高速鐵路膨脹土路塹基床防排水系統(tǒng)研究

丁志平，王亮亮

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司徐州設(shè)計(jì)院，江蘇 徐州 221000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

在我國高速鐵路建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)多條線路均存在膨脹性黏土(紅黏土和膨脹土)地基，而地基沉降又是高速鐵路路基工后沉降的主要部分[1]，膨脹性黏土的濕脹干縮特性使這些線路的路基工后變形控制難度增加。

楊果林等[2]、王亮亮等[3]、劉曉紅等[4]對(duì)武廣客專沿線具有弱脹縮性的紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)、動(dòng)靜態(tài)變形特性、加固機(jī)理等開展了較全面研究，研究成果為線路確定合理的基床換填厚度、地基加固方法和邊坡防護(hù)等提供了數(shù)據(jù)和理論支撐。與紅黏土不同的是膨脹土富含蒙脫石、伊利石等膨脹性物質(zhì)，具有更強(qiáng)烈的濕脹干縮特性，往往造成鐵路路塹基床鼓脹或橫向排水路拱破壞等病害。

通過對(duì)南昆鐵路基床病害[5]現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生基床病害的主要原因?yàn)椋夯卜浪牧贤凉げ紝挾炔蛔?，未完全封閉基床，且部分地方遭到施工機(jī)械破壞，另外，防水材料采用搭接或焊接，施工縫多，也易成為滲漏點(diǎn)，地表降雨仍可進(jìn)入基底，在列車荷載和基底膨脹土脹縮變形共同作用下，基床路拱被降低或破壞，排水能力降低，形成匯水淺坑，基底長期積水。因此，應(yīng)建立完備的防排水系統(tǒng)，隔斷地表水進(jìn)入基床的途徑。但呂海波等[6]研究發(fā)現(xiàn)，受環(huán)境氣候、初始含水率[7]、吸力[8]、裂縫數(shù)量和分布情況[9]、膨脹等級(jí)[10]等的影響，基底膨脹土?xí)a(chǎn)生季節(jié)性脹縮變形，這類變形具有強(qiáng)度弱、周期長、不均勻性等特點(diǎn)，在長期脹縮過程中基床內(nèi)部會(huì)逐漸形成變形差，增大輪軌沖擊力，而輪軌沖擊力又會(huì)進(jìn)一步使基床惡化[11]，因此，膨脹土地區(qū)鐵路路塹基床防水層不僅要能隔斷地表水，還應(yīng)有一定剛度協(xié)調(diào)基底膨脹土由于氣候環(huán)境變化而產(chǎn)生的不均勻變形，確保線路平順性。

新建云桂鐵路設(shè)計(jì)速度為250km/h，與既有南昆鐵路在同一走廊帶上，其中膨脹土路塹基床路段共144處，總長約23.7km，為保證基床長期穩(wěn)定性，對(duì)膨脹土路塹基床的防排水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 膨脹土基床防水材料研發(fā)

1.1 防水材料基本要求

基于對(duì)實(shí)際工程的現(xiàn)場調(diào)研及相關(guān)資料的收集與分析，結(jié)合數(shù)值仿真分析結(jié)果、膨脹土(巖)室內(nèi)土工試驗(yàn)和原位試驗(yàn)成果，提出研制適合膨脹土(巖)基床使用要求的中低彈性模量、高韌性、高抗?jié)B性的新型水泥基復(fù)合材料防水層技術(shù)方案[12-13]。

為了滿足膨脹土(巖)基床使用要求，防水層材料應(yīng)當(dāng)具有如下性能：①適合的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度≥2.5MPa；②高延性，0.7GPa≤靜彈性模量≤1.5GPa；③良好的抗?jié)B性，建議抗?jié)B系數(shù)≤10-10m/s；④耐久性指標(biāo)，建議軟化系數(shù)≥0.85；⑤防水材料應(yīng)易拌合、成型、強(qiáng)度發(fā)展速度快、不易產(chǎn)生材料組分離析等不良問題、現(xiàn)場施工應(yīng)簡單方便，施工質(zhì)量易于控制；⑥比選具有抗老化、良好變形能力和與基床半剛性防水結(jié)構(gòu)層黏結(jié)良好的接觸縫防水涂料(見圖1，2)。

1.2 防水材料研發(fā)結(jié)果

1)通過優(yōu)化骨架體系、改善水泥石基體性能及摻用韌性改性組分的方法實(shí)現(xiàn)防水材料研制。經(jīng)大量對(duì)比試驗(yàn)，研發(fā)成功改性水泥基半剛性防水復(fù)合材料，其基本成分為膠凝組分、彈性組分、河砂(細(xì)度模數(shù)2.6)、膨脹土(最大顆?！?5mm)。新型防水材料易拌合，具有一定的流動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)攤鋪施工。其力學(xué)參數(shù)為密度1.9g/cm3，彈性模量1 000MPa，抗壓強(qiáng)度2.5MPa，抗折強(qiáng)度0.6MPa，收縮變形率7.5%，抗?jié)B系數(shù)<10-10m/s，動(dòng)彈性模量Evd為80MPa，基本符合設(shè)計(jì)要求。

2)通過市場調(diào)查，選取3種常用的瀝青防水材料，對(duì)其耐抗?jié)B性、變形性、老化性能、黏結(jié)強(qiáng)度等進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從而提出采用雙組分高分子瀝青防水涂膜作為首選的防水涂料。

2 膨脹土路塹基床防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地基承載力要求

膨脹土路塹基床地基土的承載力必須滿足高速鐵路規(guī)范的基本要求[14]，即地基土PS值>0.15MPa，σ0≥0.18MPa，地基壓實(shí)系數(shù)應(yīng)>0.95。

2.2 基床地表水隔斷措施

在基床底層表面滿堂鋪設(shè)自行研發(fā)的改性水泥基防水復(fù)合材料(見圖3)，鋪設(shè)厚度為0.2m，改性水泥基防水復(fù)合材料防水結(jié)構(gòu)層設(shè)置在基床底層的目的是減小輪軌沖擊力、線路維護(hù)等可能對(duì)防水結(jié)構(gòu)層造成的損傷。防滲結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)強(qiáng)度達(dá)到要求后，在防水結(jié)構(gòu)層表面鋪設(shè)5cm厚粗砂，一方面提高基床表層下滲雨水的側(cè)向及時(shí)排泄能力，另一方面保護(hù)防水結(jié)構(gòu)層在后續(xù)基床表層級(jí)配碎石施工碾壓免遭破壞。

圖3 膨脹土路塹基床防排水示意

2.3 改性水泥基防水層接觸縫防水和施工縫處理

在電網(wǎng)立柱與防水結(jié)構(gòu)層接觸位置，設(shè)置雙組分高分子瀝青防水涂膜(見圖4)；防水結(jié)構(gòu)層非連續(xù)施工時(shí)，應(yīng)將搭接表面削成與水平方向呈150°斜面，鑿毛，清理松動(dòng)砂和浮土，用水浸濕；施工縫應(yīng)與電網(wǎng)立柱錯(cuò)開1m以上。

圖4 接觸縫密封處理

2.4 側(cè)溝與側(cè)溝平臺(tái)、基床防水結(jié)構(gòu)層銜接位置防水技術(shù)

為徹底隔斷地表降雨的入滲通道，對(duì)側(cè)溝和側(cè)溝平臺(tái)防水層進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，其技術(shù)方案如下。

1)考慮到膨脹土在氣候環(huán)境影響下會(huì)發(fā)生一定幅度的脹縮變形，側(cè)溝必須具有足夠強(qiáng)度和剛度抵抗來自溝壁或溝底膨脹土的膨脹壓力，因此，膨脹土路塹基床側(cè)溝與側(cè)溝平臺(tái)表面防護(hù)層采用鋼筋混凝土整體澆筑，側(cè)溝、側(cè)溝翼板與側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層鋼筋布設(shè)：①沿側(cè)溝橫斷面方向通長布設(shè)φ16鋼筋，縱向間距20cm；②沿側(cè)溝縱向設(shè)置φ10構(gòu)造鋼筋，鋼筋間距20～25cm。

2)側(cè)溝與基床新型改性水泥基防水結(jié)構(gòu)層連接處置措施：①側(cè)溝翼板頂面必須和換填層頂面齊平并保持相同的橫向排水坡度，基床新型改性水泥基防水結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)于側(cè)溝翼板上方，要求二者搭接寬度≥30cm；②帶翼板側(cè)溝和改性水泥基防水結(jié)構(gòu)層養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，清除養(yǎng)護(hù)膜和雜土，在二者搭接縫位置用雙組分高分子瀝青防水涂膜進(jìn)行密封防水。

2.5 膨脹土路塹邊坡裂隙滲流防排水措施

2.5.1裂隙發(fā)育區(qū)底面高于基床側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層

當(dāng)新型膨脹土路塹基床側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層位于膨脹土風(fēng)化層以下時(shí)，邊坡中的入滲雨水先通過水平貫通裂隙和路塹邊坡排水系統(tǒng)(如傾斜滲水管)向基床方向滲流，滲流出的裂隙水再經(jīng)側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層表面進(jìn)入側(cè)溝排走，如圖5所示，邊坡裂隙水主要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有影響，而對(duì)基床和基底膨脹土影響不大，可不在基底采取專門防排水措施，但前提條件是工程所在位置膨脹土裂隙的發(fā)育深度要勘察準(zhǔn)確。

圖5 邊坡裂隙水滲流示意

2.5.2裂隙發(fā)育區(qū)底面低于側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層

路塹基床盲溝通常設(shè)置在換填底面?zhèn)葴险路轿恢茫捎谛滦团蛎浲谅穳q基床側(cè)溝和側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層為整體澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)溝總高度為0.8m，為了確保裂隙水不會(huì)滲流至基底長期積聚，需根據(jù)基床換填厚度和裂隙發(fā)育區(qū)底面標(biāo)高與側(cè)溝高度關(guān)系，分別采取以下2種防排水措施。

1)當(dāng)基床換填厚度≤0.8m，且膨脹土裂隙發(fā)育區(qū)底面位于側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層以下和側(cè)溝底面之間時(shí)，路塹邊坡中的入滲雨水一部分通過坡面滲流出，再經(jīng)側(cè)溝平臺(tái)防護(hù)層表面進(jìn)入側(cè)溝排走，而另一部分則會(huì)通過側(cè)溝平臺(tái)下裂隙向基底方向滲流(見圖6)。因此，在側(cè)溝底面設(shè)置盲溝，盲溝一般采用透水土工布包裹式，其中過濾材料必須是潔凈的砂、卵石、礫石或碎石；透水管應(yīng)采用高強(qiáng)、耐久管材，如高強(qiáng)復(fù)合管、鋼管或混凝土管等。

圖6 盲溝設(shè)置在側(cè)溝底面情況

2)當(dāng)基床換填厚度>0.8m，或膨脹土裂隙發(fā)育區(qū)底面位于側(cè)溝底面以下時(shí)，應(yīng)以基底標(biāo)高和裂隙發(fā)育區(qū)底面標(biāo)高中最低者為盲溝標(biāo)高控制因素，并在盲溝與側(cè)溝底面之間設(shè)置混凝土防滲側(cè)壁(見圖7)。

圖7 混凝土防滲側(cè)壁設(shè)置示意

2.6 路塹地下水的排泄技術(shù)

對(duì)于地下水較發(fā)育地段，應(yīng)設(shè)縱向滲水盲溝排水，盲溝內(nèi)鋪設(shè)PVC管，管徑大小根據(jù)地下水的滲流量確定，管外采用透水土工布包裹，盲溝內(nèi)剩余空間用潔凈的砂、卵石、礫石或碎石填充。

地下水極其發(fā)育或松軟膨脹土(巖)地段采用復(fù)合地基(設(shè)樁板、網(wǎng)結(jié)構(gòu)等)進(jìn)行地基處理。

3 防排水系統(tǒng)大型室內(nèi)模型激振試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證膨脹土路塹基床防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否可行，自行研發(fā)的半剛性防水結(jié)構(gòu)層能否經(jīng)得起列車動(dòng)荷載的長期作用，在室內(nèi)進(jìn)行大型模型激振試驗(yàn)。

1)模型簡介 根據(jù)高速鐵路雙線路塹基床的對(duì)稱性，取其一側(cè)進(jìn)行1∶1足尺路基模型試驗(yàn)，模型箱為鋼結(jié)構(gòu)長方形箱體，長×寬×高為9.2m×2m×4.6m。地基土為取自云桂鐵路中～強(qiáng)膨脹土路塹工點(diǎn)的膨脹土，其基本力學(xué)指標(biāo)為：含水率14.2%，密度1.9～2.1g/cm3，土粒相對(duì)密度1.8，液限43.5%，塑限20.5%，自由膨脹率69.0%～77.2%，模型具體尺寸及元器件布置如圖8所示。

圖8 模型尺寸及元器件布置(單位：m)

2)加載方式 采用MTS伺服激振器模擬列車荷載，激振頻率4Hz，動(dòng)軸力[15]為380kN，按正弦波形加載。

3)試驗(yàn)工況 模擬干燥、降雨和地下水位上升3種工況，其中干燥狀態(tài)下激振200萬次，降雨和地下水位上升各激振100萬次，共400萬次。

3.2 驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1防水結(jié)構(gòu)層抗疲勞性

經(jīng)過干燥、降雨和地下水位上升共400萬次的激振試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行開挖，以觀察半剛性防水結(jié)構(gòu)層是否出現(xiàn)大量裂紋或破壞。

開挖至防水結(jié)構(gòu)層上方砂墊層時(shí)，放慢開挖速度，用掃帚逐層消除砂層，防止開挖工具破壞防水層表面，影響觀察結(jié)果。

清理后的防水結(jié)構(gòu)層表面未見裂縫或斷裂處，說明自行研發(fā)的半剛性防水結(jié)構(gòu)層具有良好的抗疲勞特性。

3.2.2膨脹土路塹基床防排水效果

降雨前后路基內(nèi)各點(diǎn)濕度計(jì)監(jiān)測結(jié)果如表1所示。由表1可知，降雨期間基床表層中的濕度計(jì)(HS-10和HS-11)讀數(shù)出現(xiàn)顯著變化，而防水結(jié)構(gòu)層以下除HS-8號(hào)濕度計(jì)以外，其余濕度計(jì)讀數(shù)基本保持不變，說明防水結(jié)構(gòu)層能有效隔斷降雨入滲途徑，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)?，F(xiàn)分析HS-8號(hào)濕度計(jì)讀數(shù)由20.9%變?yōu)?7.3%的原因：試驗(yàn)結(jié)束后開挖檢測防水結(jié)構(gòu)層時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)裂縫或斷裂現(xiàn)象，且與HS-8號(hào)濕度計(jì)位于同一水平面的其他2個(gè)濕度計(jì)HS-7和HS-9讀數(shù)基本不變，說明降雨不是滲透進(jìn)入基床底層，而是防水結(jié)構(gòu)層和模型箱壁的接觸位置出現(xiàn)滲漏點(diǎn)，由于模型箱的剛度有限，在循環(huán)激振力作用下會(huì)產(chǎn)生小幅度脹縮變形，導(dǎo)致接觸位置部分防水涂層出現(xiàn)拉裂，從而使少量降雨滲漏進(jìn)防水結(jié)構(gòu)層下方。由此可見，膨脹土路塹基床防水系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視，工程應(yīng)用中必須做好防排水層與接觸網(wǎng)立柱、側(cè)向排水溝等構(gòu)筑物之間的接觸界面隔水處理和施工質(zhì)量監(jiān)督。

表1 降雨前后基床濕度監(jiān)測數(shù)據(jù) %

干燥和降雨2種工況下的激振試驗(yàn)結(jié)束后，開始模擬地下水位上升時(shí)，膨脹土路塹基床防排水系統(tǒng)能不能抵抗循環(huán)激振荷載和基底膨脹土遇水膨脹變形的共同作用。試驗(yàn)開始時(shí)，首先通過預(yù)先埋設(shè)在地基膨脹土中的3層注水管網(wǎng)從下至上依次注水，注水時(shí)隨時(shí)讀取濕度計(jì)數(shù)據(jù)，必須在注水管網(wǎng)以下土層中的濕度計(jì)讀數(shù)達(dá)到飽和或大幅度變化時(shí)再進(jìn)行上一層注水工作；注水完成后，啟動(dòng)激振設(shè)備進(jìn)行100萬次的激振試驗(yàn)。

注水前和激振結(jié)束后各濕度計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示，分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)?shù)叵滤簧仙?，防水結(jié)構(gòu)層下方各濕度計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)大幅度增大，而防水結(jié)構(gòu)層上濕度計(jì)讀數(shù)在試驗(yàn)前后保持不變，說明無地下水透過防水結(jié)構(gòu)層進(jìn)入基床表層，因此，在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，膨脹土路塹基床的防水系統(tǒng)在地下水位上升后仍能有效工作。

表2 地下水上升前后基床濕度監(jiān)測數(shù)據(jù) %

4 結(jié)語

1)研發(fā)了適用于高速鐵路基床的改性水泥基防水復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了膨脹土路塹基床的防排水系統(tǒng)，并給出立柱與防水層之間接觸縫防水和基床改性水泥基防水層非連續(xù)施工時(shí)搭接位置的處理措施。

2)邊坡裂隙滲流水必須與側(cè)溝平臺(tái)、側(cè)溝、基床防水層綜合設(shè)計(jì)，避免邊坡水滲流入膨脹土基底導(dǎo)致基床病害。

3)地下水發(fā)育膨脹土地段，除設(shè)置基床防排水系統(tǒng)外，還應(yīng)在排水側(cè)溝下設(shè)置縱向排水盲溝。

4)排水側(cè)溝側(cè)壁和盲溝均要求采用鋼筋混凝土預(yù)制或立模澆筑，并根據(jù)膨脹土膨脹性大小檢算其安全系數(shù)。