不同基床底層細(xì)顆粒含量的高速鐵路路基水分運移規(guī)律及水囊控制

王瀚霖，陳仁朋，程 威

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.香港理工大學(xué) 土木及環(huán)境工程學(xué)系，香港 999077；3.浙江大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058)

和有砟軌道線路相比，無砟軌道線路具有維護(hù)成本低的優(yōu)勢，目前已在我國得到廣泛應(yīng)用：截至2016年，我國高速鐵路運營總里程已超過2萬km，其中70%為無砟軌道?？傮w來說，無砟軌道路堤包含上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)兩部分。上部結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、混凝土底座組成；下部結(jié)構(gòu)從上至下可分為基床表層、基床底層、基床以下路堤和地基[1-5]。

在100 a服役壽命里，路基在長期動荷載作用下易在兩個區(qū)域產(chǎn)生裂縫：①混凝土底座與基床表層接觸邊緣；②縱向混凝土底座瀝青接縫處[6]。裂縫產(chǎn)生后，在降雨季節(jié)，雨水可沿裂縫向下入滲到路基中，若路基排水措施運營情況不良，部分雨水無法排出，從而部分路基土體也由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，導(dǎo)致土體吸力和承載力降低，進(jìn)而引起相關(guān)“病害”，比如翻漿冒泥、較大沉降等[7-10]。

在細(xì)粒土如黃土、粉土中，水分運移規(guī)律已得到了廣泛試驗和理論研究，研究表明，水分運移主要由土體壓實度、初始含水量、溫度梯度等因素決定[11-14]。然而，高速鐵路路基基床粗粒土與細(xì)粒土在性能方面存在著很大差異[15-22]。因此，在高速鐵路路基中的水分運移呈現(xiàn)出與在細(xì)粒土中不同的規(guī)律。Wang等[23]和Chen等[24]利用數(shù)值手段對典型高速鐵路路基水分運移規(guī)律進(jìn)行了計算，但兩者均只從含水量變化的角度展開了分析，未對濕潤鋒的發(fā)展進(jìn)行分析。再者，目前國內(nèi)外在高速鐵路路基上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)交界邊緣出現(xiàn)裂縫情況下，關(guān)于雨水入滲進(jìn)路基后運移規(guī)律及水囊防護(hù)措施的研究還很少出現(xiàn)。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文通過Geostudio數(shù)值軟件Seep/W模塊計算了在正常降雨條件下，混凝土底座與基床表層交界處出現(xiàn)裂縫的高速鐵路路基內(nèi)部水分運移規(guī)律。本文模型考慮了三種細(xì)顆粒含量(粒徑小于0.075 mm，以FC表示)的基床底層材料，重復(fù)使用2013年杭州市日降雨量數(shù)據(jù)，對各模型進(jìn)行了3 a計算，分析了水囊形成機(jī)理和濕潤鋒發(fā)展規(guī)律。同時，在基床表層與基床底層之間加設(shè)低滲透性GCL復(fù)合墊層或毛細(xì)屏障，對高速鐵路路基水囊控制技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 數(shù)值模型

1.1 模型概況

按照規(guī)范[1]要求建立模型，見圖1，該模型下部結(jié)構(gòu)包含基床表層、基床底層和地基，圖1中數(shù)字代表了相應(yīng)邊界。

模型邊界條件見圖1，混凝土底座設(shè)置為不透水邊界?；脖韺由戏礁采w一層薄混凝土層[1]，故對應(yīng)邊界也設(shè)置為不透水邊界。路基邊坡按照規(guī)范要求設(shè)置植被等護(hù)坡條件[1]，故在降雨過程中認(rèn)為雨水不滲進(jìn)邊坡；但當(dāng)路基內(nèi)部水分運移并累積到邊坡時，可自由排出，故邊坡邊界設(shè)置為自由滲流，在降雨時節(jié)不計雨水滲入。模型底部邊界設(shè)置為自由滲流。

模型中，在混凝土底座與基床表層交界邊緣設(shè)置裂縫(寬0.01 m，長0.1 m)[2](見圖1)。裂縫邊界條件考慮為兩種情況[23-24]：當(dāng)日降雨量不大于5 mm時，裂縫邊界設(shè)為不透水；當(dāng)日降雨量大于5 mm時，認(rèn)為裂縫上方產(chǎn)生少量積水，且該積水深度不大，此時裂縫邊界設(shè)置為0孔壓邊界[25]。0孔壓邊界持續(xù)時間根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]方法由日降雨量轉(zhuǎn)換而來。

圖1 模型示意(單位：m)

模型計算所用日降雨量數(shù)據(jù)采用2013年杭州市降雨資料，如圖2所示。本文重復(fù)使用該降雨數(shù)據(jù)對各個模型均進(jìn)行了3 a計算。

圖2 2013年杭州市日降雨量資料

1.2 模型材料

對于滲流計算問題，本文對模型中基床表層、基床底層、裂縫和地基土材料土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線分別進(jìn)行了設(shè)置。

基床表層選用文獻(xiàn)[26]碎石材料，其級配符合規(guī)范要求[1]，土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線見圖3。

本文基床底層材料通過規(guī)定不同細(xì)顆粒含量(FC=5%、15.4%、30%)分為3種工況，級配曲線如圖4所示，最大粒徑采用40 mm。土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線通過文獻(xiàn)[15-16]中大型滲透柱裝置(裝置中通過張力計測試基質(zhì)吸力和TDR探頭測試體積含水量[27])測試獲得，制樣過程中保持各材料壓實度均為0.93，測試結(jié)果見圖3。

地基土采用文獻(xiàn)[28]粉土材料；裂縫材料采用開裂碎石，土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線分別取自Zhang等[29]和Chae等[30]，見圖3。

圖3 各材料土水特征和滲透系數(shù)曲線

在路基建造階段，各個材料初始含水量均應(yīng)控制為最優(yōu)含水量wopt[1，31]。以此參數(shù)對應(yīng)材料土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線(見圖3)，可得到材料初始吸力和初始滲透系數(shù)。各材料初始參數(shù)見表1。

圖4 基床底層級配曲線

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 水囊發(fā)展規(guī)律

雨水透過裂縫滲入鐵路路基后，因為基床粗顆粒填料的不均勻孔隙分布，雨水會同時向豎向和橫向運移。雨水入滲到路基中部后聚集，無法及時被排出。隨著雨水不斷入滲到路基中，部分路基土體含水量增大，從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，即形成了水囊(飽和區(qū)域)，并且隨著時間的推移，水囊有向下繼續(xù)運移或擴(kuò)大的趨勢。在長時間后，一些入滲水分可被自然排出或往更深的土體運移，而余下部分則聚集形成更大的水囊[32]。

表1 各材料初始參數(shù)

為了研究基床底層細(xì)顆粒含量對水囊發(fā)展規(guī)律的影響，3 a計算時間后各工況的水囊分布見圖5，圖5中水囊用帶符號較粗線條表示，因各工況水囊底部均重合，故底部采用同一不帶符號線條。由圖5可知，3 a計算時間后，各工況基床底層中均形成了水囊，水分積聚在基床底層與地基土交界面上，而地基土中并無水囊現(xiàn)象。這可以由地基土較低的非飽和滲透系數(shù)和基床底層具有一定的持水特性來解釋：水分運移到基床底層與地基交界面時，地基土初始吸力(185.84 kPa)對應(yīng)滲透系數(shù)為2.54×10-9m/s(見圖3)，遠(yuǎn)小于此時飽和基床底層的滲透系數(shù)(1.10×10-7～2.21×10-6m/s)。于是，水分從飽和基床底層往地基土中的運移非常緩慢?；驳讓右欢ǖ某炙匦砸嗍顾植灰准磿r從邊坡排出，從而形成了水囊。再者，地基底部邊界設(shè)置為自由滲流，且地基土飽和體積含水量達(dá)到45%。因此，從基床底層進(jìn)入地基中的少量水分很難使地基中的部分土體達(dá)到飽和狀態(tài)，故水囊在地基土中沒有產(chǎn)生。

圖5 3 a計算時間后各工況水囊分布

對比基床底層細(xì)顆粒含量對水囊分布的影響可發(fā)現(xiàn)，隨著基床底層細(xì)顆粒含量增大，在3 a計算時間后水囊分布面積也增大(見圖5)。這可以歸結(jié)于不同材料的持水能力強(qiáng)弱(見圖3)：30%細(xì)顆粒含量基床底層材料土水特征曲線在另外兩種工況上方，持水能力更強(qiáng)，受到更強(qiáng)的毛細(xì)作用影響，水囊中水分更難排出，從而形成了更大的水囊。

為了量化細(xì)顆粒含量對水囊大小的影響，引入了參數(shù)δ，其定義為水囊面積與整個路基面積的比值[24，32]。δ隨細(xì)顆粒含量的變化規(guī)律見圖6。隨著基床底層細(xì)顆粒含量增大，水囊面積比線性增大：細(xì)顆粒含量從5%增大到30%，水囊面積比增大了276.1%。由此看來，路基內(nèi)部水囊分布大小受基床底層細(xì)顆粒含量的影響顯著。

2.2 濕潤鋒發(fā)展規(guī)律

為了研究路基內(nèi)部水囊形成機(jī)理，取圖1中I-I剖面，該剖面位于裂縫位置(直接入滲位置，可認(rèn)為是危險剖面)，通過觀察該剖面不同時間段孔隙水壓力的變化來分析水囊形成的時間。該剖面不同時段典型孔隙水壓力沿深度的變化圖(取5%細(xì)顆粒含量工況)見圖7，界面1代表基床表層與基床底層交界面，界面2代表基床底層與地基交界面，2.1～4.3 m范圍為基床底層。

在滲流問題中，濕潤鋒可定義為一個區(qū)分飽和區(qū)域與非飽和區(qū)域的“交界面”，劃分開已入滲土體(飽和)和干土的界限[33]。對于圖7中某一特定點而言，若孔壓值為負(fù)數(shù)，表明該點處于非飽和狀態(tài)，其負(fù)值即為基質(zhì)吸力；若其孔壓達(dá)到或超過0 kPa，可認(rèn)為該點達(dá)到了飽和狀態(tài)。由此，由圖7中可以清楚地觀察到濕潤鋒隨著時間向下運移的現(xiàn)象。本文定義了兩個特殊的濕潤鋒相關(guān)的時間：濕潤鋒擊穿界面1的時間t1和濕潤鋒到達(dá)界面2的時間t2。定義t1時，由于交界面上測點情況較復(fù)雜，故取界面1下方0.2 m處測點作為參考(圖1中點P)，當(dāng)P點孔壓突然由負(fù)值增大到0 kPa后，認(rèn)為濕潤鋒擊穿界面1，此時t1取為該點到達(dá)飽和狀態(tài)的時間，即圖7中第77天。定義t2時，同樣取界面2上方0.2 m處測點，當(dāng)該點孔壓突然由負(fù)值增大到0 kPa后，認(rèn)為濕潤鋒已到達(dá)基床底層底部，即圖7中第133天。

圖7 不同時段孔隙水壓力沿深度的變化(FC=5%)

圖8對比了t1和t2隨基床底層細(xì)顆粒含量的變化。

圖8 濕潤鋒相關(guān)時間隨細(xì)顆粒含量的變化

總體而言，隨著細(xì)顆粒含量增大，濕潤鋒擊穿界面1和到達(dá)界面2的時間延長，相比于5%細(xì)顆粒含量，15.4%和30%細(xì)顆粒含量情況濕潤鋒擊穿界面1的時間分別增大0%和55.8%，濕潤鋒到達(dá)界面2的時間分別增大15.0%和62.4%。

綜合以上結(jié)果來看，增大基床底層細(xì)顆粒含量，降低材料的滲透性能，可有效延長濕潤鋒擊穿界面1和濕潤鋒穿越整個基床的時間。但由于粗粒土滲透系數(shù)處于相對較高的狀態(tài)，水分還是能入滲到基床內(nèi)部，并無法通過自然滲流排出，從而形成長期水囊，這對于路基病害的防護(hù)是不利的。

3 水囊控制技術(shù)探討

3.1 增設(shè)GCL復(fù)合墊層

為了控制路基內(nèi)部長期水囊的形成，并且使由裂縫入滲的水分在進(jìn)入基床底層前，即在基床表層中就能排出[1]，考慮在基床表層和基床底層之間增設(shè)一層滲透系數(shù)較低的土工聚合膨潤土(GCL)復(fù)合墊層的方法。增設(shè)GCL復(fù)合墊層后模型示意見圖9。本文選用某商業(yè)GCL復(fù)合墊層進(jìn)行計算[34]。該GCL墊層內(nèi)部設(shè)置一層厚度同于基床表層(0.4 m)的膨潤土(d50粒徑為0.7 mm)，上下部均由無紡?fù)凉た椢镝槾淌礁采w。GCL墊層材料土水特征和滲透系數(shù)曲線見圖10，詳細(xì)參數(shù)見表2。設(shè)置GCL復(fù)合墊層初始吸力13.2 kPa(同基床表層)，初始滲透系數(shù)1.2×10-13m/s。

圖11 不同時段各工況孔隙水壓力沿深度的變化

圖9 增設(shè)黏土墊層模型示意(單位：m)

表2 GCL復(fù)合墊層具體參數(shù)[34]

在增設(shè)GCL墊層的模型中，同樣采用2013年杭州市降雨數(shù)據(jù)計算3年時間，裂縫設(shè)置、邊界條件、地基材料和基床表層材料與不加墊層時保持一致，基床底層仍設(shè)置為3種工況(FC=5%、15.4%、30%)。

計算結(jié)果顯示，模型計算結(jié)束后，水囊現(xiàn)象均未在各工況基床底層內(nèi)部產(chǎn)生。為進(jìn)一步探討水分在路基內(nèi)部的運移規(guī)律，同樣取圖9中左側(cè)I-I裂縫剖面作為危險位置，分析了各個工況該剖面測點孔隙水壓力在不同時段沿深度的變化，如圖11所示。

由圖11可知，雨水由裂縫入滲基床表層后，濕潤鋒逐漸向下發(fā)展，抵達(dá)GCL復(fù)合墊層和基床表層界面。因為基床表層碎石的飽和滲透系數(shù)(3.2×10-3m/s)遠(yuǎn)大于GCL復(fù)合墊層的初始滲透系數(shù)(1.2×10-13m/s)，濕潤鋒無法擊穿該界面，故GCL墊層和基床底層土體孔壓保持不變，處于初始狀態(tài)，水囊亦很難產(chǎn)生。由于濕潤鋒無法繼續(xù)下移，在基床表層中累積的水分橫向移動(基床表層滲透系數(shù)較高)，并沿著4%的預(yù)留坡度排出，從而發(fā)揮基床表層排水的功效[1]。

圖10 GCL復(fù)合墊層土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線[34]

因此，增設(shè)一層滲透系數(shù)較低的GCL復(fù)合墊層在基床表層和基床底層之間，可防止降雨時節(jié)路基內(nèi)部水囊的產(chǎn)生。

3.2 增設(shè)毛細(xì)屏障

除應(yīng)用GCL墊層外，毛細(xì)屏障的合理使用也可有效降低路基內(nèi)部水分聚集，達(dá)到抑制水囊產(chǎn)生的效果[35]。文獻(xiàn)[35]使用的毛細(xì)屏障如圖12所示，由吸濕、親水的含多個毛細(xì)排水通道的4DGTM纖維組成，擁有較好的毛細(xì)吸水功能，材料詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 毛細(xì)屏障材料參數(shù)[35]

實際應(yīng)用中，材料布置如圖13所示，于基床表層與基床底層界面鋪設(shè)該毛細(xì)屏障，使該材料延伸出路基外，造成毛細(xì)屏障在路基內(nèi)部和空氣中的吸力差。當(dāng)雨水入滲路基后，由于預(yù)留坡度和吸力差的作用，雨水可沿著毛細(xì)屏障的排水通道排出。該毛細(xì)屏障設(shè)置方法已經(jīng)在美國阿拉斯加Dalton公路某路段進(jìn)行了現(xiàn)場實測和證實，有效防止了5 a時間路基內(nèi)部水囊的擴(kuò)散[35]。

圖12 毛細(xì)屏障示意

圖13 增設(shè)毛細(xì)屏障路基示意

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值方法建立了高速鐵路路基滲流模型，重復(fù)使用2013年杭州市降雨數(shù)據(jù)，計算了3 a時間不同基床底層細(xì)顆粒含量的高速鐵路路基內(nèi)部水分運移規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

(1)對于每種無墊層工況，3 a計算時間后，路基內(nèi)部均出現(xiàn)水囊，隨著基床底層細(xì)顆粒含量增大，水囊大小亦線性增大。

(2)通過對左側(cè)裂縫危險剖面孔隙水壓力在不同時段沿深度變化的分析，定義了濕潤鋒擊穿基床表層和基床底層交界面的時間、濕潤鋒到達(dá)基床底部的時間；從這兩個時間隨基床底層細(xì)顆粒含量變化的規(guī)律中看出，兩者均隨細(xì)顆粒含量的增大而延長，表明了增大細(xì)顆粒含量，降低材料的滲透性能，可有效延緩濕潤鋒的向下運移。

(3)在基床表層和基床底層之間增設(shè)一層滲透系數(shù)較低的GCL復(fù)合墊層或吸水毛細(xì)屏障，通過數(shù)值方法或文獻(xiàn)中現(xiàn)場試驗研究了這兩種方法對各工況水囊形成的防護(hù)作用。研究表明，這兩種方法均可有效抑制長期水囊的發(fā)生。