浸水對(duì)無(wú)砟軌道膨脹土路基力學(xué)行為與變形特征的影響

段君義，楊果林，劉 洋，闞京梁，張立偉

(1.南昌大學(xué) 工程建設(shè)學(xué)院, 江西 南昌 330031；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施在使用過(guò)程中常遭遇水的影響，如降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[1-3]，降水對(duì)基坑開挖穩(wěn)固的影響[4]，涌水/浸水對(duì)隧道開挖穩(wěn)定的影響[5]，凍融水汽遷移對(duì)路基融沉變形的影響[6-7]，降雨或地下水波動(dòng)對(duì)路基沉降變形的影響[8]等。水對(duì)工程構(gòu)筑物的侵害具有潛在性、反復(fù)性、長(zhǎng)期性，對(duì)實(shí)際工程構(gòu)筑物具有較大的破壞作用，且修復(fù)困難，造成大量經(jīng)濟(jì)損失[9-10]，是眾多研究者的關(guān)注熱點(diǎn)[11]。

高速鐵路無(wú)砟軌道對(duì)路基結(jié)構(gòu)在水環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定具有嚴(yán)格控制要求[12]，許多學(xué)者為此展開了相關(guān)研究。張明禮等[7,13]通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)控北麓河地區(qū)鐵路路基含水率變化，分析了路基含水率與降雨的關(guān)系，指出降雨入滲、地表蒸發(fā)伴隨著液態(tài)水和水汽運(yùn)移對(duì)鐵路路基的影響不可忽略。冷伍明等[14]對(duì)鐵路路基在水分與荷載作用下的翻漿冒泥病害進(jìn)行了研究，指出翻漿冒泥與填料的類型有關(guān)。膨脹土填料是一種對(duì)水分極其敏感的特殊土，在土體含水率發(fā)生改變時(shí)能夠引起顯著的脹縮變形[15-16]，嚴(yán)重影響鐵路路基的穩(wěn)定性，進(jìn)而危及高速列車運(yùn)行安全[17-18]。為此，馬麗娜等[12]針對(duì)蘭新鐵路具有膨脹性的泥巖進(jìn)行了浸水試驗(yàn)，獲得了不同浸水深度和上覆荷載對(duì)地基變形的影響。陳偉志等[19]對(duì)云桂高速鐵路低矮路堤下膨脹性地基進(jìn)行浸水，得到了路堤高度與其變形的關(guān)系。汪雙杰等[20]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)指出，浸水后膨脹路基壓實(shí)度出現(xiàn)減小現(xiàn)象。楊果林等[8]針對(duì)干燥與浸水工況下鐵路膨脹土路基進(jìn)行激振試驗(yàn)，指出浸水對(duì)路基動(dòng)土壓力及路基變形具有顯著影響。

上述研究表明，水分的改變將影響鐵路路基的力學(xué)與變形特征，尤其是膨脹土路基受水分的影響更為顯著[21]。為此，本文建立了大比例無(wú)砟軌道路基物理模型，通過(guò)路基浸水，分析浸水前后路基在循環(huán)加卸載作用下的力學(xué)與變形特性，并為今后鐵路膨脹土路基的病害處置提供參考。

1 試驗(yàn)方案與實(shí)施

1.1 路基結(jié)構(gòu)

以TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]雙線無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)為原型，考慮試驗(yàn)條件與可靠性，按照縮尺比例1∶2在室內(nèi)填筑了無(wú)砟軌道路基，路基的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為5、2、2.55 m。試驗(yàn)所用軌道板以CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)為原型進(jìn)行縮尺得到，并采用C40混凝土澆筑而成。路基內(nèi)部布置濕度計(jì)(型號(hào)為YT-DY-0101，精度為0.01%)、沉降計(jì)(型號(hào)為JMDL-3210A，精度為0.01 mm)、土壓力盒(型號(hào)為JMZX-5002AT)。軌道板表面設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并采用千分表進(jìn)行測(cè)讀，具體路基尺寸與元器件布置如圖1所示。此外，如圖1所示在距離地基底部0.3 m高度處開挖3道溝槽，在溝槽內(nèi)鋪設(shè)PVC水管，并相互聯(lián)通，管壁上每間距0.2 m鉆一個(gè)小孔并用透水土工布包裹。放入水管的同時(shí)在溝槽內(nèi)鋪設(shè)細(xì)砂裹住水管以保證水分由小孔出水后可均勻滲入地基，最后回填填料壓實(shí)，具體鋪設(shè)如圖2所示。

圖1 無(wú)砟軌道路基物理模型(單位：mm)

圖2 水管網(wǎng)鋪設(shè)

1.2 路基填料

地基采用具有膨脹性的泥質(zhì)砂巖填筑，取自京沈高速鐵路沿線朝陽(yáng)市。該泥質(zhì)砂巖呈灰白、灰綠色，塊體可輕易夯碎，且易風(fēng)化，遇水能夠迅速膨脹，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。圖3為泥質(zhì)砂巖的SEM電鏡結(jié)果，由圖3可知，泥質(zhì)砂巖中以粒徑極小的土顆粒為主，且土顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)并堆疊排列，屬于面-面接觸，這是膨脹土的典型結(jié)構(gòu)形式之一。此外，土顆粒表面吸附著大量的細(xì)顆粒并形成聚集體，說(shuō)明其土顆粒表面帶有負(fù)電荷，根據(jù)雙電層理論，這使得泥質(zhì)砂巖具有吸水膨脹、失水收縮的能力。

表1 泥質(zhì)砂巖的主要物理力學(xué)指標(biāo)

圖3 泥質(zhì)砂巖的SEM電鏡結(jié)果

基床層所用填料為由河沙、圓礫石、黏土按照一定質(zhì)量比拌和而成的混合土。根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]，該混合土可劃分為A組填料，其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 A組填料的物理力學(xué)參數(shù)

路基各層填筑采用氣動(dòng)夯壓機(jī)壓實(shí)，壓實(shí)度均按照并達(dá)到文獻(xiàn)[22]的要求。

1.3 浸水實(shí)施及循環(huán)加卸載過(guò)程

浸水前循環(huán)加卸載試驗(yàn)：將荷載通過(guò)分配梁施加在鋼軌表面，按照梯度30 kN逐級(jí)增加至150 kN，再按照相同梯度逐級(jí)卸載，作為完成一次加卸載，并進(jìn)行下一次加卸載。每級(jí)荷載作用時(shí)按照相應(yīng)規(guī)范要求測(cè)試路基土體濕度、土壓力、沉降變形及軌道板中線處變形[19]。至軌道板中線處變形在相鄰加卸載完成后的差值不大于0.005 mm，視為循環(huán)加卸載試驗(yàn)完成。

浸水實(shí)施：路基浸水是通過(guò)路基頂部降雨灑水和地基內(nèi)水管網(wǎng)絡(luò)浸水綜合實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)濕度計(jì)監(jiān)控路基內(nèi)部濕度變化至穩(wěn)定狀態(tài)，則路基浸水過(guò)程完成。其中，土體濕度穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為平均濕度變化速率不大于1%/h。

浸水后循環(huán)加卸載試驗(yàn)：路基浸水完成后，對(duì)路基再次施加循環(huán)加卸載，具體操作與浸水前循環(huán)加卸載試驗(yàn)一致。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試可知，加卸載循環(huán)達(dá)到6次時(shí)，路基便可滿足穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸水前后路基土體濕度變化

在路基不同位置埋設(shè)濕度計(jì)，以對(duì)浸水前后路基內(nèi)的濕度(體積含水率)變化進(jìn)行監(jiān)控，待濕度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，將結(jié)果進(jìn)行整理，見(jiàn)表3。

表3 不同階段時(shí)路基濕度

由表3可知，路基浸水后，整個(gè)鐵路路基土體濕度均顯著增大，表明整個(gè)路基均被水浸潤(rùn)。由于鐵路路基不同結(jié)構(gòu)層(地基、基床)采用的填料不同，其濕度大小與增長(zhǎng)幅度存在差異。對(duì)比加卸載試驗(yàn)前后路基內(nèi)濕度可知，在整個(gè)浸水后的加卸載試驗(yàn)過(guò)程中，土體濕度僅在路基淺層有微小幅度的變化，而路基深處(膨脹性地基)的濕度基本保持不變。因此，浸水后的加卸載試驗(yàn)過(guò)程中，濕度對(duì)路基脹縮變形影響極其微小。需要說(shuō)明的是，濕度計(jì)埋設(shè)方法為挖洞布置濕度計(jì)，再回填填料壓實(shí)，其中，回填填料中人工剔除了粒徑過(guò)大的碎石以免損壞濕度計(jì)。因此，人為原因使得回填填料粒徑組成存在一些差異，使得位于同一土層內(nèi)的濕度計(jì)讀數(shù)不同，但不影響對(duì)路基是否達(dá)到浸水穩(wěn)定狀態(tài)的判斷。

2.2 浸水對(duì)鐵路膨脹土路基力學(xué)特性的影響

浸水前后，不同上覆荷載作用下路基土壓力橫向分布規(guī)律如圖4～圖8所示。需要說(shuō)明的是，土壓力分析均以第一次加卸載為例。圖4～圖7中分級(jí)施加的荷載，均按照先分級(jí)加載再分級(jí)卸載的順序顯示。

2.2.1 土壓力沿路基橫向分布規(guī)律

由圖4可知，浸水前后，基床表層底面處土壓力橫向分布均呈現(xiàn)明顯非均勻性，表現(xiàn)為軌道板中線位置正下方較小，鋼軌正下方較大。當(dāng)上覆施加荷載越大時(shí)，該不均勻分布特征越明顯。與浸水前相比，相同上覆施加荷載時(shí)，浸水后路基內(nèi)土壓力增大，這是因?yàn)榕蛎浶阅噘|(zhì)砂巖地基在浸水作用下發(fā)生了膨脹變形，路基內(nèi)形成一定程度的膨脹力，整個(gè)路基受力、變形狀態(tài)產(chǎn)生了改變。正因如此，浸水后基床表層底面土壓力橫向分布不均勻性更加明顯。

圖4 基床表層底部土壓力橫向分布

由圖5可知，浸水前，基床底層底面處土壓力橫向分布仍以鋼軌正下方最大，使得土壓力沿距軌道中線距離呈拋物線狀，而在距軌道中線2.609 m以外的土壓力基本不受上覆荷載影響。浸水后，基床底層底面處土壓力橫向分布規(guī)律與浸水前類似，但土壓力仍然比浸水前的大，且橫向不均勻現(xiàn)象更明顯。土壓力經(jīng)過(guò)基床底層的傳遞、擴(kuò)散及疊加效應(yīng)，從基床底層表面至基床底層底面，土壓力橫向分布形式逐漸發(fā)生了改變，土壓力橫向分布不均勻性降低。

圖5 基床底層底部土壓力橫向分布

由圖6可知，不論浸水前還是浸水后，地基中部土壓力沿路基橫向均表現(xiàn)出不均勻性，但浸水使路基土壓力增加，土壓力橫向不均勻性更為明顯。無(wú)論浸水與否，距軌道中線2.609 m以外的土壓力基本不受上覆荷載影響。

圖6 泥質(zhì)砂巖地基中部土壓力橫向分布

圖7 路基土壓力沿深度的衰減曲線

圖8 軌道中線不同路基深度處土壓力衰減系數(shù)與荷載關(guān)系

2.2.2 土壓力沿路基深度分布規(guī)律

為便于分析，分別定義土壓力衰減系數(shù)ζ、土壓力衰減量δ為

ζ=p/p0

(1)

δ=1-ζ

(2)

式中：p為不同深度處土壓力，kPa；p0為軌道中線處路基面土壓力，kPa。

由圖7可知，浸水前，土壓力在基床表層內(nèi)衰減較快，在基床表層以下范圍內(nèi)，土壓力衰減均較緩慢。其中，基床表層中土壓力衰減量為43.6%～87.5%，且施加荷載越大，其衰減量越小。但隨著深度增加，荷載對(duì)土壓力衰減的影響逐漸減弱。在基床底層底面處，土壓力衰減量為82.1%～87.5%。浸水后，土壓力在基床表層內(nèi)衰減很小，其衰減量?jī)H為4.3%～14.3%，在基床表層以下范圍內(nèi)衰減相對(duì)較快，在基床底層底面處，其衰減量達(dá)到42.9%～65.7%，但遠(yuǎn)小于浸水前。以上分析說(shuō)明，浸水后路基將承受更大的土壓力，且傳遞至地基的土壓力增大，這對(duì)地基是不利的。

此外，由圖8可知，浸水前，不同深度處土壓力衰減系數(shù)隨施加荷載增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。浸水后，土壓力衰減系數(shù)基本不受施加荷載的影響，但明顯大于浸水前相同深度處的土壓力衰減系數(shù)，即浸水環(huán)境下膨脹土路基將面臨更不利的力學(xué)狀態(tài)，不利于膨脹土路基長(zhǎng)期保持穩(wěn)定性。

2.3 浸水對(duì)鐵路膨脹土路基變形特性的影響

2.3.1 循環(huán)加卸載作用下路基各結(jié)構(gòu)層變形規(guī)律

為便于理解，本文規(guī)定路基變形以垂直向下(沉降)變形為負(fù)。圖9、圖10分別為浸水前后基床底層、地基沉降變形隨荷載的變化。

圖9 循環(huán)加卸載作用下基床底層沉降變形

圖10 循環(huán)加卸載作用下地基沉降變形

由圖9可知，基床底層的沉降變形隨著施加荷載的增大而增大。浸水前，基床底層的變形很小，6次加卸載循環(huán)后的殘余沉降變形為0.02 mm。浸水后，沉降變形在首次加載時(shí)出現(xiàn)顯著增加，原因是浸水使得基床填料浸水軟化，導(dǎo)致基床在施加荷載作用下易產(chǎn)生沉降。隨著加卸載循環(huán)次數(shù)增加，基床填料再次被壓緊密，使得后續(xù)沉降變形增量逐漸減小，穩(wěn)定后的殘余沉降變形為0.23 mm。此外，比較沉降計(jì)S1與S2可知，浸水使得兩個(gè)位置的沉降差異增大，其可能原因：浸水時(shí)，S1上方的水分難以排走，基本都入滲至基床中，而S2正上方為具有一定排水坡度的路基面，有一部分水分順著路基面流走，進(jìn)入該位置基床中的水分相對(duì)較少；基床層厚度沿路基橫向分布不均勻，且其上方存在軌道板荷載，使得泥質(zhì)砂巖地基上覆荷載沿路基橫向分布不均，引起其膨脹變形橫向分布不均[19]，進(jìn)一步導(dǎo)致基床內(nèi)應(yīng)力與變形在橫向分布產(chǎn)生不均勻性。以上分析說(shuō)明，路基面排水對(duì)保證整個(gè)路基變形穩(wěn)定有重要作用，應(yīng)加強(qiáng)路基面的排水措施；膨脹土路基膨脹變形沿橫向分布不均可能會(huì)造成軌道板傾斜，在工程中應(yīng)引起重視。

由圖10可知，浸水前，泥質(zhì)砂巖地基沉降變形很小，浸水后地基沉降變形明顯增大，但其增加幅度小于基床底層。此外，浸水后地基不同位置的沉降變形變化不同，其中，S3、S4處受施加荷載影響較大沉降變形為0.11 mm，S5位置離加載點(diǎn)較遠(yuǎn)基本不受施加荷載影響，該位置的變形基本為0。

2.3.2 循環(huán)加卸載作用下軌道板中線處變形規(guī)律

圖11為浸水前后軌道板中線處變形。由圖11可知，浸水前軌道板上中線處的變形加卸載曲線具有較好的重合度，表明路基土體具有較好的回彈性能。6次加卸載循環(huán)后，對(duì)應(yīng)的殘余變形為0.018 mm。浸水后，在首次加載過(guò)程中，軌道板中線位置產(chǎn)生了較大沉降變形，且在后續(xù)加卸載過(guò)程中，其變形曲線形成了明顯的“滯回圈”。6次加卸載循環(huán)后的殘余變形為0.264 mm，明顯大于浸水前對(duì)應(yīng)的殘余變形。可見(jiàn)，浸水環(huán)境會(huì)導(dǎo)致路基狀態(tài)惡化，而膨脹性路基可能會(huì)面臨更多的不利情況，需要根據(jù)路基特點(diǎn)在工程中采取相應(yīng)的措施加以控制。

圖11 循環(huán)加卸載作用下軌道板中線處變形

3 結(jié)論

(1)上覆施加荷載作用下，路基內(nèi)土壓力沿橫向分布存在不均勻性，浸水使得膨脹性地基發(fā)生膨脹變形，整個(gè)路基受力、變形狀態(tài)產(chǎn)生改變，導(dǎo)致路基內(nèi)土壓力增大，土壓力橫向分布不均勻性增大。隨著路基深度的增加，土壓力橫向分布不均勻性逐漸降低。

(2)浸水后路基內(nèi)土壓力沿深度衰減速率減小。在基床底層底面處，浸水前后土壓力衰減量分別為82.1%～87.5%、42.9%～65.7%。浸水環(huán)境下膨脹土路基面臨更不利的力學(xué)狀態(tài)。

(3)浸水后路基不同結(jié)構(gòu)層均產(chǎn)生更大的沉降變形，且路基沉降變形沿橫向分布呈現(xiàn)不均勻性，使得軌道板存在發(fā)生傾斜的隱患。浸水前路基土體具有較好的回彈性能，浸水后軌道板中線處的變形曲線呈現(xiàn)明顯的“滯回圈”特點(diǎn)，且該位置的殘余變形為0.264 mm，明顯大于其浸水前的殘余變形。