膨胀土路堑基床新型防水层振动荷载下服役性能试验研究

杨果林， 邱明明， 何　旭,2， 申　权(.中南大学 土木工程学院，长沙　40075；2.中铁十九局集团有限公司，辽宁　辽阳　000)



膨胀土路堑基床新型防水层振动荷载下服役性能试验研究

杨果林1， 邱明明1， 何旭1,2， 申权1(1.中南大学 土木工程学院，长沙410075；2.中铁十九局集团有限公司，辽宁辽阳111000)

摘要：膨胀土路堑基床病害是铁路工程中亟需解决的关键技术问题。针对新建云桂线膨胀土地段高速铁路工程实际，开展膨胀土路堑基床模型室内激振试验，研究新型防水结构层在干燥、降雨、地下水位上升三种极端服役条件下的动力性能及防水效果，并结合现场实测数据进行了分析。分析结果表明：服役环境对新型基床结构的动力特性影响显著，降雨和地下水位上升均引起基床动应力、速度及加速度不同程度的增加；新型防水结构层可加快基床内部动应力的衰减，动应力沿横向距离近似呈“Z”形分布，在轨道正下方出现峰值，距线路中线5.0 m以外受振动影响较小；新型防水结构层能满足的防水、隔水、抗振、减振的要求，对提高铁路线路的平顺性和稳定性具有积极意义。研究成果可为新建云桂膨胀土高速铁路工程建设及同类工程实践提供参考。

关键词：膨胀土；路堑基床；动响应；防水结构层；高速铁路

随着我国高速铁路的快速发展，涌现出大量的膨胀土工程，给膨胀土及其相关工程问题的深入研究提供了强大的发展动力，同时也提出了严峻的挑战。膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物蒙脱石及其混层黏土矿物组成的特殊土，具有吸水膨胀、软化、崩解和失水收缩、开裂的特性[1-3]。一些学者通过对膨胀土的膨胀力测试[4]、干湿循环劣化行为[5]、细观结构及演化规律[6]等方面来研究膨胀土的特性。研究发现膨胀土对湿度状态变化十分敏感，并由此引起膨胀土发生胀缩变形和强度劣化，对穿越膨胀土地段的建筑物安全及稳定性极为不利。因此，对于膨胀土地区的铁路路基，合理控制路基湿度状态是关键，同时基床结构需具有较好的防排水效果和一定的变形协调性能。

既有南昆铁路膨胀土路堑基床主要采用“两布一膜”复合防排水结构层，但在运营后调查发现土工布防水路段多处出现下沉变形、排水不畅、翻浆冒泥等病害[3]，严重影响线路的正常运输及行车安全，由此说明采用传统柔性防水措施处治膨胀土路基效果不理想。新建云桂高速铁路与南昆线在同一走廊带上，沿线存在大量的膨胀土(岩)路堑地段，为此，在深入分析本工程特点及基床病害产生机理的基础之上，拟在基床中增设一道新型防水结构层形成新的基床结构，以解决新建云桂高速铁路穿越膨胀土地段难题。

国内外诸多学者从列车动荷载模拟[7]、弹性理论解答[8-9]、数值模拟分析[10-11]、模型试验[12-13]及现场测试[14-15]等方面对高铁路基动态响应及影响因素进行了研究。研究表明基床结构及参数变化对基床的动力特性具有显著影响。由于新型基床结构中存在防水结构层的作用，使得新型基床结构在列车荷载下的动力响应与传统基床结构有较大差异，特别是在极端服役环境条件下，研究新型基床防水结构层在列车振动荷载作用下的服役性能及效果，对确保新建云桂铁路建设质量及基床长期动力稳定具有重要意义。文章基于已取得的研究成果基础之上，以典型中-强膨胀土路堑新型基床结构设计断面为依据，开展1∶1足尺新型路堑基床模型室内激振试验，研究干湿极端条件下新型基床防水结构层的动力性能以及防水效果，并结合现场试验数据进行验证分析。研究成果可为新建云桂高速铁路工程建设和同类工程实践提供借鉴和参考。

1基床新型防水结构层设计

新建云桂高速铁路是国家Ι级双线铁路，设计速度为200 km/h，并预留250 km/h提速条件。沿线存在无法完全绕避的膨胀土地区，膨胀土路段长约129.7 km，占线路总长18.3%，其中膨胀土路堑144处，总长约23.7 km，全线弱、中、强膨胀等级的膨胀土均有分布，线路处于亚热带湿润季风气候区降雨量和蒸发量均较大，全年呈现明显的季节性干湿循环特点。

根据云桂高速铁路膨胀土地段建设的需求，课题组自主设计了新型防排水结构层，对膨胀土路段基床进行全封闭防水处理。为充分保证路堑基床的长期稳定性，可结合膨胀土裂隙分布特点，在排水侧沟下方增设混凝土防渗墙及盲沟以加强防排水，新型路堑基床结构示意图见图1。其中，地基土类型为中-强膨胀土，基床结构由上至下依次为：0.7 m基床表层(0.65 m级配碎石+0.05 m中粗砂)+0.2 m新型防水结构层(改性水泥基复合防水材料)+基床底层(即换填层，A、B组填料，厚度视具体情况而定，建议值为0.5～2.3 m)。

图1　新型路堑基床结构示意图Fig.1 Sketch of new type cutting bedding

1.2防水结构层力学性能试验

根据云桂铁路膨胀土基床对防水材料要求的中低弹模、抗渗性强、高变形性和高韧性性能，并结合当地实际情况，课题组以砂和土作为骨架系统，以橡胶和乳化沥青为改性组分，以水泥和纤维混合体系为增强组分，通过优化各组分间的配比来实现新型防水结构层材料的研制。基于上述六种材料组分，在中南大学建筑材料试验室中成型了不同配合比、不同尺寸的材料试件，测试了各条件下材料的密度、抗压强度、弹性模量、抗渗透性、应力应变关系等物理力学特性，其物理力学参数详见表1。

表1　防水结构层物理力学参数

为测试不同试验条件下复合材料试件的疲劳性能，采用SPW微机控制气动伺服疲劳试验系统进行测试。试件尺寸为7.07 mm×7.07 mm×7.07 mm的立方体，采用正弦波加载方式，加载频率为5 Hz，加载应力范围为0.2～1.0 MPa。试件疲劳加载应力-应变关系曲线测试结果见图2。经分析可知：经过15万次、100万次和200万次疲劳加载后的复合材料应力应变关系曲线未发生明显变化，说明该材料有较强的抗疲劳性能，在试验加载条件下的长期疲劳荷载不会对复合材料内部造成疲劳损伤；在长期浸水和动力荷载共同作用下，材料的应力峰值和基准组相比减小约0.3 MPa，考虑到新型防水结构层在实际服役过程中受到的最大列车动力荷载幅值为98.8 kPa，仅为疲劳试验动力变化幅值(800 kPa)的1/8，故新型复合材料可以满足在长期浸水和实际列车荷载共同作用下的要求。同时，新型防水材料施工方便、连续性好，可避免传统复合土工防水材料因在施工中出现易变形、破损及接缝多等问题。

图2　应力-应变关系曲线Fig.2 Relations of stress-stain

2新型防水层服役性能试验

2.1试验模型

成都将“西蜀第一街”锦里、“成都会客厅”宽窄巷子、“新时代梦工厂”东区音乐公园融于一体，使其成为成都新的标杆，既有成都的地域特色，又彰显城市魅力

结合云桂铁路膨胀土地段路堑工程实际，选取典型中-强膨胀土路堑基床设计断面，基床结构由上至下依次为：0.7 m基床表层+0.2 m新型防水结构层+0.6 m基床底层。建立长×宽×高尺寸为9.2 m×2.0 m×4.6 m的1∶1路基足尺模型，在路基内埋设动土压力盒、速度计、加速度计和湿度计等元器件，研究干燥、降雨、地下水位上升三种极端服役环境条件下基床结构的动力行为特性，模型尺寸及元器件布置图见图3。

图3　模型试验布置图(单位:m)Fig.3 Layout of model test (unit: m)

2.2列车荷载及试验过程

实际模型激振试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室完成，采用MTS激振系统实现高速列车振动荷载的有效模拟。列车动荷载按照CRp型列车进行确定，行车速度取v=250 km/h，加载频率为f=4 Hz，列车静轮载Pj=200 kN，路基面最大动轴力及应力幅值[16-17]分别为Pdl=380 kN，σdl=98.8 kPa。采用正弦波应力变化来模拟列车运动引起的附加动轮载ΔP，其大小为180 kN。故模型试验加载按方程(1)进行输入，其加载时程曲线如图4所示。

P(t)=200+180sin(25.12t)

(1)

图4　列车荷载时程曲线Fig.4 Time history curves of train loads

在激振试验过程中，分别对路基模型进行干燥状态、降雨及地下水位上升三种服役条件下进行激振试验，每种条件下激振100万次，共计300万次。具体过程如下：

(1) 路基试验模型填筑完成后，在干燥条件下激振100万次，并记录试验数据。

(2) 根据云桂高速铁路百色段实际降雨情况，降雨速度和降雨量分别取14.9 mm/12 h、3.68 m3，在路基模型上方安装的管网实现模拟降雨，通过埋设在路基中的应变计和湿度计观察基床表层及地基膨胀土受降雨影响的动态变化，模拟降雨完成后，再次激振100万次，并记录试验数据。

(3) 通过埋设在路基中的注水系统模拟地下水位上升或地表水渗入等情况，由下至上逐层进行注水，观察湿度计读数来监控地下水位上升及地基膨胀土饱和度变化，注水完成后，再次激振100万次，并记录试验数据。

3试验结果分析

路基内动应力、速度、加速度水平及分布规律是评价列车动荷载对路基破坏作用的重要指标，也是影响高速铁路路基结构长期动力稳定性的关键因素[17]。根据模型试验监测数据，下面将重点从动应力、速度、加速度三个方面，探讨新型防水结构层在列车动荷载作用下的振动性能、防水效果及其对基床结构动力响应的影响。

3.1动应力分析

明确路基各结构层内动应力水平和荷载传递规律是高速铁路路基结构设计和变形控制的基础保证；同时，过大的动应力强度容易导致路基填料破碎，产生更大的长期沉降变形，对路基长期动力稳定性及运行维护极为不利。图5给出了不同服役条件下基床内各位置竖向动应力随激振次数的变化曲线。从图可得：在同一服役条件下，基床内动应力在激振初期波动性较大，但随着激振次数的增加而逐渐趋于稳定；基床内动应力受服役环境影响较大，降雨和地下水位上升均引起基床内动应力水平提高；干燥条件下激振100万次后，轨道正下方路基面下0.2 m和防水层底面处的动应力分别为40.0 kPa、17.0 kPa，衰减了57.5%，说明防水层具有一定的耗能作用，可加快基床内部动应力的衰减；防水结构层底面处动应力值随激振次数波动变化较大，是由于铺设的防水结构层具有半刚性的特点，可随上部荷载的变化表现出一定的适应性和协调性，故可提高铁路线路的平顺性。

图6为不同服役环境下动应力沿线路横断面分布规律。由图可得：在振动荷载作用下，动应力沿线路横向近似呈“Z”形分布，在轨道正下方出现峰值，距路基面距离越近，动应力曲线“单峰”特征越明显；距线路中线4.85 m以外动应力值小于3.0 kPa，相对于轨道正下方动应力值衰减了92.8%，即距线路中线5 m以外几乎不受影响；三种服役条件下，轨道正下方路基面下0.2 m处动应力大小依次为40.0 kPa、41.0 kPa、43.0 kPa，防水结构层动应力大小依次为 17.0 kPa、18.0 kPa、19.0 kPa，降雨和地下水位上升均使基床动应力提高，说明基床动力性能跟服役环境相关。

图5　不同位置处动应力随激振次数变化规律Fig.5 Curves of dynamic stress with vibration number under different position

图6　横向测试断面动应力变化曲线Fig.6 The curves of dynamic stress in transverse testing section

3.2振动速度分析

图7为不同服役条件下基床内各位置振动速度随激振次数的变化曲线。由图可得：干燥条件下，激振初始振动速度波动性较大，这是由于速度传感器和接触材料在激振荷载作用下不断调整与耦合造成的，激振约50万次以后振动速度逐渐趋于稳定；降雨和地下水位上升均引起了基床内振动速度增大，且基床表层振动速度的波动性较防水结构层处明显，说明防水结构层对振动速度具有较好的消能和扩散能力，从而减弱了振动速度在防水结构层上的波动性。

图8为不同服役环境下振动速度沿线路横断面分布规律。由图可得：基床表层振动速度分布曲线沿线路横向呈“单峰”特征(见图8(a))，在轨道正下方出现峰值，距线路中线5.0 m以外振动速度小于3 mm/s；防水结构层底面振动速度峰值特征不明显，距线路中线5.0 m范围内受振动影响较大(见图8(b))；三种服役条件下轨道正下方，路基面下0.2 m处振动速度依次为9.5 mm/s、11.3 mm/s、11.5 mm/s，防水结构层振动速度依次为8.0 mm/s、8.4 mm/s、9.4 mm/s，降雨和地下水位上升均引起振动速度增大，故加强膨胀土地质条件下基床结构防排水措施对确保基床长期动力稳定性具有关键意义。

图7　不同位置处振动速度随激振次数变化规律Fig.7 Curves of dynamic velocity with vibration number under different position

图8　横向测试断面速度变化曲线Fig.8 The curves of dynamic velocity in transverse testing section

3.3振动加速度分析

图9为不同服役条件下基床内各位置振动加速度随激振次数的变化曲线。经分析可知：干燥条件下激振初始振动加速度同样表现出较大的波动性，激振约20万次以后振动加速度逐渐趋于稳定，轨道中线正下方路基面下0.2 m和防水结构层处振动加速度大小依次约为0.20 m/s2、0.17 m/s2，衰减了15.0%；降雨条件下，轨道中线正下方路基面下0.2 m和防水结构层处振动加速度大小依次约为0.27 m/s2、0.23 m/s2，衰减了14.8%；地下水位上升后，轨道中线正下方基床表层顶面和防水结构层处振动加速度大小依次约为0.29 m/s2、0.25 m/s2，衰减了13.8%。

图10为不同服役环境下振动加速度沿线路横断面分布规律。由图可得：干燥、降雨及地下水位上升三种服役条件下振动加速度沿横断面距离分布规律基本一致，距线路中线距离越远振动加速度值越小，5.0 m以外加速度值均小于0.05 m/s2；路基面下0.2 m处加速度依次为0.18 m/s2、0.25 m/s2、0.30 m/s2(见图10(a))，降雨和地下水位上升较干燥条件下加速度增加了38.9%和66.7%；防水结构层底面加速度依次为0.15 m/s2、0.22 m/s2、0.27 m/s2(见图10(b))，降雨和地下水位上升较干燥条件下加速度增加了46.6%和80.0%。由此说明降雨和地下水位上升会加剧基床内振动加速度的提高。

图9　不同位置处振动加速度随激振次数变化规律Fig.9 Curves of dynamic acceleration with vibration number under different position

图10　横向测试断面加速度变化曲线Fig.10 The curves of dynamic acceleration in transverse testing section

3.4防水结构层隔水效果

在激振试验过程中，通过预先埋设在路基内的湿度计对路基内的湿度变化进行跟踪监测。图11给出了三种服役环境下激振结束后湿度计读数随深度的变化曲线。由图可得，干燥条件下路基内的湿度随深度近似呈线性增长；在降雨条件下，基床表层湿度计读数迅速增大，但在防水结构层以下湿度计读数基本保持不变(湿度计精度±3%)，说明由于新型防水结构层的作用雨水被隔离在基床表层中，而未使雨水入侵到膨胀土地基内部；地下水位上升后，防水结构层以下湿度计读数大幅度提高，但基床表层内湿度基本稳定，说明防水结构层将地下水隔断在其下部。综上所述，研发的防水结构层能够起到较好地防水、隔水效果。

图11　不同条件下湿度随深度变化曲线Fig.11 Moisture with depth under different service conditions

经过三种极端服役条件下300万次的激振试验后，对基床结构层进行开挖检查，其防水层外观如图12所示。通过现场仔细检查，防水结构层未出现渗漏水、微裂纹或开裂现象，由此表明防水结构层具有良好的抗渗性和抗疲劳性。

图12　试验结束后防水层外观Fig.12 Surface of subgrade waterproof layer after tests

4工程实例验证

本方案拟在新建云桂高速铁路工程推广应用前，为进一步确保云桂铁路工程质量及验证新型防水结构层的实际服役效果，选取中-弱和中-强两个典型膨胀土路堑基床现场激振试验段，设计干燥和浸水两种服役环境，对新型防水结构层在循环振动荷载条件下的防水性和抗疲劳性进行测试，试验结果分析如下。

通过在路基各结构层分界面位置预先埋设湿度计，并跟踪监测干湿条件下路基内部的湿度变化情况，中-弱和中-强膨胀土两个测试断面湿度变化实测结果见表2和表3。由实测数据可得，在基床表层浸水后，两断面均表现为防水结构层上部湿度计读数大幅增加，但在防水结构层下部湿度计读数基本保持稳定。由此说明，防水结构层能有效防止其上部地表水的侵入，且在中-弱和中-强膨胀土两种类型地质条件下均能起到较好的防水效果。

为了检查新型改性水泥基防水结构层在极端服役环境下的抗疲劳性能，各断面分别通过200万次现场激振试验后开挖基床表层，并检查防水结构层是否存在裂纹及渗漏点，防水结构层外观如图13所示。经现场检查表明，其既未出现裂损，也未出现渗漏，说明新型防水结构层能够满足防水、抗渗及抗疲劳的基本要求，为新建云桂铁路工程质量及基床长期稳定性提供了可靠保障。

表2　DK161+840断面湿度测试结果(单位：%)

注：地基土类型：中-弱膨胀土；基床结构：0.7 m基床表层+ 0.2 m新型防水层+0.5 m基床底层；湿度计精度±3%。

表3　DK205+542断面湿度测试结果(单位：%)

注：地基土类型：中-强膨胀土；基床结构：0.7 m基床表层+ 0.2 m新型防水层+1.2 m基床底层；湿度计精度±3%。

图13　现场试验后的防水结构层外观Fig.13 Surface of subgrade waterproof layer after tests

5结论

(1) 新型防水结构层具有良好的防水、隔水、抗振、减振的作用；其自身半刚性的特点可对列车动荷载具有较好的消能和扩散能力，有益于提高铁线路的平顺性和稳定性。

(2) 在同一服役条件下，基床动响应在激振初始均表现出较大的波动性，但随激振次数的增加而逐渐稳定；新型防水结构层可加快基床内部动应力的衰减，体现了一定的参振作用；动应力沿横向距离近似呈“Z”形分布，在轨道正下方出现峰值，距路基面距离越近，动应力曲线“单峰”特征越明显，距线路中线5.0 m以外受振动影响较小。

(3) 膨胀土路堑新型基床结构的动力特性与服役条件相关，与干燥状态相比，降雨和地下水位上升均引起基床动应力、速度及加速度不同程度的增加。

(4) 通过室内和现场激振试验表明：新型防水结构层具有较好的防水性和抗疲劳性能，在降雨和地下水位上升条件下均能有效防止水的侵入，且在长期动力循环荷载作用下能保持良好的抗渗性和抗疲劳性。

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Tests for working property of water-proof layer of cutting subgrade in expansive soil under vibrating load

YANGGuo-lin1,QIUMing-ming1,HEXu1,2,SHENQuan1(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. China Railway 19th Bureau Group Co. Ltd. Liaoyang 111000, China)

Abstract:The defect of cutting subgrade in expansive soil is a key technical problem of railway engineering to be solved urgently. According to the actual conditions of the new Yun-Gui line of a high-speed railway project in expansive soil areas, the model tests for cutting subgrade in expansive soil were conducted to study the dynamic performance and waterproof effect of a new water-proof structure layer under three types extreme service conditions (dry, raining, and underground water rising), and they were analyzed combining with the field measured data. The analysis results showed that the influences of the service environment on the dynamic characteristics of the new subgrade structure are significant; the dynamic stress, velocity and acceleration of the subgrade increase at different levels due to raining and underground water rising; the waterproof layer can accelerate the attenuation of the dynamic stress in the subgrade, the dynamic stress along the transverse distance reveals “Z” shape distribution, and its peak value appears at below the track, and it is smaller at place with a distance more than 5 metres from the railway central line under vibration; the new type waterproof structure layer can meet requirements of waterproof, impenetrability, anti-vibration and impact-absorbing, and using it can improve the ride performance and stability of railway track. The results provided a reference for the construction of the newly built Yun-Gui high-speed railway in expansive soil and similar projects.

Key words:expansive soil; cutting subgrade; dynamic response; water-proof structure layer; high-speed railway

中图分类号:TU443

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.001

收稿日期：2015-03-17修改稿收到日期：2015-08-26

基金项目：国家自然科学基金项目(51478484;51278499;51308551)；中南大学中央高校基本科研业务费专项基金项目(2015ZZTS059)

第一作者 杨果林 男，教授,博士生导师，1963年生