客運專線膨脹土路塹新型防水基床結構設計研究

楊果林，段君義，胡 敏，邱明明

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075; 2. 延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716099)

膨脹土是一種因濕度變化而能夠產(chǎn)生明顯脹縮變形的特殊土[1]，其變形具有長期反復的特點，容易導致鐵路線路不平順、基床病害頻發(fā)，造成巨大的經(jīng)濟損失[2-4]。加強防排水、控制膨脹土濕度變化是當前治理鐵路膨脹土路基病害的主要方法[5]。目前，我國膨脹土地區(qū)鐵路基床的防排水措施主要是傳統(tǒng)的復合土工布(膜)和防排水板[6-8]，但這類柔性防水層在施工中容易產(chǎn)生破損，其長度、寬度有限，存在較多的焊接縫、搭接縫及施工縫，縫隙防水處理困難；此外，供電接觸網(wǎng)立柱與防水層之間的接觸縫難以密封。在強降雨條件下，雨水可能由這些縫隙下滲至膨脹土地基，引起不均勻膨脹變形[9-10]。因此，防水層的搭接縫、施工縫及接觸縫等接縫的防水亦是膨脹土基床防排水處理的重點內(nèi)容。

然而，防水層能夠隔絕雨水下滲，也能阻擋地基土體中水汽的上升路徑。研究表明，氣候變化引起路基中土體濕度重分布也是引起膨脹土基床病害的重要因素[10-11]。Tang等[12]指出氣候變化會引起膨脹土基床反復變形，引發(fā)基床病害。Fityus等[13]對鋪設柔性防水層的路基進行長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)防水層下方積存了大量水分，膨脹土路基內(nèi)部產(chǎn)生了鼓脹現(xiàn)象。為減小氣候?qū)沧冃蔚挠绊?，工程中通常對基床底層進行換填或膨脹土改良處理[9,14-15]，但該處理方法能否保障膨脹土基床在復雜服役條件下的長期穩(wěn)定性還需要深入研究與驗證[16]?？梢姡黝惪p隙滲漏點的存在與氣候變化均會引起鐵路路基中水分的不均勻分布，會導致膨脹土的不均勻變形[3,17]。同時，柔性防水層由于剛度不足將會產(chǎn)生同步變形，甚至出現(xiàn)破損，失去防排水能力，且在防水層上方會形成積水凹槽，進而導致基床發(fā)生翻漿冒泥等問題[18]。因此，防水層在保持防水功能的同時需擁有合理的剛度約束路基的不均勻變形。使得防水層發(fā)揮防排水效果與鐵路路基保持良好的安全穩(wěn)定性。此外，當基床的結構剛度與形式不同時，基床動力特性會存在差異[19]，而防水層鋪設于基床中時也會改變基床動力及傳遞特征。

基于上述考慮，本文開展了新型防水層復合材料研發(fā)和基床防排水系統(tǒng)設計工作，建立了膨脹土路塹新型防水基床結構，并通過室內(nèi)大型激振模型試驗，從基床動力特性和防排水效果兩個方面，驗證新型防水基床結構在不同服役條件下的適用性。研究成果能夠為膨脹土地區(qū)鐵路路基設計及病害治理提供借鑒。

1 新型防水復合材料試驗

1.1 新型防水復合材料基本要求

考慮到路基內(nèi)水遷移變化會引起基底膨脹土濕度的不均勻分布，進而引起不均勻的脹縮變形，而列車荷載傳遞至路基中也為非均勻分布特點，亦可能引起路基不均勻變形，若防水層在反復列車動荷載作用下出現(xiàn)疲勞開裂、破損，則水分會從裂縫中下滲至基床中，并形成水囊，在動荷載作用下形成泵擊效應，引起防水失效。此外，新型防水復合材料鋪設在路基中會受到水的侵蝕作用。故新型防水復合材料不僅應具有良好的防水隔滲性能，還應具有較好的水穩(wěn)性及小幅度不均勻變形的抵抗協(xié)調(diào)能力，并能夠在列車荷載作用及浸水條件下保持長期動力穩(wěn)定性，即防水材料應具有中低彈模、高韌性及強抗?jié)B性。為此，利用砂和土為基本骨架，水泥與纖維混合體為增強體，輔以乳化瀝青與橡膠改性，通過不同材料組分的配合比設計以研發(fā)滿足要求的新型防水復合材料。根據(jù)以上的6種材料組分，結合新型防水復合材料的室內(nèi)試驗成果，新型防水復合材料的物理力學性能應滿足以下要求：①抗壓強度qu≥2.5 MPa；②0.7 GPa≤彈性模量E≤1.5 GPa；③抗?jié)B系數(shù)ks≤10-10m/s；④軟化系數(shù)R≥0.85；⑤防水材料應具有攪拌容易、強度增長迅速、施工程序簡單及質(zhì)量波動小等特點。

1.2 浸水條件下新型防水復合材料性能

為驗證研制的新型防水復合材料在動荷載與浸水作用下的適應性，根據(jù)提出的材料物理力學性能控制指標，養(yǎng)護成型了平行試件，經(jīng)統(tǒng)計處理其基本物理力學參數(shù)均值見表1。

表1 新型防水復合材料物理力學指標

首先，對材料試件(尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體)進行7 d的浸泡處理，然后，通過SPW微機控制氣動伺服疲勞試驗系統(tǒng)對試件進行疲勞試驗，荷載為正弦波形式，應力區(qū)間為0.2～1.0 MPa，頻率為5 Hz，共200萬次，試驗結果見圖1。由圖1可知，隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，新型防水復合材料的應力峰值增大，而應力峰值對應的應變降低不顯著。加載循環(huán)初期，材料的累積變形增長較快，循環(huán)100萬次時為0.07 mm/m；加載循環(huán)次數(shù)超過100萬次后，累積變形增長緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定值，約為0.08 mm/m。目前，實際鐵路基床承受的動荷載幅值遠小于該疲勞試驗中的加載動力幅值(0.8 MPa)，而疲勞試驗后試件材料外觀未出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。可見，研發(fā)的新型防水復合材料的抗疲勞性能較好，能夠適用于浸水與實際列車動荷載服役環(huán)境。此外，新型防水復合材料施工連續(xù)性好，避免了傳統(tǒng)防排水材料中存在的較多搭接縫，減少了滲漏點(通道)的出現(xiàn)，且能夠保證一定的變形協(xié)調(diào)能力。

圖1 浸水條件下新型防水復合材料疲勞試驗結果

2 膨脹土新型防水基床結構設計

2.1 新型防水基床結構簡介

合理地設計防排水系統(tǒng)是保障膨脹土地區(qū)鐵路基床長期服役穩(wěn)定的基礎。然而，膨脹土基床面臨的環(huán)境包括不同程度的降雨、地表水侵入、地下水上升和反復列車荷載等。因而，新型防水基床結構應起到隔水、阻滲作用，同時需要保持適當?shù)膭偠葋淼挚?、協(xié)調(diào)基床結構在列車荷載反復作用及基底膨脹土濕度變化情況下可能產(chǎn)生的小幅度差異沉降或隆起變形，保證防排水結構層橫向排水坡度和基床結構的穩(wěn)定，并盡可能地促進基床動力特性更合理。因此，膨脹土地區(qū)的新型防水基床結構設計應遵循“強度、防滲、消能和抗變形”原則。

基于上述設計原則，依托云桂鐵路膨脹土路塹建設工程，將研發(fā)的新型防水復合材料鋪設在基床中，對膨脹土路塹基床進行全封閉防水處理。新型防水復合材料和基床結構的結合應協(xié)調(diào)好每個要素的聯(lián)系，保證新型防水基床結構發(fā)揮“強度、防滲、消能和抗變形”效果。在此基礎上，新型防水基床結構設計應考慮環(huán)境影響，并控制項目造價，使得新型防水基床結構合理經(jīng)濟[20]。

為此，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，設計了4種膨脹土路塹新型防水基床結構，通過在基床底層表面鋪設新型防水復合材料，以達到隔滲排水和協(xié)調(diào)變形的目的,新型防水基床結構如圖2所示。

圖2 客運專線膨脹土路塹新型基床結構型式(單位：m)

圖2(a)為類型1～3，由上至下分別為：基床表層(厚度為0.70 m，其中，級配碎石為0.65 m，中粗砂為0.05 m)+新型防水復合材料(厚度為0.20 m)+基床底層(采用A、B組填料，填筑厚度根據(jù)相應地質(zhì)條件設計)，新型防水復合材料由線路中線向兩側的排水坡度不小于4%。視不同的水文地質(zhì)條件增設盲溝和混凝土防滲墻以協(xié)助排水和阻擋路塹邊坡的滲水，路塹邊坡坡面及坡體中的水分則經(jīng)過坡體貫通裂隙與排水系統(tǒng)流至坡腳處的縱向排水通道中，再經(jīng)側溝或盲溝排走。圖2(b)為地下水極其發(fā)育或松軟膨脹土(巖)情況時的新型防水基床結構，在此種工況下，一方面地下水極其發(fā)育引起膨脹土路基從下部吸水隆脹，另一方面松軟的膨脹土不能達到承載要求，故采用混凝土樁筏結構作為整體基床的承力結構。

2.2 防排水系統(tǒng)及換填層厚度確定

當?shù)叵滤^發(fā)育時，應設縱橫向滲水盲溝排水(見圖2)，盲溝內(nèi)鋪設PVC管，管徑大小根據(jù)地下水的滲流量確定，并采用透水土工布對管道進行包裹處理，避免土顆粒、雜物進入管道引起堵塞，盲溝內(nèi)剩余空間填充干凈的砂卵石、礫石或碎石。

考慮鐵路路基長期動力穩(wěn)定，采用臨界動應力法、有效振速法和動剪應變法[9,21]對新型防水基床結構進行計算分析。對于設計速度為250 km/h的客運專線鐵路，根據(jù)文獻[22]取路基面動應力為98.8 kPa，路基面振動速度約為20.5 mm/s，其他參數(shù)參考文獻[21]進行選取。當基床表層厚度為0.7 m，新型防水結構層為0.2 m時，在不同地質(zhì)條件[9-10, 22]下，膨脹土路塹新型防水基床結構的防排水組成系統(tǒng)及基床合理換填厚度(新型防水層厚度+基床底層厚度)建議值見表2。由表2可知，膨脹土膨脹等級越高，基床換填厚度越大。對于膨脹等級較低的膨脹土地基，可考慮換填改良土措施；對于膨脹等級較高的膨脹土地基，增加換填厚度不經(jīng)濟，可考慮采取復合地基或其他加固措施。在對基床換填厚度設計前，應對膨脹土的工程特性、動力參數(shù)、工程地質(zhì)條件等進行詳細調(diào)研、試驗和分析；對于不確定的因素和風險，可考慮增加基床安全儲備。

2.3 接觸縫和施工縫防水關鍵技術

(1)新型防水層

采用新型防水復合材料，經(jīng)充分拌和后攤鋪，利用雙缸壓路機碾壓形成，壓實后厚度為0.2 m，防水層表面的橫向排水坡度不得小于4%，養(yǎng)護3 d后的檢測指標應達到如下要求：0.75 GPa≤彈性模量E≤1.5 GPa，動態(tài)變形模量Evd≥65 MPa，抗?jié)B系數(shù)≤10-10m/s。

(2)新型防水層施工縫處理

防水層施工暫停、間斷時，將先施工段防水層銜接處做成與水平方向成β角的粗糙面，清理雜物后用水浸濕，然后進行后施工段防水層鋪設；施工完成后應及時標注施工縫位置，并在養(yǎng)護3 d后，在施工縫表面涂刷雙組分高分子瀝青防水材料，防水涂層寬度為施工縫兩側各100 mm，厚度應大于3 mm，施工縫與電網(wǎng)立柱的距離不應小于1 000 mm，見圖3。

圖3 施工縫防水處理(單位：mm)

(3)接觸縫防水材料及處理

接觸縫也采用雙組分高分子瀝青防水材料涂刷，防水層施工完畢養(yǎng)護3 d后，在防水層和立柱的接觸部位設置雙組分高分子瀝青防水材料，厚度應大于3 mm，搭接寬度為100 mm。

(4)側溝與新型防水層搭接要求

① 側溝翼板頂面應對齊于基床底層表面，新型防水層鋪筑在兩者的上方，并設置規(guī)定的橫向排水坡度，其中，在側溝翼板上的鋪筑寬度不小于200 mm。施工時先施工防水側溝和翼板，然后攤鋪防水層材料。② 待翼板側溝和新型防水層養(yǎng)護結束后，利用雙組分高分子瀝青防水材料對搭接縫進行防水處理。

3 新型防水層基床結構服役性能試驗

3.1 模型試驗設計

為驗證新型防水復合材料作為膨脹土基床防水層的適用性，判斷新型防水基床結構的合理性。在實驗室進行了大型激振模型試驗，研究列車荷載與不同服役環(huán)境(自然、降雨、地下水位上升)對新型防水基床結構服役性能影響。模型試驗具體情況如下：

(1)模型簡介

選取客運專線鐵路雙線路塹基床的一半進行全比尺路基模型試驗，模型箱為鋼結構長方形箱體，尺寸為9.2 m×2.0 m×4.6 m(長×寬×高)，結合表2和實驗室設備加載條件，模型試驗中換填厚度取0.8 m，即新型防水層厚度為0.2 m，基床底層厚度為0.6 m，由3根軌枕組成軌道，模型具體尺寸見圖4。路基采用分層填筑、振動夯實的方法，各結構層填筑指標嚴格遵照TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[23]標準執(zhí)行，填筑壓實檢測結果見表3。地基土為取自云桂鐵路路塹工點的中-強膨脹土，其基本力學指標見表4。

圖4 試驗模型尺寸及元器件布置圖(單位：m)

表3 模型試驗填料填筑壓實檢測結果

表4 地基膨脹土基本物理性質(zhì)

(2)新型防水層施工

在試驗現(xiàn)場，采用300 L的砂漿攪拌機對防水材料進行現(xiàn)場攪拌，采用振動夯實方法施工。為了防止模型箱側壁、電纜槽和排水溝溝壁在加水過程中滲水，在防水材料施工完畢養(yǎng)護3 d后，采用人工涂刷的方法，在有可能發(fā)生滲水的部位表面涂刷了一層厚度約3 mm的雙組份高分子瀝青防水材料，搭接高度為100 mm。

(3)加載方式

采用MTS伺服激振器模擬列車振動荷載，激振頻率為4 Hz，最大動軸力為380 kN(按列車靜軸重200 kN，時速250 km/h計算)，最小動軸力為20 kN，按正弦波形加載。

(4)試驗工況

模擬自然、降雨及地下水位上升三種工況，每種工況下各激振100萬次。

(5)測試元器件布設

在路基中分層布設動土壓力盒、速度傳感器和土壤濕度傳感器，以獲得新型防水基床結構的振動響應分布特征。元器件布設見圖4。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 動土壓力沿深度變化

定義無量綱的動土壓力衰減系數(shù)為λ=σ/σ0，其中，σ為距路基面某深度處的動土壓力，σ0為路基面動土壓力。不同服役條件下基床動土壓力隨深度的變化規(guī)律見圖5。

圖5 路基動土壓力隨距路基面深度變化曲線

由圖5可知，動土壓力隨深度呈雙曲線函數(shù)衰減，擬合結果見表5。動土壓力的衰減主要發(fā)生在深度1 m范圍內(nèi)，服役條件對動土壓力具有顯著影響，具體來說，相比于自然條件，降雨條件時基床表層內(nèi)含水率升高，引起動土壓力明顯增大；地下水位上升時，基床底層內(nèi)含水率升高，引起動土壓力進一步增大。相比于自然狀態(tài)，降雨、地下水上升時新型防水層底面處動土壓力值分別提高了13.7%、27.5%。干燥、降雨及地下水上升服役條件下，新型防水層底面處動土壓力分別衰減了65.0%、65.2%、61.7%，均超過了60%。

表5 動土壓力衰減曲線擬合關系式

為分析新型防水層的消能作用，通過Odemark理論、彈性理論和數(shù)值模擬方法，計算鋪設與未鋪設新型防水層時動土壓力衰減系數(shù)隨基床深度的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 路基動土壓力衰減系數(shù)的對比分析

由圖6可知，由于理論計算和數(shù)值模擬時均做了簡化處理，導致理論值與模擬值相對偏小。比較鋪設與未鋪設新型防水層可知，未鋪設新型防水層時，對應的深度0.7～0.9 m范圍內(nèi)動土壓力衰減了約8%，而鋪設新型防水層后，動土壓力在新型防水層內(nèi)衰減了約15%。說明新型防水層參與振動并促進了動土壓力的衰減，具有一定程度的消能作用，有利于列車動荷載作用下基床長期動力穩(wěn)定性。

3.2.2 振動速度沿深度變化

定義無量綱的振動速度衰減系數(shù)為δ=vd/v0，其中，vd為距路基面某深度處的振動速度，v0為路基面振動速度。基床振動速度隨深度的變化曲線見圖7。

圖7 路基振動速度隨距路基面深度變化曲線

由圖7可知，相比于基床較深位置，服役條件對基床較淺范圍內(nèi)振動速度影響更大，3種服役條件下振動速度隨基床深度均呈二次曲線型變化。自然、降雨及地下水上升服役條件下，路基面下0.2 m處振動速度分別為9.0、10.0、10.5 mm/s，新型防水層底面振動速度分別為7.8 mm/s、9.5 mm/s、10.0 mm/s。即相比于自然狀態(tài)，降雨、地下水上升情況時，路基面下0.2 m處振動速度值分別提高了11.1%、16.7%，而新型防水層底面處分別提高了21.8%、28.2%?？梢姡涤昱c地下水位上升會導致振動速度提高，不利于基床動力穩(wěn)定性，也說明防水系統(tǒng)對基床動力穩(wěn)定性的重要性，但服役條件對振動速度的衰減規(guī)律影響相對較小。

3.2.3 新型防水層抗?jié)B效果檢驗

激振試驗結束后路基濕度隨深度的變化曲線見圖8。由圖8可知，降雨后基床表層內(nèi)濕度顯著增大，而新型防水層以下的基床底層濕度未出現(xiàn)明顯變化，表明新型防水層有效地將雨水阻隔在基床表層內(nèi)，防止雨水下滲至膨脹土地基，避免了膨脹土吸水膨脹而引起路基不均勻變形；地下水上升后，新型防水層以下的基床底層濕度顯著增大，而防水層上方濕度基本不變，表明地下水被有效地阻隔在防水層以下。說明新型防水層在動荷載與復雜服役條件下具有良好的隔水、防滲效果。

圖8 不同服役條件下路基內(nèi)濕度隨深度變化曲線

試驗結束后開挖基床對新型防水層進行檢查，新型防水復合材料在3種極端服役條件和300萬次激振后未出現(xiàn)開裂、裂縫和滲漏等破壞問題，表明新型防水層具有較好的抗?jié)B與抗疲勞性能。

4 結論

(1)根據(jù)鐵路膨脹土基床病害特征及其機理，研發(fā)了具有中低彈模、高韌性及強抗?jié)B性的新型防水復合材料，并提出了對應的物理力學性能控制要求。新型防水復合材料具有較好的施工連續(xù)性，能夠避開傳統(tǒng)防水材料的搭接縫，具有良好的變形協(xié)調(diào)能力。

(2)基于“強度、防滲、消能與抗變形”原則，考慮環(huán)境地質(zhì)情況，新型防水層厚度取為0.2 m，設計了4種膨脹土路塹新型防水基床結構，系統(tǒng)提出了接觸縫、施工縫等接縫防水關鍵技術。

(3)動土壓力在新型防水層范圍內(nèi)的衰減量約為15%，而未鋪設新型防水層時相應深度范圍內(nèi)的衰減量約為8%。相比于自然狀態(tài)，降雨、地下水上升情況時，新型防水層底面處動土壓力值分別提高了13.7%、27.5%，對應位置的振動速度值分別提高了21.8%、28.2%。新型防水層在動荷載與不同服役條件下具有良好的防滲隔水性與抗疲勞性能。

本文研發(fā)的新型防水材料及設計的新型防水基床結構目前僅在試驗中進行了驗證，在進行推廣應用前，還需要后續(xù)在實際工程中進一步驗證優(yōu)化。