度分別為5、2、2.55 m。試驗所用軌道板以CRTSⅠ型板式軌道結構為原型進行縮尺得到，并采用C40混凝土澆筑而成。路基內部布置濕度計(型號為YT-DY-0101，精度為0.01%)、沉降計(型號為JMDL-3210A，精度為0.01 mm)、土壓力盒(型號為JMZX-5002AT)。軌道板表面設置位移監測點，并采用千分表進行測讀，具體路基尺寸與元器件布置如圖1所示。此外，如圖1所示在距離地基底部0.3 m高度處開挖3道溝槽，在溝槽內鋪設PVC水管，并相互聯通，管壁上每間距0.2 m鉆一個小孔并用透水土工布包裹。放入水管的同時在溝槽內鋪設細砂裹住水管以保證水分由小孔出水后可均勻滲入地基，最后回填填料壓實，具體鋪設如圖2所示。

圖1 無砟軌道路基物理模型(單位：mm)

圖2 水管網鋪設

1.2 路基填料

地基采用具有膨脹性的泥質砂巖填筑，取自京沈高速鐵路沿線朝陽市。該泥質砂巖呈灰白、灰綠色，塊體可輕易夯碎，且易風化，遇水能夠迅速膨脹，其主要物理力學指標見表1。圖3為泥質砂巖的SEM電鏡結果，由圖3可知，泥質砂巖中以粒徑極小的土顆粒為主，且土顆粒呈片狀結構并堆疊排列，屬于面-面接觸，這是膨脹土的典型結構形式之一。此外，土顆粒表面吸附著大量的細顆粒并形成聚集體，說明其土顆粒表面帶有負電荷，根據雙電層理論，這使得泥質砂巖具有吸水膨脹、失水收縮的能力。

表1 泥質砂巖的主要物理力學指標

圖3 泥質砂巖的SEM電鏡結果

基床層所用填料為由河沙、圓礫石、黏土按照一定質量比拌和而成的混合土。根據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》[23]，該混合土可劃分為A組填料，其物理力學性質見表2。

表2 A組填料的物理力學參數

路基各層填筑采用氣動夯壓機壓實，壓實度均按照并達到文獻[22]的要求。

1.3 浸水實施及循環加卸載過程

浸水前循環加卸載試驗：將荷載通過分配梁施加在鋼軌表面，按照梯度30 kN逐級增加至150 kN，再按照相同梯度逐級卸載，作為完成一次加卸載，并進行下一次加卸載。每級荷載作用時按照相應規范要求測試路基土體濕度、土壓力、沉降變形及軌道板中線處變形[19]。至軌道板中線處變形在相鄰加卸載完成后的差值不大于0.005 mm，視為循環加卸載試驗完成。

浸水實施：路基浸水是通過路基頂部降雨灑水和地基內水管網絡浸水綜合實現，并通過濕度計監控路基內部濕度變化至穩定狀態，則路基浸水過程完成。其中，土體濕度穩定標準為平均濕度變化速率不大于1%/h。

浸水后循環加卸載試驗：路基浸水完成后，對路基再次施加循環加卸載，具體操作與浸水前循環加卸載試驗一致。根據實際試驗測試可知，加卸載循環達到6次時，路基便可滿足穩定標準。

2 試驗結果與分析

2.1 浸水前后路基土體濕度變化

在路基不同位置埋設濕度計，以對浸水前后路基內的濕度(體積含水率)變化進行監控，待濕度計讀數穩定時，將結果進行整理，見表3。

表3 不同階段時路基濕度

由表3可知，路基浸水后，整個鐵路路基土體濕度均顯著增大，表明整個路基均被水浸潤。由于鐵路路基不同結構層(地基、基床)采用的填料不同，其濕度大小與增長幅度存在差異。對比加卸載試驗前后路基內濕度可知，在整個浸水后的加卸載試驗過程中，土體濕度僅在路基淺層有微小幅度的變化，而路基深處(膨脹性地基)的濕度基本保持不變。因此，浸水后的加卸載試驗過程中，濕度對路基脹縮變形影響極其微小。需要說明的是，濕度計埋設方法為挖洞布置濕度計，再回填填料壓實，其中，回填填料中人工剔除了粒徑過大的碎石以免損壞濕度計。因此，人為原因使得回填填料粒徑組成存在一些差異，使得位于同一土層內的濕度計讀數不同，但不影響對路基是否達到浸水穩定狀態的判斷。

2.2 浸水對鐵路膨脹土路基力學特性的影響

浸水前后，不同上覆荷載作用下路基土壓力橫向分布規律如圖4～圖8所示。需要說明的是，土壓力分析均以第一次加卸載為例。圖4～圖7中分級施加的荷載，均按照先分級加載再分級卸載的順序顯示。

2.2.1 土壓力沿路基橫向分布規律

由圖4可知，浸水前后，基床表層底面處土壓力橫向分布均呈現明顯非均勻性，表現為軌道板中線位置正下方較小，鋼軌正下方較大。當上覆施加荷載越大時，該不均勻分布特征越明顯。與浸水前相比，相同上覆施加荷載時，浸水后路基內土壓力增大，這是因為膨脹性泥質砂巖地基在浸水作用下發生了膨脹變形，路基內形成一定程度的膨脹力，整個路基受力、變形狀態產生了改變。正因如此，浸水后基床表層底面土壓力橫向分布不均勻性更加明顯。

圖4 基床表層底部土壓力橫向分布

由圖5可知，浸水前，基床底層底面處土壓力橫向分布仍以鋼軌正下方最大，使得土壓力沿距軌道中線距離呈拋物線狀，而在距軌道中線2.609 m以外的土壓力基本不受上覆荷載影響。浸水后，基床底層底面處土壓力橫向分布規律與浸水前類似，但土壓力仍然比浸水前的大，且橫向不均勻現象更明顯。土壓力經過基床底層的傳遞、擴散及疊加效應，從基床底層表面至基床底層底面，土壓力橫向分布形式逐漸發生了改變，土壓力橫向分布不均勻性降低。

圖5 基床底層底部土壓力橫向分布

由圖6可知，不論浸水前還是浸水后，地基中部土壓力沿路基橫向均表現出不均勻性，但浸水使路基土壓力增加，土壓力橫向不均勻性更為明顯。無論浸水與否，距軌道中線2.609 m以外的土壓力基本不受上覆荷載影響。

圖6 泥質砂巖地基中部土壓力橫向分布

圖7 路基土壓力沿深度的衰減曲線

圖8 軌道中線不同路基深度處土壓力衰減系數與荷載關系

2.2.2 土壓力沿路基深度分布規律

為便于分析，分別定義土壓力衰減系數ζ、土壓力衰減量δ為

ζ=p/p0

(1)

δ=1-ζ

(2)

式中：p為不同深度處土壓力，kPa；p0為軌道中線處路基面土壓力，kPa。

由圖7可知，浸水前，土壓力在基床表層內衰減較快，在基床表層以下范圍內，土壓力衰減均較緩慢。其中，基床表層中土壓力衰減量為43.6%～87.5%，且施加荷載越大，其衰減量越小。但隨著深度增加，荷載對土壓力衰減的影響逐漸減弱。在基床底層底面處，土壓力衰減量為82.1%～87.5%。浸水后，土壓力在基床表層內衰減很小，其衰減量僅為4.3%～14.3%，在基床表層以下范圍內衰減相對較快，在基床底層底面處，其衰減量達到42.9%～65.7%，但遠小于浸水前。以上分析說明，浸水后路基將承受更大的土壓力，且傳遞至地基的土壓力增大，這對地基是不利的。

此外，由圖8可知，浸水前，不同深度處土壓力衰減系數隨施加荷載增大呈現增大的趨勢。浸水后，土壓力衰減系數基本不受施加荷載的影響，但明顯大于浸水前相同深度處的土壓力衰減系數，即浸水環境下膨脹土路基將面臨更不利的力學狀態，不利于膨脹土路基長期保持穩定性。

2.3 浸水對鐵路膨脹土路基變形特性的影響

2.3.1 循環加卸載作用下路基各結構層變形規律

為便于理解，本文規定路基變形以垂直向下(沉降)變形為負。圖9、圖10分別為浸水前后基床底層、地基沉降變形隨荷載的變化。

圖9 循環加卸載作用下基床底層沉降變形

圖10 循環加卸載作用下地基沉降變形

由圖9可知，基床底層的沉降變形隨著施加荷載的增大而增大。浸水前，基床底層的變形很小，6次加卸載循環后的殘余沉降變形為0.02 mm。浸水后，沉降變形在首次加載時出現顯著增加，原因是浸水使得基床填料浸水軟化，導致基床在施加荷載作用下易產生沉降。隨著加卸載循環次數增加，基床填料再次被壓緊密，使得后續沉降變形增量逐漸減小，穩定后的殘余沉降變形為0.23 mm。此外，比較沉降計S1與S2可知，浸水使得兩個位置的沉降差異增大，其可能原因：浸水時，S1上方的水分難以排走，基本都入滲至基床中，而S2正上方為具有一定排水坡度的路基面，有一部分水分順著路基面流走，進入該位置基床中的水分相對較少；基床層厚度沿路基橫向分布不均勻，且其上方存在軌道板荷載，使得泥質砂巖地基上覆荷載沿路基橫向分布不均，引起其膨脹變形橫向分布不均[19]，進一步導致基床內應力與變形在橫向分布產生不均勻性。以上分析說明，路基面排水對保證整個路基變形穩定有重要作用，應加強路基面的排水措施；膨脹土路基膨脹變形沿橫向分布不均可能會造成軌道板傾斜，在工程中應引起重視。

由圖10可知，浸水前，泥質砂巖地基沉降變形很小，浸水后地基沉降變形明顯增大，但其增加幅度小于基床底層。此外，浸水后地基不同位置的沉降變形變化不同，其中，S3、S4處受施加荷載影響較大沉降變形為0.11 mm，S5位置離加載點較遠基本不受施加荷載影響，該位置的變形基本為0。

2.3.2 循環加卸載作用下軌道板中線處變形規律

圖11為浸水前后軌道板中線處變形。由圖11可知，浸水前軌道板上中線處的變形加卸載曲線具有較好的重合度，表明路基土體具有較好的回彈性能。6次加卸載循環后，對應的殘余變形為0.018 mm。浸水后，在首次加載過程中，軌道板中線位置產生了較大沉降變形，且在后續加卸載過程中，其變形曲線形成了明顯的“滯回圈”。6次加卸載循環后的殘余變形為0.264 mm，明顯大于浸水前對應的殘余變形。可見，浸水環境會導致路基狀態惡化，而膨脹性路基可能會面臨更多的不利情況，需要根據路基特點在工程中采取相應的措施加以控制。

圖11 循環加卸載作用下軌道板中線處變形

3 結論

(1)上覆施加荷載作用下，路基內土壓力沿橫向分布存在不均勻性，浸水使得膨脹性地基發生膨脹變形，整個路基受力、變形狀態產生改變，導致路基內土壓力增大，土壓力橫向分布不均勻性增大。隨著路基深度的增加，土壓力橫向分布不均勻性逐漸降低。

(2)浸水后路基內土壓力沿深度衰減速率減小。在基床底層底面處，浸水前后土壓力衰減量分別為82.1%～87.5%、42.9%～65.7%。浸水環境下膨脹土路基面臨更不利的力學狀態。

(3)浸水后路基不同結構層均產生更大的沉降變形，且路基沉降變形沿橫向分布呈現不均勻性，使得軌道板存在發生傾斜的隱患。浸水前路基土體具有較好的回彈性能，浸水后軌道板中線處的變形曲線呈現明顯的“滯回圈”特點，且該位置的殘余變形為0.264 mm，明顯大于其浸水前的殘余變形。