數值模擬聚氨酯碎石層防治路基翻漿病害影響研究

中圖分類號：TQ323.8 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0013-04

Abstract：Combined with arailway reconstructionand expansion project，the method of laying composite geotextiles on top and botom ofthe polyurethane gravel layer was usedto preventand control the disease of slurryand mud in theroadbed.Taking the composite geotextile structure of polyurethane gravel layer asthe research object，the finite element software was used to establish thecalculation model，and itsmechanical behavior and waterproof performance were studied by numerical simulation.The results showed that the polyurethane gravel layer had good mechanical behavior，which could reduce the displacement，strain and stress of the roadbed.The polyurethane gravel layer had goodanti-seepage performance，which could effectively prevent the wateratthe bottom of the roadbed from pouring into theroadbed along the foundationbed to form slurry；Laying compositegeotextileson top and bottom of the polyurethane gravel layer could playa role inreducing the displacement of the roadbed，homogenizing stress，and strengthening the waterproof performance of the structure.Based on the principle of orthogonal test，the optimal design scheme of polyurethane gravel layer and composite geotextile structure was determined.

Key words：railway subgrade ； slury and mud pumping;； polyurethane gravel layer;composite geotextile; numericalsimulation;orth-ogonal test

針對有砟軌道路基基床翻漿冒泥的病害，傳統的整治手段有更換基床填土，修建防排水系統，設置封閉層，但是上述方法開挖規模大，對軌道結構擾動較大[1]。利用天窗點維修施工的運營鐵路，開挖道砟、鋪設土工布是整治翻漿冒泥病害的手段之一，但土工布在長期作用下易被裹挾、翻卷，且對基床的強度、剛度無改善作用[2]。國外研究采用瀝青碎石混合料作為結構層，日本、意大利和西班牙等高速鐵路在底座板與基床頂面之間增設 12～14cm 厚度的瀝青碎石混合料，具有良好的效果[3]，但防水性尚待研究。我國膠粘劑行業發展迅速，其中聚氨酯與瀝青材料性質類似，但其具有良好的機械性、耐低溫、耐酸堿和與基材良好粘合性的特點[4]。國內謝康等提出聚氨酯與碎石結合作基床表層防水聯結層，經試驗得出聚氨酯碎石層有良好的力學行為和防水效果[5]。肖宏等以離散元軟件分析聚氨酯發泡道床模型，表明其具有良好彈性，可減少道砟顆粒的擠壓、摩擦作用，延長其使用壽命[6]。李鵬飛等依托實際工程，研究了聚氨酯碎石層整治翻槳冒泥的施工工藝和質量控制措施[7]

本文以某鐵路工程為依托，采用Abaqus軟件，建立有限元模型，對有砟軌道下聚氨酯碎石層上下加鋪復合土工布結構的力學性能和防水性能進行研究。基于正交試驗原理分析了聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構的優化方案，為實際工程中治理翻漿冒泥提供參考。

1有限元模型的建立

1.1 工程概況

某鐵路工程的地質情況復雜，部分路段含有大量破碎帶、斷層等不良地質[8]，且土體中夾雜有一些吸水能力強、透水性差的組分；部分路段距離海岸線較近、地下水位較高，上述情況對路基質量具有不利影響。

為防治該鐵路路基翻漿冒泥病害，提出采用在道床和基床之間加鋪聚氨酯膠凝碎石層，并在其上下包裹復合土工布的結構，具體如圖1所示。聚氨酯碎石層在力學上具有穩定性，可以承載上部傳來的行車荷載，保持道床結構平順穩定，并將其分散給下部路基；另一方面具有隔水層的效果，可以防正路基內部水分向上涌入道床內部，形成翻槳冒泥。

1.2計算參數及模型

采用非線性有限元軟件Abaqus建立計算模型，以研究聚氨酯碎石層及上下加鋪兩布一膜復合土工布結構的力學特性和滲透特性。

以某實際鐵路工程項目為依托，取橫斷面建立計算模型，類型為可變性，基本特征為“殼”。參考設計圖，路基基底厚度為 2m ，寬度為15.85m;基床底層厚度為 1.9m ，基床表層厚度0.6m，坡比為1：1.75；聚氨酯碎石層厚度為 0.08m ；聚氨酯碎石層上下鋪設復合土工布；道床層厚度為0.6m;軌枕截面長 2.5m ，高度為 0.2m 。為更好的分析路基填料中流固耦合的作用，在Step模塊中建立Soils類型載荷步[10]，選擇穩態分析類型，不考慮粘彈性行為。單元網格劃分形狀采用四邊形，掃掠網格方法如圖2所示，采用孔隙流體/應力單元模擬。模型底部為固定約束邊界，模型路基基底土體為飽和土，排水條件設定為自由排水。列車靜軸重取為20t，設計荷載的動力系數取 1.3^[11] 。本構模型采用Mohr -Coulomb模型，參照相關研究及文獻［12]取計算參數，具體如表1所示。

2 有限元分析

為體現聚氨酯碎石層運用于路基結構層治理翻漿冒泥病害的效果，將上述結構看作一個完整連續的路基結構層，采用有限元法分析路基在荷載作用下的位移變形、應力-應變和孔隙水壓力。對不鋪設聚氨酯碎石層、僅鋪設聚氨酯碎石層、鋪設聚氨酯碎石層及復合土工布這3種工況進行對比分析計算。

2.1不同基床結構下路基在荷載條件下的受力特性

不同基床結構下路基位移沿深度的分布如圖2所示。

由圖2可知，僅鋪設聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，位移沿深度分布的規律基本一致，由頂部到底部逐漸減小，最終減小到0，但在數值上有所差異。路基增設聚氨酯碎石層后，最大位移減少0.56mm ，減少量為普通路基位移的 21% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復合土工布后，路基位移沿深度的分布規律基本一致，相同位置位移數值減小，差值最大處位移量減小 0.17mm ，減小量為原位移的 7% 。

不同基床結構下路基應變沿深度的分布如圖3所示。

由圖3可知，鋪設聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，應變沿深度分布規律基本一致，由頂部到底部逐漸增大。增設聚氨酯碎石層的路基與普通路基相比，基床內應變減小，且隨深度增加，差值增大，最大處應變減小 2.5×10^-5 ，減少量為普通路基應變的 7% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復合土工布后，路基應變沿深度方向分布規律一致，相同位置應變數值減小。

不同基床結構下路基應力沿深度的分布如圖4所示。

由圖4可知，鋪設聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，應力沿深度方向分布規律基本一致。增設聚氨酯碎石層的路基與普通路基相比，基床內應力減小，且隨深度增加，差值增大，差值最大處應力減小 5.0kPa ，減少量為普通路基應力的 10% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復合土工布后，路基應力沿深度方向分布規律一致，相同位置應力數值減小。

2.2聚氨酯碎石層及加鋪復合土工布后的防水性能

不同基床結構下路基孔壓沿深度的分布如圖5所示。

由圖5可知，不同結構的路基孔壓分布規律相似，呈現從道床頂面沿深度向下呈線性逐漸增大的趨勢。增鋪聚氨酯碎石層的路基，聚氨酯碎石層下方孔壓比其上方孔壓大。這是因為聚氨酯碎石層具有良好的防水性能，路基以下水在抽吸作用下向上沿基床涌出，遇到聚氨酯碎石層無法涌入道床部分，導致基床含水量增大，道床含水量減小，聚氨酯碎石層下方孔壓大于道床孔壓。聚氨酯碎石層加鋪復合土工布后，基床孔壓增大，說明加鋪復合土工布后，涌入道床的水分減少，基床內水分增多，結構防水性能增強。

聚氨酯碎石層上下加鋪復合土工布后，沿深度方向路基位移、應力和應變的分布規律類似；但數值減小，結構均化應力作用增強。加鋪土工布后，孔壓分布規律相似，基床內孔壓增大，結構防水性增強。

3聚氨酯碎石加鋪復合土工布結構工程性能因素分析

正交試驗原理是指從多因素試驗中選取代表性的點，并對各代表點進行取值選擇，選擇合適的正交試驗方案得出試驗結果，并采用極差分析法對正交結果進行分析，并進而得到優化后的方案[13]

3.1正交試驗結果與分析

試驗擬定3因素4水平，選用 L16（4⁵） 正交表：聚氨酯碎石層厚度 （6，8，10，12cm ）聚氨酯碎石層滲透系數 （6×10^-5，8×10^-5，1.0×10^-4，1.2× 10^-4cm/s ）、復合土工布滲透系數（ 6×10^-6 、 8× 10^-6?1.0×10^-5?1.2×10^-5cm/s ）。不考慮因素相互作用，令聚氨酯碎石層厚度為因素A、聚氨酯碎石層滲透系數為因素 B 、復合土工布滲透系數為因素C ，試驗因素水平表如表2所示。

表2正交試驗因素水平表

基于圖2計算模型，按照表2建立16個有限元模型，計算各方案基床內孔壓，計算結果如表3所示；正交試驗結果如表4所示。

由表4可知，聚氨酯碎石層滲透系數極差最大，復合土工布滲透系數極差最小，說明聚氨酯碎石層的滲透系數對于基床孔壓影響最大，即對聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構的防水性能影響最大。

3.2路基翻漿病害防治方案優化

以基床內孔壓評價聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構的防水性能，各因素均值對應孔壓如圖6所示。

由圖6可知，對孔壓進行分析，在聚氨酯碎石層厚度因素下，均值顯示 k₄gt;k₃gt;k₂gt;k₁ ，表明聚氨酯碎石層厚度越大，結構防水性能越好，因此水平4為最優的選擇。以此類推，在聚氨酯碎石層滲透系數條件下 k₁ 最大，表明聚氨酯碎石層滲透系數下水平1為最優的選擇;在復合土工布滲透系數條件下 k₁ 最大，表明土工布滲透系數下水平1為最優的選擇；從實際效果考慮，最佳制備組合為： A₄B₁C₁ O

實際施工中不但應考慮聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構的實際效果，還應綜合考慮路基建造的施工成本。上述因素分析中，因素 A₃ 與 試驗均值相差較大，與 A₄ 均值相差較小，從經濟角度因素 A 應選取第3水平數，即聚氨酯碎石層厚度取10cm 。因素 B 各水平均值差值變化不大，但有試驗研究表明，聚氨酯碎石層的滲透系數隨聚氨酯摻量增加而減小，當聚氨酯摻量為 9% 時，聚氨酯碎石層的滲透系數約為 8×10^-5cm/s ，此時隨著聚氨酯摻量增大，滲透系數減小趨勢減緩[14]，達到因素 B₁ 的滲透系數需要極大摻量的聚氨酯，成本增大，故應選擇因素 B₂ 。因此從治理翻漿冒泥的實際效果和路基建造的施工成本綜合考慮，聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構優化后制備方案為： A₃B₂C₁ 。

4結語

（1）路基增設聚氨酯碎石層后，與普通路基相比，應力、應變和位移分布規律類似，但是各項數值均小于普通路基；

（2）在聚氨酯碎石層上下鋪設復合土工布，路基應力、應變、位移減小，分散應力的作用增強；基床內孔壓增大，增強了結構防水性能；

（3）以正交試驗分析可知，影響聚氨酯碎石加鋪復合土工布結構防水性能的敏感性順序依次為：聚氨酯碎石層滲透系數、聚氨酯碎石層厚度、復合土工布滲透系數。聚氨酯碎石層滲透系數越小、聚氨酯碎石層厚度越大、復合土工布滲透系數越小，結構防水性能越好。隨著聚氨酯層厚度增加，對于試驗結果影響逐漸減小。隨著聚氨酯碎石層滲透系數減小，結構防水性能越好，但是成本大量增加。實際施工中應綜合考慮聚氨酯碎石層加鋪復合土工布結構治理翻漿冒泥病害的效果和建造路基的經濟成本。

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