動-靜組合荷載作用下砂-粉土混合料水分遷移試驗研究

張升，高峰

（1. 中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

1 概述

鐵路是國家運輸體系的重要組成部分，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。路基作為支撐軌道上部結(jié)構(gòu)和列車荷載的基礎(chǔ)，由于頻繁經(jīng)受列車荷載、降雨融雪、地下水位和溫度變化等復(fù)雜環(huán)境耦合效應(yīng)的影響，路基含水量大小及分布也發(fā)生變化，為進一步造成路基發(fā)生不均勻沉降、凍脹、翻漿冒泥等病害提供了條件[1-3]。特別是在鐵路路基翻漿冒泥形成過程中，路基土中的細顆粒在水-力耦合作用下形成泥漿并遷移進入上部道砟層，逐步降低道床的排水能力，增大其壓縮性，對列車的安全運行構(gòu)成嚴重威脅[4]。

近年來，通過試驗和數(shù)值模擬等方法對路基翻漿冒泥開展了廣泛研究。周錫九[5]綜合分析了土質(zhì)條件、荷載條件、水的作用及氣溫等因素對基床病害產(chǎn)生與發(fā)展的影響。何華武等[6-7]通過路基病害調(diào)研總結(jié)得出翻漿冒泥是其主要病害形式之一，并建立路基翻漿冒泥的快速識別方法。蔡德鉤等[8]利用有限元模型分析了地下水位變化對路基土宏觀力學(xué)及工程特性的影響規(guī)律。張升等[9]通過試驗表明動-靜組合荷載作用下飽和砂-粉土試樣內(nèi)軸向形成逐漸增強的孔隙水壓力梯度，在該勢能梯度作用下孔隙水產(chǎn)生流動并攜裹細顆粒發(fā)生相變遷移。Sheng 等[10-11]提出在列車動荷載作用下，非飽和路基土內(nèi)可能存在某種“抽吸”作用，該“抽吸”作用將有效促使孔隙水發(fā)生遷移并繼而誘發(fā)多種鐵路病害。Schulz-Poblete 等[12]通過開展不同飽和度下的路基土動荷載試驗，分析動荷載強度、頻率等對路基土變形發(fā)展的影響規(guī)律和軸向基質(zhì)吸力的演化趨勢。

鑒于我國重載鐵路、高速鐵路等已具有相當(dāng)規(guī)模，既有營運線路的養(yǎng)護維修應(yīng)是今后重點關(guān)注與研究的方向。循環(huán)荷載作用下土中孔隙水的遷移研究將為認識路基翻漿冒泥的發(fā)生機理和從根本上建立路基翻漿冒泥病害防治配套技術(shù)提供理論支撐。通過研制一套路基翻漿冒泥物理模型試驗系統(tǒng)，開展循環(huán)動-靜組合荷載作用下非飽和砂-粉土混合料水分遷移試驗研究，分析動-靜組合荷載作用下砂-粉土試樣的水動力特性和水分遷移規(guī)律，并結(jié)合在非飽和段路基中頻繁發(fā)生的翻漿冒泥、凍脹等病害[13]，從一個新的角度闡述其形成機理。

2 試驗系統(tǒng)與材料

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗利用中南大學(xué)自主設(shè)計的鐵路路基翻漿冒泥物理模型試驗系統(tǒng)（見圖1）。該試驗系統(tǒng)由模型箱、軸向加載架、水位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置4 部分組成，實現(xiàn)從試樣表面施加動-靜組合荷載作用，從試樣底部補給水分以模擬地下水賦存條件。同時在模型箱側(cè)壁沿軸向布置多種土壤物理參數(shù)測量傳感器，實現(xiàn)跟蹤采集試樣體積含水量、孔隙水壓力等水力特性指標(biāo)發(fā)展規(guī)律。

圖1 試驗系統(tǒng)

2.2 試驗材料

試驗所用砂-粉土混合料采用長沙地區(qū)天然粗河砂和粉土配制而成，粗河砂和粉土在混合配制前經(jīng)過烘干、粉碎和篩分處理。配制的砂-粉土混合料具有良好的孔隙特征，可為孔隙水及細顆粒發(fā)生遷移流動提供便利通道。試驗材料的基本物理特性指標(biāo)見表1，顆粒級配曲線見圖2。

表1 砂-粉土混合料基本物理特性指標(biāo)

圖2 砂-粉土混合料顆粒級配曲線

3 試驗方案與步驟

3.1 試驗方案

模型箱內(nèi)徑170 mm、高度500 mm。試樣裝樣高度360 mm，裝樣干密度為1.75 g/cm3，控制相對密實度Dr為80%。同時，在試樣深度為10、85、160、260、360 mm 處布置5 個數(shù)據(jù)采集層位，各層位包括動土壓力盒、土壤水分傳感器和孔隙水壓力傳感器（見圖3），試驗中采集頻率均設(shè)置為1 個/min。在整個試驗期內(nèi)，室內(nèi)溫度恒定在（20±2）℃，且試驗歷時較短，因此在分析水分遷移特性時忽略由室內(nèi)溫度引起的氣態(tài)水遷移等[14]。

圖3 傳感器布置示意圖

試驗荷載為動-靜組合荷載。設(shè)置循環(huán)動荷載頻率為5 Hz，平均動強度27.5 kPa，幅值15.0 kPa，較為吻合列車軸重為15～20 t、運行速度100～200 km/h 時在路基表面所施加的荷載強度值[15]。本次試驗先施加循環(huán)動荷載約30 萬次后繼續(xù)施加等強度靜荷載約15 h，保證了試驗過程中試樣內(nèi)的孔隙水壓力在累積及消散發(fā)展中均可達到臨界穩(wěn)定。本次試驗共進行了連續(xù)5 次動-靜組合荷載作用。

3.2 試驗步驟

試驗主要步驟如下：

（1）裝樣：采用體積-質(zhì)量控制法將烘干后的砂-粉土混合料均勻裝填到模型箱內(nèi)，分層壓實并控制裝填高度。同時，在裝樣過程中預(yù)埋所需的傳感器探頭。

（2）補水：裝樣結(jié)束后，將模型箱固定在試驗系統(tǒng)內(nèi)，打開模型箱底部的進水閥門為試樣進行補水。試驗設(shè)計試樣內(nèi)水頭高度為160 mm，水從下部逐步浸濕試樣，其軸向體積含水量也逐漸增大，當(dāng)試樣內(nèi)軸向各采集層位的體積含水量和孔隙水壓力指標(biāo)趨于穩(wěn)定后，結(jié)束補水（見圖4）。

（3）加載：補水結(jié)束后啟動試驗系統(tǒng)的軸向加載裝置，從試樣表面開始施加軸向動-靜組合荷載作用，實時記錄試樣加載過程中的軸向變形、體積含水量及孔隙水壓力變化。

圖4 補水結(jié)束后的砂-粉土混合料試樣

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 應(yīng)力分布

加載過程中試樣軸向相對深度與總應(yīng)力分布關(guān)系見圖5，試樣相對深度的計算如下：

式中：z為試樣內(nèi)5 個采集層位的埋置深度，m；r為圓形剛性加載板半徑，取值0.08 m。

圖5 試樣軸向相對深度與總應(yīng)力分布關(guān)系

從圖5 可以看到，在試樣表面施加動-靜組合荷載作用，總應(yīng)力隨試樣相對深度的增加總體呈指數(shù)衰減趨勢，并當(dāng)試樣深度增大到一定值后，試樣內(nèi)的應(yīng)力分布逐漸趨于穩(wěn)定不變。因此，對于較為靠近試樣表面的淺部區(qū)域（h=0～2.0）范圍內(nèi)，荷載的影響較為強烈，圍繞該深度范圍內(nèi)試樣的動水-力特性進行分析討論。

4.2 含水量變化

試驗中試樣含水量空間分布共經(jīng)歷了補水和加載2 個發(fā)展階段。補水過程中，在外部穩(wěn)定水頭和毛細力的共同作用下，試樣內(nèi)水分遷移最終達到平衡狀態(tài)，即各采集層位測量到的含水量指標(biāo)穩(wěn)定不變。施加荷載后，孔隙水在外部荷載作用下再次開始遷移流動（見圖6）。可以看出，水位線以上的非飽和區(qū)內(nèi)，歷經(jīng)5 次動-靜組合荷載作用后試樣含水量呈明顯增長趨勢，而水位線以下的飽和區(qū)內(nèi)，試樣含水量總體穩(wěn)定不變。試驗結(jié)果表明，在動-靜組合荷載作用下，試樣內(nèi)原有含水量分布平衡狀態(tài)被打破，孔隙水開始沿試樣發(fā)生向上的遷移運動，促使試樣上部非飽和區(qū)內(nèi)含水量的逐步增長。

在上述試驗分析的基礎(chǔ)上，研究動-靜組合荷載作用影響水分遷移的宏觀特性及內(nèi)在機理。連續(xù)5 次動-靜組合荷載作用下試樣第1 至第4 層位的含水量發(fā)展曲線見圖7。定義試樣含水量增長率計算如下：

式中：θwi為第i次循環(huán)動荷載作用下試樣含水量增長率，%；wci和wmi分別是第i次循環(huán)動荷載作用始、末位置的含水量大小；i為動-靜組合荷載作用次數(shù)，試驗中i=1，2，…，5。

圖7 含水量增長率與試驗加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系

試驗結(jié)果表明，動荷載作用誘導(dǎo)孔隙水發(fā)生豎直向上的遷移流動，特別是在經(jīng)歷第1 組30 萬次動荷載作用后，試樣第1 層和第2 層位的含水量增長率分別達到近15%和5%，而隨著動-靜組合荷載循環(huán)次數(shù)的增加，經(jīng)歷相同作用次數(shù)動荷載作用下試樣淺層區(qū)（h=0.13）的含水量增長率快速衰減。同時，由圖7 中也可以看出，荷載對水分遷移的影響并非無限制，當(dāng)試樣經(jīng)歷足夠多次的動荷載循環(huán)作用后，各層位的含水量增長率總體趨于零，這表明繼續(xù)施加荷載將很難再促使孔隙水遷移流動，試樣的含水量大小及分布再次趨于極限平衡。

4.3 孔隙水壓力發(fā)展

以上分析獲得了在表面施加動-靜組合荷載作用下試樣含水量的時空演化宏觀特性。對于長期經(jīng)受列車動荷載及軌道結(jié)構(gòu)靜荷載反復(fù)作用的路基土而言，將可能同樣誘導(dǎo)路基土中的孔隙水發(fā)生類似的遷移流動，并進一步演變形成凍脹、翻漿冒泥等病害。盛岱超等[13]指出列車動荷載作用下路基中存在某種“抽吸”作用，從而促使孔隙水發(fā)生遷移、集聚，進而軟化路基土并形成多種鐵路病害，但這種“抽吸”作用的定義、由來、形成等機理尚未明確。猜想在動-靜組合荷載交替作用下，試樣軸向局部孔隙水壓力在歷經(jīng)反復(fù)累積和消散過程后，其殘余孔隙水壓力形成軸向孔隙水壓力梯度，在該勢能梯度作用下推動孔隙水發(fā)生遷移流動。

5 次動-靜組合荷載作用下試樣軸向各層位孔隙水壓力與時間關(guān)系見圖8。結(jié)合試樣含水量分布與相對深度的關(guān)系可以看出，試樣第1 層位（h=0.13）在整個試驗過程中的含水量始終較小，因此試驗并未采集到孔隙水壓力變化。而試樣下部各層位，孔隙水壓力均經(jīng)歷了動荷載作用下的累積和靜荷載作用下的消散過程，同時，沿著試樣相對深度的增長，孔隙水壓力在累積量和消散量上呈現(xiàn)出顯著的不一致性。試樣內(nèi)軸向孔隙水壓力梯度逐漸形成（見圖9）。

圖8 試樣上部4 個層位孔隙水壓力與時間關(guān)系

圖9 試樣軸向孔隙水壓力梯度發(fā)展與時間關(guān)系

試樣軸向孔隙水壓力梯度計算如下：

式中：grad（u）αβ為試樣軸向α、β兩點間的孔隙水壓力梯度，kN/m3；uα、uβ分別為試樣在α、β兩點的孔隙水壓力，Pa；zαβ為試樣α、β兩點間的距離，m。

從式（3）可以看出，若試樣軸向α、β兩點間的孔隙水壓力梯度為正值，則表明α點的孔隙水壓力大于β點，則孔隙水將沿著孔隙水壓力梯度減小的方向從α點向β點處遷移流動，同時孔隙水壓力梯度越大越有利于促使孔隙水遷移，反之亦然。圖9 中軸向孔隙水壓力梯度均是取相鄰層位的上層位減下層位孔隙水壓力值計算獲得，因此孔隙水壓力梯度負值越大表明對孔隙水向上的“抽吸”作用越強烈。

從圖9 還可以看出，試樣相對深度較淺的第1、2 層位間（h=0.13～1.06）和第2、3 層位間（h=1.06～2.00）的軸向孔隙水壓力梯度隨動-靜組合荷載作用次數(shù)增加的總體波動幅值逐漸加劇，這將形成有利于孔隙水遷移的“抽吸”作用。同時，試樣第3、4 層位間（h=2.00～3.25）孔隙水壓力梯度隨著動-靜組合荷載作用次數(shù)的增加而不斷增加，促使水分源源不斷從試樣下部飽和區(qū)發(fā)生向上的遷移流動，形成水源補給通道，逐漸提高上部非飽和區(qū)內(nèi)試樣的含水量。上述試驗驗證了荷載作用下路基土中的“抽吸”作用本質(zhì)及形成機理猜想的正確性。

4.4 討論

目前普遍認為鐵路路基特別是高鐵路基中的翻漿冒泥是由于降雨滲透并聚集在路基淺層，再由列車的動荷載誘發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生類似的“液化”現(xiàn)象。因此，采用的工程措施主要是對路基表面進行封閉防水。通過試驗得出，在路基土一定深度范圍內(nèi)，在列車間歇動荷載作用下，沿路基土豎直方向形成孔隙水壓力梯度，該孔隙水壓力梯度誘發(fā)孔隙水產(chǎn)生源源不斷地遷移流動，配合特定的路基填料級配，就有可能通過該“抽吸”作用最終形成翻漿冒泥。而現(xiàn)有工程措施主要對路基表面進行封閉，防止水分從表面補給，雖在一定時間內(nèi)防止了“泥”從路基內(nèi)冒出，但并不能阻止路基內(nèi)部泥水混合物的遷移，甚至在某種程度下可能加大翻漿冒泥的影響范圍和深度。

5 結(jié)論

通過開展動-靜組合荷載作用下非飽和砂-粉土混合料水分遷移試驗研究，得出如下結(jié)論：

（1）動-靜組合荷載作用下，試樣的總應(yīng)力分布沿軸向深度的增加呈指數(shù)衰減趨勢，試樣軸向含水量大小及其空間分布在荷載作用過程中發(fā)生了重分布，表面施加動-靜組合荷載將促使孔隙水沿豎向產(chǎn)生向上的遷移流動；

（2）試樣的孔隙水壓力表現(xiàn)出動荷載作用下的累積和靜荷載作用下的消散過程，并由此促使試樣軸向產(chǎn)生孔隙水壓力梯度，該孔隙水壓力梯度將對孔隙水形成“抽吸”作用，從而解釋了孔隙水發(fā)生遷移流動的本質(zhì)與機理；

（3）結(jié)合鐵路長期經(jīng)受動、靜荷載的交替作用，提出路基翻漿冒泥病變的一個新的形成機理。