不同基床底层细颗粒含量的高速铁路路基水分运移规律及水囊控制

王瀚霖，陈仁朋，程 威

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.香港理工大学 土木及环境工程学系，香港 999077；3.浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310058)

和有砟轨道线路相比，无砟轨道线路具有维护成本低的优势，目前已在我国得到广泛应用：截至2016年，我国高速铁路运营总里程已超过2万km，其中70%为无砟轨道。总体来说，无砟轨道路堤包含上部结构与下部结构两部分。上部结构由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、混凝土底座组成；下部结构从上至下可分为基床表层、基床底层、基床以下路堤和地基[1-5]。

在100 a服役寿命里，路基在长期动荷载作用下易在两个区域产生裂缝：①混凝土底座与基床表层接触边缘；②纵向混凝土底座沥青接缝处[6]。裂缝产生后，在降雨季节，雨水可沿裂缝向下入渗到路基中，若路基排水措施运营情况不良，部分雨水无法排出，从而部分路基土体也由非饱和状态转变为饱和状态，导致土体吸力和承载力降低，进而引起相关“病害”，比如翻浆冒泥、较大沉降等[7-10]。

在细粒土如黄土、粉土中，水分运移规律已得到了广泛试验和理论研究，研究表明，水分运移主要由土体压实度、初始含水量、温度梯度等因素决定[11-14]。然而，高速铁路路基基床粗粒土与细粒土在性能方面存在着很大差异[15-22]。因此，在高速铁路路基中的水分运移呈现出与在细粒土中不同的规律。Wang等[23]和Chen等[24]利用数值手段对典型高速铁路路基水分运移规律进行了计算，但两者均只从含水量变化的角度展开了分析，未对湿润锋的发展进行分析。再者，目前国内外在高速铁路路基上部结构与下部结构交界边缘出现裂缝情况下，关于雨水入渗进路基后运移规律及水囊防护措施的研究还很少出现。

基于以上研究现状，本文通过Geostudio数值软件Seep/W模块计算了在正常降雨条件下，混凝土底座与基床表层交界处出现裂缝的高速铁路路基内部水分运移规律。本文模型考虑了三种细颗粒含量(粒径小于0.075 mm，以FC表示)的基床底层材料，重复使用2013年杭州市日降雨量数据，对各模型进行了3 a计算，分析了水囊形成机理和湿润锋发展规律。同时，在基床表层与基床底层之间加设低渗透性GCL复合垫层或毛细屏障，对高速铁路路基水囊控制技术进行了探讨。

1 数值模型

1.1 模型概况

按照规范[1]要求建立模型，见图1，该模型下部结构包含基床表层、基床底层和地基，图1中数字代表了相应边界。

模型边界条件见图1，混凝土底座设置为不透水边界。基床表层上方覆盖一层薄混凝土层[1]，故对应边界也设置为不透水边界。路基边坡按照规范要求设置植被等护坡条件[1]，故在降雨过程中认为雨水不渗进边坡；但当路基内部水分运移并累积到边坡时，可自由排出，故边坡边界设置为自由渗流，在降雨时节不计雨水渗入。模型底部边界设置为自由渗流。

模型中，在混凝土底座与基床表层交界边缘设置裂缝(宽0.01 m，长0.1 m)[2](见图1)。裂缝边界条件考虑为两种情况[23-24]：当日降雨量不大于5 mm时，裂缝边界设为不透水；当日降雨量大于5 mm时，认为裂缝上方产生少量积水，且该积水深度不大，此时裂缝边界设置为0孔压边界[25]。0孔压边界持续时间根据文献[23-24]方法由日降雨量转换而来。

图1 模型示意(单位：m)

模型计算所用日降雨量数据采用2013年杭州市降雨资料，如图2所示。本文重复使用该降雨数据对各个模型均进行了3 a计算。

图2 2013年杭州市日降雨量资料

1.2 模型材料

对于渗流计算问题，本文对模型中基床表层、基床底层、裂缝和地基土材料土水特征曲线和渗透系数曲线分别进行了设置。

基床表层选用文献[26]碎石材料，其级配符合规范要求[1]，土水特征曲线和渗透系数曲线见图3。

本文基床底层材料通过规定不同细颗粒含量(FC=5%、15.4%、30%)分为3种工况，级配曲线如图4所示，最大粒径采用40 mm。土水特征曲线和渗透系数曲线通过文献[15-16]中大型渗透柱装置(装置中通过张力计测试基质吸力和TDR探头测试体积含水量[27])测试获得，制样过程中保持各材料压实度均为0.93，测试结果见图3。

地基土采用文献[28]粉土材料；裂缝材料采用开裂碎石，土水特征曲线和渗透系数曲线分别取自Zhang等[29]和Chae等[30]，见图3。

图3 各材料土水特征和渗透系数曲线

在路基建造阶段，各个材料初始含水量均应控制为最优含水量wopt[1，31]。以此参数对应材料土水特征曲线和渗透系数曲线(见图3)，可得到材料初始吸力和初始渗透系数。各材料初始参数见表1。

图4 基床底层级配曲线

2 数值模拟结果

2.1 水囊发展规律

雨水透过裂缝渗入铁路路基后，因为基床粗颗粒填料的不均匀孔隙分布，雨水会同时向竖向和横向运移。雨水入渗到路基中部后聚集，无法及时被排出。随着雨水不断入渗到路基中，部分路基土体含水量增大，从非饱和状态变为饱和状态，即形成了水囊(饱和区域)，并且随着时间的推移，水囊有向下继续运移或扩大的趋势。在长时间后，一些入渗水分可被自然排出或往更深的土体运移，而余下部分则聚集形成更大的水囊[32]。

表1 各材料初始参数

为了研究基床底层细颗粒含量对水囊发展规律的影响，3 a计算时间后各工况的水囊分布见图5，图5中水囊用带符号较粗线条表示，因各工况水囊底部均重合，故底部采用同一不带符号线条。由图5可知，3 a计算时间后，各工况基床底层中均形成了水囊，水分积聚在基床底层与地基土交界面上，而地基土中并无水囊现象。这可以由地基土较低的非饱和渗透系数和基床底层具有一定的持水特性来解释：水分运移到基床底层与地基交界面时，地基土初始吸力(185.84 kPa)对应渗透系数为2.54×10-9m/s(见图3)，远小于此时饱和基床底层的渗透系数(1.10×10-7～2.21×10-6m/s)。于是，水分从饱和基床底层往地基土中的运移非常缓慢。基床底层一定的持水特性亦使水分不易即时从边坡排出，从而形成了水囊。再者，地基底部边界设置为自由渗流，且地基土饱和体积含水量达到45%。因此，从基床底层进入地基中的少量水分很难使地基中的部分土体达到饱和状态，故水囊在地基土中没有产生。

图5 3 a计算时间后各工况水囊分布

对比基床底层细颗粒含量对水囊分布的影响可发现，随着基床底层细颗粒含量增大，在3 a计算时间后水囊分布面积也增大(见图5)。这可以归结于不同材料的持水能力强弱(见图3)：30%细颗粒含量基床底层材料土水特征曲线在另外两种工况上方，持水能力更强，受到更强的毛细作用影响，水囊中水分更难排出，从而形成了更大的水囊。

为了量化细颗粒含量对水囊大小的影响，引入了参数δ，其定义为水囊面积与整个路基面积的比值[24，32]。δ随细颗粒含量的变化规律见图6。随着基床底层细颗粒含量增大，水囊面积比线性增大：细颗粒含量从5%增大到30%，水囊面积比增大了276.1%。由此看来，路基内部水囊分布大小受基床底层细颗粒含量的影响显著。

2.2 湿润锋发展规律

为了研究路基内部水囊形成机理，取图1中I-I剖面，该剖面位于裂缝位置(直接入渗位置，可认为是危险剖面)，通过观察该剖面不同时间段孔隙水压力的变化来分析水囊形成的时间。该剖面不同时段典型孔隙水压力沿深度的变化图(取5%细颗粒含量工况)见图7，界面1代表基床表层与基床底层交界面，界面2代表基床底层与地基交界面，2.1～4.3 m范围为基床底层。

在渗流问题中，湿润锋可定义为一个区分饱和区域与非饱和区域的“交界面”，划分开已入渗土体(饱和)和干土的界限[33]。对于图7中某一特定点而言，若孔压值为负数，表明该点处于非饱和状态，其负值即为基质吸力；若其孔压达到或超过0 kPa，可认为该点达到了饱和状态。由此，由图7中可以清楚地观察到湿润锋随着时间向下运移的现象。本文定义了两个特殊的湿润锋相关的时间：湿润锋击穿界面1的时间t1和湿润锋到达界面2的时间t2。定义t1时，由于交界面上测点情况较复杂，故取界面1下方0.2 m处测点作为参考(图1中点P)，当P点孔压突然由负值增大到0 kPa后，认为湿润锋击穿界面1，此时t1取为该点到达饱和状态的时间，即图7中第77天。定义t2时，同样取界面2上方0.2 m处测点，当该点孔压突然由负值增大到0 kPa后，认为湿润锋已到达基床底层底部，即图7中第133天。

图7 不同时段孔隙水压力沿深度的变化(FC=5%)

图8对比了t1和t2随基床底层细颗粒含量的变化。

图8 湿润锋相关时间随细颗粒含量的变化

总体而言，随着细颗粒含量增大，湿润锋击穿界面1和到达界面2的时间延长，相比于5%细颗粒含量，15.4%和30%细颗粒含量情况湿润锋击穿界面1的时间分别增大0%和55.8%，湿润锋到达界面2的时间分别增大15.0%和62.4%。

综合以上结果来看，增大基床底层细颗粒含量，降低材料的渗透性能，可有效延长湿润锋击穿界面1和湿润锋穿越整个基床的时间。但由于粗粒土渗透系数处于相对较高的状态，水分还是能入渗到基床内部，并无法通过自然渗流排出，从而形成长期水囊，这对于路基病害的防护是不利的。

3 水囊控制技术探讨

3.1 增设GCL复合垫层

为了控制路基内部长期水囊的形成，并且使由裂缝入渗的水分在进入基床底层前，即在基床表层中就能排出[1]，考虑在基床表层和基床底层之间增设一层渗透系数较低的土工聚合膨润土(GCL)复合垫层的方法。增设GCL复合垫层后模型示意见图9。本文选用某商业GCL复合垫层进行计算[34]。该GCL垫层内部设置一层厚度同于基床表层(0.4 m)的膨润土(d50粒径为0.7 mm)，上下部均由无纺土工织物针刺式覆盖。GCL垫层材料土水特征和渗透系数曲线见图10，详细参数见表2。设置GCL复合垫层初始吸力13.2 kPa(同基床表层)，初始渗透系数1.2×10-13m/s。

图11 不同时段各工况孔隙水压力沿深度的变化

图9 增设黏土垫层模型示意(单位：m)

表2 GCL复合垫层具体参数[34]

在增设GCL垫层的模型中，同样采用2013年杭州市降雨数据计算3年时间，裂缝设置、边界条件、地基材料和基床表层材料与不加垫层时保持一致，基床底层仍设置为3种工况(FC=5%、15.4%、30%)。

计算结果显示，模型计算结束后，水囊现象均未在各工况基床底层内部产生。为进一步探讨水分在路基内部的运移规律，同样取图9中左侧I-I裂缝剖面作为危险位置，分析了各个工况该剖面测点孔隙水压力在不同时段沿深度的变化，如图11所示。

由图11可知，雨水由裂缝入渗基床表层后，湿润锋逐渐向下发展，抵达GCL复合垫层和基床表层界面。因为基床表层碎石的饱和渗透系数(3.2×10-3m/s)远大于GCL复合垫层的初始渗透系数(1.2×10-13m/s)，湿润锋无法击穿该界面，故GCL垫层和基床底层土体孔压保持不变，处于初始状态，水囊亦很难产生。由于湿润锋无法继续下移，在基床表层中累积的水分横向移动(基床表层渗透系数较高)，并沿着4%的预留坡度排出，从而发挥基床表层排水的功效[1]。

图10 GCL复合垫层土水特征曲线和渗透系数曲线[34]

因此，增设一层渗透系数较低的GCL复合垫层在基床表层和基床底层之间，可防止降雨时节路基内部水囊的产生。

3.2 增设毛细屏障

除应用GCL垫层外，毛细屏障的合理使用也可有效降低路基内部水分聚集，达到抑制水囊产生的效果[35]。文献[35]使用的毛细屏障如图12所示，由吸湿、亲水的含多个毛细排水通道的4DGTM纤维组成，拥有较好的毛细吸水功能，材料详细参数见表3。

表3 毛细屏障材料参数[35]

实际应用中，材料布置如图13所示，于基床表层与基床底层界面铺设该毛细屏障，使该材料延伸出路基外，造成毛细屏障在路基内部和空气中的吸力差。当雨水入渗路基后，由于预留坡度和吸力差的作用，雨水可沿着毛细屏障的排水通道排出。该毛细屏障设置方法已经在美国阿拉斯加Dalton公路某路段进行了现场实测和证实，有效防止了5 a时间路基内部水囊的扩散[35]。

图12 毛细屏障示意

图13 增设毛细屏障路基示意

4 结论

本文通过数值方法建立了高速铁路路基渗流模型，重复使用2013年杭州市降雨数据，计算了3 a时间不同基床底层细颗粒含量的高速铁路路基内部水分运移规律，得到了以下结论：

(1)对于每种无垫层工况，3 a计算时间后，路基内部均出现水囊，随着基床底层细颗粒含量增大，水囊大小亦线性增大。

(2)通过对左侧裂缝危险剖面孔隙水压力在不同时段沿深度变化的分析，定义了湿润锋击穿基床表层和基床底层交界面的时间、湿润锋到达基床底部的时间；从这两个时间随基床底层细颗粒含量变化的规律中看出，两者均随细颗粒含量的增大而延长，表明了增大细颗粒含量，降低材料的渗透性能，可有效延缓湿润锋的向下运移。

(3)在基床表层和基床底层之间增设一层渗透系数较低的GCL复合垫层或吸水毛细屏障，通过数值方法或文献中现场试验研究了这两种方法对各工况水囊形成的防护作用。研究表明，这两种方法均可有效抑制长期水囊的发生。