數(shù)值模擬聚氨酯碎石層防治路基翻漿病害影響研究

中圖分類號：TQ323.8 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0013-04

Abstract：Combined with arailway reconstructionand expansion project，the method of laying composite geotextiles on top and botom ofthe polyurethane gravel layer was usedto preventand control the disease of slurryand mud in theroadbed.Taking the composite geotextile structure of polyurethane gravel layer asthe research object，the finite element software was used to establish thecalculation model，and itsmechanical behavior and waterproof performance were studied by numerical simulation.The results showed that the polyurethane gravel layer had good mechanical behavior，which could reduce the displacement，strain and stress of the roadbed.The polyurethane gravel layer had goodanti-seepage performance，which could effectively prevent the wateratthe bottom of the roadbed from pouring into theroadbed along the foundationbed to form slurry；Laying compositegeotextileson top and bottom of the polyurethane gravel layer could playa role inreducing the displacement of the roadbed，homogenizing stress，and strengthening the waterproof performance of the structure.Based on the principle of orthogonal test，the optimal design scheme of polyurethane gravel layer and composite geotextile structure was determined.

Key words：railway subgrade ； slury and mud pumping;； polyurethane gravel layer;composite geotextile; numericalsimulation;orth-ogonal test

針對有砟軌道路基基床翻漿冒泥的病害，傳統(tǒng)的整治手段有更換基床填土，修建防排水系統(tǒng)，設(shè)置封閉層，但是上述方法開挖規(guī)模大，對軌道結(jié)構(gòu)擾動較大[1]。利用天窗點維修施工的運營鐵路，開挖道砟、鋪設(shè)土工布是整治翻漿冒泥病害的手段之一，但土工布在長期作用下易被裹挾、翻卷，且對基床的強度、剛度無改善作用[2]。國外研究采用瀝青碎石混合料作為結(jié)構(gòu)層，日本、意大利和西班牙等高速鐵路在底座板與基床頂面之間增設(shè) 12～14cm 厚度的瀝青碎石混合料，具有良好的效果[3]，但防水性尚待研究。我國膠粘劑行業(yè)發(fā)展迅速，其中聚氨酯與瀝青材料性質(zhì)類似，但其具有良好的機械性、耐低溫、耐酸堿和與基材良好粘合性的特點[4]。國內(nèi)謝康等提出聚氨酯與碎石結(jié)合作基床表層防水聯(lián)結(jié)層，經(jīng)試驗得出聚氨酯碎石層有良好的力學(xué)行為和防水效果[5]。肖宏等以離散元軟件分析聚氨酯發(fā)泡道床模型，表明其具有良好彈性，可減少道砟顆粒的擠壓、摩擦作用，延長其使用壽命[6]。李鵬飛等依托實際工程，研究了聚氨酯碎石層整治翻槳冒泥的施工工藝和質(zhì)量控制措施[7]

本文以某鐵路工程為依托，采用Abaqus軟件，建立有限元模型，對有砟軌道下聚氨酯碎石層上下加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和防水性能進行研究。基于正交試驗原理分析了聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，為實際工程中治理翻漿冒泥提供參考。

1有限元模型的建立

1.1 工程概況

某鐵路工程的地質(zhì)情況復(fù)雜，部分路段含有大量破碎帶、斷層等不良地質(zhì)[8]，且土體中夾雜有一些吸水能力強、透水性差的組分；部分路段距離海岸線較近、地下水位較高，上述情況對路基質(zhì)量具有不利影響。

為防治該鐵路路基翻漿冒泥病害，提出采用在道床和基床之間加鋪聚氨酯膠凝碎石層，并在其上下包裹復(fù)合土工布的結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。聚氨酯碎石層在力學(xué)上具有穩(wěn)定性，可以承載上部傳來的行車荷載，保持道床結(jié)構(gòu)平順穩(wěn)定，并將其分散給下部路基；另一方面具有隔水層的效果，可以防正路基內(nèi)部水分向上涌入道床內(nèi)部，形成翻槳冒泥。

1.2計算參數(shù)及模型

采用非線性有限元軟件Abaqus建立計算模型，以研究聚氨酯碎石層及上下加鋪兩布一膜復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和滲透特性。

以某實際鐵路工程項目為依托，取橫斷面建立計算模型，類型為可變性，基本特征為“殼”。參考設(shè)計圖，路基基底厚度為 2m ，寬度為15.85m;基床底層厚度為 1.9m ，基床表層厚度0.6m，坡比為1：1.75；聚氨酯碎石層厚度為 0.08m ；聚氨酯碎石層上下鋪設(shè)復(fù)合土工布；道床層厚度為0.6m;軌枕截面長 2.5m ，高度為 0.2m 。為更好的分析路基填料中流固耦合的作用，在Step模塊中建立Soils類型載荷步[10]，選擇穩(wěn)態(tài)分析類型，不考慮粘彈性行為。單元網(wǎng)格劃分形狀采用四邊形，掃掠網(wǎng)格方法如圖2所示，采用孔隙流體/應(yīng)力單元模擬。模型底部為固定約束邊界，模型路基基底土體為飽和土，排水條件設(shè)定為自由排水。列車靜軸重取為20t，設(shè)計荷載的動力系數(shù)取 1.3^[11] 。本構(gòu)模型采用Mohr -Coulomb模型，參照相關(guān)研究及文獻［12]取計算參數(shù)，具體如表1所示。

2 有限元分析

為體現(xiàn)聚氨酯碎石層運用于路基結(jié)構(gòu)層治理翻漿冒泥病害的效果，將上述結(jié)構(gòu)看作一個完整連續(xù)的路基結(jié)構(gòu)層，采用有限元法分析路基在荷載作用下的位移變形、應(yīng)力-應(yīng)變和孔隙水壓力。對不鋪設(shè)聚氨酯碎石層、僅鋪設(shè)聚氨酯碎石層、鋪設(shè)聚氨酯碎石層及復(fù)合土工布這3種工況進行對比分析計算。

2.1不同基床結(jié)構(gòu)下路基在荷載條件下的受力特性

不同基床結(jié)構(gòu)下路基位移沿深度的分布如圖2所示。

由圖2可知，僅鋪設(shè)聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，位移沿深度分布的規(guī)律基本一致，由頂部到底部逐漸減小，最終減小到0，但在數(shù)值上有所差異。路基增設(shè)聚氨酯碎石層后，最大位移減少0.56mm ，減少量為普通路基位移的 21% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復(fù)合土工布后，路基位移沿深度的分布規(guī)律基本一致，相同位置位移數(shù)值減小，差值最大處位移量減小 0.17mm ，減小量為原位移的 7% 。

不同基床結(jié)構(gòu)下路基應(yīng)變沿深度的分布如圖3所示。

由圖3可知，鋪設(shè)聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，應(yīng)變沿深度分布規(guī)律基本一致，由頂部到底部逐漸增大。增設(shè)聚氨酯碎石層的路基與普通路基相比，基床內(nèi)應(yīng)變減小，且隨深度增加，差值增大，最大處應(yīng)變減小 2.5×10^-5 ，減少量為普通路基應(yīng)變的 7% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復(fù)合土工布后，路基應(yīng)變沿深度方向分布規(guī)律一致，相同位置應(yīng)變數(shù)值減小。

不同基床結(jié)構(gòu)下路基應(yīng)力沿深度的分布如圖4所示。

由圖4可知，鋪設(shè)聚氨酯碎石層的路基與普通路基比較，應(yīng)力沿深度方向分布規(guī)律基本一致。增設(shè)聚氨酯碎石層的路基與普通路基相比，基床內(nèi)應(yīng)力減小，且隨深度增加，差值增大，差值最大處應(yīng)力減小 5.0kPa ，減少量為普通路基應(yīng)力的 10% 。聚氨酯碎石層上下加鋪復(fù)合土工布后，路基應(yīng)力沿深度方向分布規(guī)律一致，相同位置應(yīng)力數(shù)值減小。

2.2聚氨酯碎石層及加鋪復(fù)合土工布后的防水性能

不同基床結(jié)構(gòu)下路基孔壓沿深度的分布如圖5所示。

由圖5可知，不同結(jié)構(gòu)的路基孔壓分布規(guī)律相似，呈現(xiàn)從道床頂面沿深度向下呈線性逐漸增大的趨勢。增鋪聚氨酯碎石層的路基，聚氨酯碎石層下方孔壓比其上方孔壓大。這是因為聚氨酯碎石層具有良好的防水性能，路基以下水在抽吸作用下向上沿基床涌出，遇到聚氨酯碎石層無法涌入道床部分，導(dǎo)致基床含水量增大，道床含水量減小，聚氨酯碎石層下方孔壓大于道床孔壓。聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布后，基床孔壓增大，說明加鋪復(fù)合土工布后，涌入道床的水分減少，基床內(nèi)水分增多，結(jié)構(gòu)防水性能增強。

聚氨酯碎石層上下加鋪復(fù)合土工布后，沿深度方向路基位移、應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律類似；但數(shù)值減小，結(jié)構(gòu)均化應(yīng)力作用增強。加鋪土工布后，孔壓分布規(guī)律相似，基床內(nèi)孔壓增大，結(jié)構(gòu)防水性增強。

3聚氨酯碎石加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)工程性能因素分析

正交試驗原理是指從多因素試驗中選取代表性的點，并對各代表點進行取值選擇，選擇合適的正交試驗方案得出試驗結(jié)果，并采用極差分析法對正交結(jié)果進行分析，并進而得到優(yōu)化后的方案[13]

3.1正交試驗結(jié)果與分析

試驗擬定3因素4水平，選用 L16（4⁵） 正交表：聚氨酯碎石層厚度 （6，8，10，12cm ）聚氨酯碎石層滲透系數(shù) （6×10^-5，8×10^-5，1.0×10^-4，1.2× 10^-4cm/s ）、復(fù)合土工布滲透系數(shù)（ 6×10^-6 、 8× 10^-6?1.0×10^-5?1.2×10^-5cm/s ）。不考慮因素相互作用，令聚氨酯碎石層厚度為因素A、聚氨酯碎石層滲透系數(shù)為因素 B 、復(fù)合土工布滲透系數(shù)為因素C ，試驗因素水平表如表2所示。

表2正交試驗因素水平表

基于圖2計算模型，按照表2建立16個有限元模型，計算各方案基床內(nèi)孔壓，計算結(jié)果如表3所示；正交試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，聚氨酯碎石層滲透系數(shù)極差最大，復(fù)合土工布滲透系數(shù)極差最小，說明聚氨酯碎石層的滲透系數(shù)對于基床孔壓影響最大，即對聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的防水性能影響最大。

3.2路基翻漿病害防治方案優(yōu)化

以基床內(nèi)孔壓評價聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的防水性能，各因素均值對應(yīng)孔壓如圖6所示。

由圖6可知，對孔壓進行分析，在聚氨酯碎石層厚度因素下，均值顯示 k₄gt;k₃gt;k₂gt;k₁ ，表明聚氨酯碎石層厚度越大，結(jié)構(gòu)防水性能越好，因此水平4為最優(yōu)的選擇。以此類推，在聚氨酯碎石層滲透系數(shù)條件下 k₁ 最大，表明聚氨酯碎石層滲透系數(shù)下水平1為最優(yōu)的選擇;在復(fù)合土工布滲透系數(shù)條件下 k₁ 最大，表明土工布滲透系數(shù)下水平1為最優(yōu)的選擇；從實際效果考慮，最佳制備組合為： A₄B₁C₁ O

實際施工中不但應(yīng)考慮聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)的實際效果，還應(yīng)綜合考慮路基建造的施工成本。上述因素分析中，因素 A₃ 與 試驗均值相差較大，與 A₄ 均值相差較小，從經(jīng)濟角度因素 A 應(yīng)選取第3水平數(shù)，即聚氨酯碎石層厚度取10cm 。因素 B 各水平均值差值變化不大，但有試驗研究表明，聚氨酯碎石層的滲透系數(shù)隨聚氨酯摻量增加而減小，當(dāng)聚氨酯摻量為 9% 時，聚氨酯碎石層的滲透系數(shù)約為 8×10^-5cm/s ，此時隨著聚氨酯摻量增大，滲透系數(shù)減小趨勢減緩[14]，達到因素 B₁ 的滲透系數(shù)需要極大摻量的聚氨酯，成本增大，故應(yīng)選擇因素 B₂ 。因此從治理翻漿冒泥的實際效果和路基建造的施工成本綜合考慮，聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)優(yōu)化后制備方案為： A₃B₂C₁ 。

4結(jié)語

（1）路基增設(shè)聚氨酯碎石層后，與普通路基相比，應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律類似，但是各項數(shù)值均小于普通路基；

（2）在聚氨酯碎石層上下鋪設(shè)復(fù)合土工布，路基應(yīng)力、應(yīng)變、位移減小，分散應(yīng)力的作用增強；基床內(nèi)孔壓增大，增強了結(jié)構(gòu)防水性能；

（3）以正交試驗分析可知，影響聚氨酯碎石加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)防水性能的敏感性順序依次為：聚氨酯碎石層滲透系數(shù)、聚氨酯碎石層厚度、復(fù)合土工布滲透系數(shù)。聚氨酯碎石層滲透系數(shù)越小、聚氨酯碎石層厚度越大、復(fù)合土工布滲透系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)防水性能越好。隨著聚氨酯層厚度增加，對于試驗結(jié)果影響逐漸減小。隨著聚氨酯碎石層滲透系數(shù)減小，結(jié)構(gòu)防水性能越好，但是成本大量增加。實際施工中應(yīng)綜合考慮聚氨酯碎石層加鋪復(fù)合土工布結(jié)構(gòu)治理翻漿冒泥病害的效果和建造路基的經(jīng)濟成本。

【參考文獻】

[1］李棟，無砟軌道路基翻漿病害聚氨酯整治材料研發(fā)與應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2020.

[2] 吾望超，蘇謙，劉亭，等.應(yīng)用高聚物復(fù)合結(jié)構(gòu)層整治基床翻漿冒泥技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2018，58（6）：97-99.

[3] TEIXEIRA PF，L6PEZ-PITA A，CASASC，et al. Im-prove-ments in high-speed ballasted track design：Bene-fitsofbituminous subballast layers[J].Journal of the T-ransportationResearchBoard，2006（1）：43-49.

[4] 李國遵，高之香，李士學(xué)，等.聚氨酯膠粘劑的研究進展、合成、改性與應(yīng)用[J].粘接，2019，40（5）：177-180

[5] 謝康，王武斌，石林川，等.聚氨酯級配碎石層特性研究[J].路基工程，2020（3）：50-54.

[6] 肖宏，呂亞鑫，遲義浩.聚氨酯發(fā)泡道床離散元模型建立及力學(xué)特性分析[J].鐵道學(xué)報，2022，44（6）：84-91.

[7] 李鵬飛，孫萬軍，張志國，等.聚氨酯碎石道床在既有線路基病害整治中的應(yīng)用[J」.鐵道建筑，2022，62（9） ：52-55.

[8] 陳浩，劉炳文，宋曙光，等.大萊龍鐵路路基地質(zhì)物探分析[J].土工基礎(chǔ)，2022，36（3）：331-334.

[9] 阿力木·許克爾.聚氨酯砂槳和復(fù)合土工膜在渠道施工中的應(yīng)用及質(zhì)量控制[J].內(nèi)蒙古水利，2015（3）：143-144.

[10] 蔡亞飛，綦春明.滲流-應(yīng)力耦合及降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性分析［J].南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，33（3）：33-39.

[11] 余俊.聚氨酯碎石混合料整治鐵路路基翻漿冒泥施工技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2020.

[12] 謝康，王武斌，蘇謙，等.無砟軌道聚氨酯碎石防排水型基床動力響應(yīng)研究[J].路基工程，2020（3）：1-5.

[13] 曹剛.裝配式建筑構(gòu)件連接用化學(xué)灌漿材料粘聚滲透性能研究[J].粘接，2023，50（5）：117-121.

[14] 王希云.重載鐵路路基聚氨酯防水層工藝性試驗研究[J].鐵道建筑，2021，61（6）：79-82.