膨脹土地區(qū)復合防排水板基床動力特性現(xiàn)場試驗

段君義， 楊 嘯， 楊果林， 徐亞斌

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

膨脹土是一種富含膨脹性物質的特殊土，廣泛地分布于世界各地[1-5]。該土具有吸水膨脹、失水收縮的特性，容易使得膨脹土地區(qū)的鐵路、公路路基等產(chǎn)生各種病害[6-7]，造成巨大的經(jīng)濟損失。隨著高速鐵路建設的快速發(fā)展，列車的高速運行加劇了鐵路基床的動力效應，使得膨脹土地區(qū)基床問題非常突出，如基床鼓脹、不均勻沉降、翻漿冒泥等病害，嚴重影響了線路的安全運行?？梢姡瑢驳膭恿μ匦赃M行研究有著重要意義。

國內(nèi)外學者對非膨脹土地區(qū)鐵路基床動力特性進行了大量的研究[8-11]，而對膨脹土地區(qū)基床動力特性的研究相對較少，鄭大為等[12]通過現(xiàn)場試驗對膨脹土地區(qū)不同剛度路堤的振動特性進行了研究，認為路堤塑性變形主要由級配碎石產(chǎn)生，改良土基本沒有塑性變形；楊永平等[13]通過現(xiàn)場試驗分析了高路堤和低路堤在模擬列車動荷載作用下的動力特性，指出降雨對基床動剛度具有顯著影響；王亮亮等[14]在膨脹土地區(qū)路塹基床中設置全封閉防水層，并通過現(xiàn)場激振試驗研究全封閉基床動力特性，研究表明干燥與浸水2種環(huán)境中基床的動力特性分布規(guī)律不同。大量的理論和試驗研究[15-18]結果顯示，水是造成膨脹土地區(qū)鐵路基床病害的重要因素，包括降雨、地表水、地下水以及因氣候而引起的地基土中濕度重分布。由此可見，基床防排水處治是膨脹土地區(qū)鐵路路基設計的重點。

目前，我國鐵路上常用的基床防排水措施有鋪設復合土工膜或者復合防排水板等。這些措施不僅能夠改善基床的防排水情況，減少基床病害，而且還能夠提高基床剛度，在一定程度上優(yōu)化基床動力特性。但受到車速、現(xiàn)場條件及資源等方面的限制，對膨脹土基床防排水處治情況下的基床動力特性實測研究不多[19]。因此，非常有必要對其進行深入研究?，F(xiàn)場試驗可以避免室內(nèi)模型試驗的不足，能夠真實反映膨脹土基床的動力特性。故本文依托云桂高速鐵路工程，通過在膨脹土地段的鐵路路塹基床中設置復合防排水板，改善基床防排水能力，并對該路塹基床進行自然狀態(tài)和降雨工況下的現(xiàn)場激振試驗，研究膨脹土地基復合防排水板基床的動力特性。研究成果對于膨脹土地區(qū)的鐵路建設有重要的指導作用，也對深入研究膨脹土基床的動力機理具有參考意義。

1 試驗工點概況與試驗方案設計

選取云桂鐵路里程為DK161+920的典型路塹斷面開展現(xiàn)場試驗。此處的特殊土為膨脹土與膨脹巖，具有弱-中膨脹性，自由膨脹率為23%～42%。測區(qū)內(nèi)地表水主要來自大氣降雨，地下水主要為第四系孔隙水，主要由大氣降雨與溝水補給。所測試驗斷面的基床表層厚度為0.7 m，采用級配碎石填筑；基床底層厚度為1.5 m，采用A、B組填料進行換填，填筑要求參考文獻[20]；在基床表層與基床底層接觸面處鋪設復合防排水板，復合防排水板上下方各鋪設厚度為5 cm的中粗砂。

復合防排水板(見圖1)是由三維土工網(wǎng)芯及其兩面都粘有針刺穿孔土工織物組成的具有排水、隔離功能的復合結構體。其中，三維土工網(wǎng)芯包括多條縱向的垂直主肋和2層斜向肋，主肋與斜向肋構成穩(wěn)定的排水通道且肋起到支撐與保護作用。同時，斜向肋的下方設置一層隔水土工膜。

激振試驗采用高速鐵路路基原位動力試驗系統(tǒng)(DTS-1)模擬列車荷載。該設備激振頻率范圍為5～50 Hz，最大偏心激振力可達166 kN。根據(jù)文獻[20]，列車的動軸重、路基面最大動應力、附加動應力按照列車速度250 km/h計算。再根據(jù)附加動應力確定混凝土配重塊的底面尺寸為1.9 m×2.0 m，高度為0.15 m?？紤]設備安裝、混凝土配重塊的構造鋼筋布置等因素，混凝土配重塊的頂面尺寸定為2.6 m×2.6 m，高度為0.6 m。激振試驗加載參數(shù)見表1。激振試驗測試元器件見表2，具體布置見圖2。試驗中先對自然狀態(tài)下的路基激振100萬次，激振結束后，在試驗斷面周圍設置3 m×3 m的擋水圍堰，通過采用灑水車向圍堰內(nèi)灑水并保持試驗過程中基床表面有水覆蓋，模擬降雨工況并對路基再激振100萬次，通過對這2種服役環(huán)境下的路基各激振100萬次，共200萬次，研究中-弱膨脹土復合防排水板基床動力響應特性規(guī)律。

表1 激振試驗加載參數(shù)

表2 激振試驗測試元器件

2 試驗結果與分析

由于在激振初期，各項動力響應指標均處于波動狀態(tài)，經(jīng)過一定激振次數(shù)后，各項動力響應指標達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此動應力、振動速度、振動加速度及動位移均在穩(wěn)定階段采集。

根據(jù)布置在路基中的土壤濕度計，測得2種服役環(huán)境下路基中濕度的變化。軌道中線不同深度處土層濕度見表3?？梢?，模擬降雨主要對基床表層內(nèi)填料濕度有顯著影響。

表3 軌道中線不同深度處土層濕度 %

注：濕度計精度為±3%，即讀數(shù)在±3%范圍內(nèi)則認為土壤濕度無變化。

2.1 動應力變化規(guī)律

路基內(nèi)的動應力分布是影響鐵路路基長期動力穩(wěn)定性的重要因素。不同服役環(huán)境動應力隨基床深度衰減曲線見圖3。

由圖3可知：(1)由于振動能量消耗和填料的阻尼作用，隨著深度(若無特別說明，深度均從路基面起算)的增加，基床動應力均逐漸衰減，且衰減的幅度隨深度的增加而逐漸減小，自然狀態(tài)下的動應力呈指數(shù)函數(shù)衰減，降雨工況下的動應力呈自然對數(shù)函數(shù)衰減，擬合方程見表4；在基床表層范圍內(nèi)，動應力衰減率變化較大，基床表層底面的衰減率均在30%左右，基床表層是動應力的主要承受部位。(2)與自然狀態(tài)相比，降雨工況時的動應力較大，說明基床動應力大小與服役環(huán)境有關。主要原因是：在降雨條件下，基床表層內(nèi)填料浸水，使得填料的有效內(nèi)摩擦角變小，應力擴散角減小，導致基床動應力增大。

表4 動應力與深度關系曲線擬合方程

注：σ(s)為深度s處的軌道中線動應力,kPa；s為距路基面的深度,m。

不同服役環(huán)境動應力沿基床橫向分布曲線見圖4?？芍?1)自然狀態(tài)與降雨工況下的基床動應力變化規(guī)律具有相似性；在同一深度處，軌道中線處的動應力最大，動應力隨軌道中線距離的增大而逐漸減小，動應力沿基床橫向分布具有明顯的不均勻性。(2)自然狀態(tài)時基床底層表面處軌道中心動應力為28.5 kPa，降雨工況時該處動應力為39.0 kPa；相同位置處，降雨工況時的動應力大于自然狀態(tài)下的動應力。

2.2 振動速度變化規(guī)律

振動速度是路基動力特性分析的重要參數(shù)。不同服役環(huán)境軌道中線振動速度隨基床深度的衰減曲線見圖5?？芍?1)自然狀態(tài)與降雨工況下振動速度沿深度變化規(guī)律具有相似性，振動速度隨著深度的增加而逐漸衰減；在基床表層范圍內(nèi)，振動速度的衰減不明顯，主要原因是振動荷載產(chǎn)生的振動波在傳播過程中遇到復合防排水板和不同填料層界面，引起振動波發(fā)生復雜的反射、折射現(xiàn)象，導致振動能量疊加，減弱了振動速度的衰減；自然狀態(tài)時基床表層底部的振動速度衰減率只有1.49%，降雨工況時為1.89%；而在基床底層范圍內(nèi)，振動速度的衰減相對較大，自然狀態(tài)時深度2.2 m處的振動速度衰減率為58.6%，降雨工況時為63.8%，由此可見，基床底層是振動速度衰減的主要部位。(2)相同深度處，降雨工況時的振動速度小于自然狀態(tài)時的振動速度，說明振動速度也與服役環(huán)境有關。其主要原因是在降雨條件下，水滲入基床表層填料孔隙，對基床表層內(nèi)填料顆粒的振動起到一定的緩沖、抑制作用，而且由振動產(chǎn)生的剪切波不能在液體中傳播，剪切波的能量變小，導致基床表層的振動速度變小，進而使得基床底層的振動速度相應變小。

不同服役環(huán)境振動速度沿基床橫向分布曲線見圖6。可知：(1)自然狀態(tài)與降雨工況下的振動速度沿基床橫向的變化規(guī)律具有相似性。同一深度處，振動速度最大值出現(xiàn)在軌道中線處或軌道中線側0.76 m處，軌道中線側2.26 m以外各監(jiān)測點振動速度相對較小且趨于穩(wěn)定。(2)與基床底層底面相比，基床內(nèi)的振動速度沿基床橫向分布的不均勻性更大。由此可見，在基床施工時需要特別注意基床內(nèi)填料壓實情況，避免引起路基的不均勻沉降。

2.3 振動加速度變化規(guī)律

振動加速度分布是分析激振荷載對路基動力特性影響的主要參數(shù)之一。不同服役環(huán)境軌道中線振動加速度隨基床深度衰減曲線見圖7?？芍?1)振動加速度沿基床深度大致呈線性變化，同一深度處，降雨工況時的加速度與自然狀態(tài)時的差別不大，可見服役環(huán)境對加速度的影響較小。(2)振動加速度在基床表層內(nèi)的衰減率僅為20.8%和24.1%，在基床深度2.7 m處的衰減率為84.2%和86.1%，可知在基床深度2.2 m以下，振動加速度變得很小。

不同服役環(huán)境振動加速度沿基床橫向分布曲線見圖8。可知：(1)自然狀態(tài)與降雨工況下的加速度沿基床橫向的變化規(guī)律具有相似性。這與文獻[21]所測得的結果一致。同一深度處，振動加速度最大值出現(xiàn)在軌道中線處或軌道中線側0.76 m處，軌道中線側2.26 m以外各監(jiān)測點加速度相對較小且趨于穩(wěn)定；(2)與基床底層底面相比，基床范圍內(nèi)的加速度沿基床橫向分布的不均勻性更大。

2.4 動位移分布規(guī)律

動位移反映了列車荷載對路基動態(tài)作用的強弱程度，因此研究了軌道中線處的路基面動位移沿線路縱向的衰減規(guī)律。從激振器中心起，沿線路縱向每隔2 m布置1個動位移計，總共7個。不同服役環(huán)境路基面動位移隨距振源距離的變化曲線見圖9。

由圖9可知：路基面動位移隨振源距離的增大呈指數(shù)函數(shù)衰減，擬合方程見表5。在距振源4 m范圍內(nèi)，自然狀態(tài)下的路基面動位移大于降雨工況；在距振源4 m以外范圍，不同服役環(huán)境對路基面動位移影響不大?？赡茉蛴校?1)距振源4 m范圍內(nèi)屬于模擬降雨的影響范圍，而其他監(jiān)測點在模擬降雨影響范圍之外，在降雨影響范圍內(nèi)，基床表層內(nèi)填料孔隙被水充滿，水對路基填料顆粒(級配碎石)的振動起到一定程度的約束作用，導致激振荷載作用下路基面動位移減少；(2)通過開挖對基床中復合防排水板的效果進行了檢查并發(fā)現(xiàn)，雖然地表水大部分經(jīng)復合防排水板排出到基床外，但仍有部分水通過復合防排水板之間的搭接縫滲入到基床底層，從而引起基床以下的膨脹土吸水膨脹，產(chǎn)生向上的位移，使得降雨范圍內(nèi)的路基面動位移減小；而在降雨影響范圍之外(距振源4 m以外)雨水滲入膨脹土較少，使得路基面動位移受影響較小。

表5 動位移與距離關系曲線擬合方程

注：y為路基面動位移,mm；x為距震源距離,m。

3 結論

(1) 膨脹土地區(qū)復合防排水板基床動力特性與其服役環(huán)境有關；動應力隨深度在自然狀態(tài)下呈指數(shù)函數(shù)衰減，在降雨工況下呈自然對數(shù)函數(shù)衰減，降雨工況下動應力較大；相同深度處，軌道中線處的動應力最大。

(2) 不同服役環(huán)境下的振動速度分布規(guī)律具有相似性；與降雨工況相比，自然狀態(tài)下振動速度較大；振動速度衰減的主要范圍是基床底層。

(3) 服役環(huán)境對振動加速度影響不大，加速度隨深度呈線性衰減。2種環(huán)境下基床深度2.7 m處的加速度衰減率為84.2%和86.1%；相同深度處，振動速度、振動加速度最大值均在軌道中線處或軌道中線側0.76 m處。

(4) 與降雨工況相比，自然狀態(tài)下的路基面動位移較大；路基面動位移隨振源距離呈指數(shù)函數(shù)衰減。

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