浸水对无砟轨道膨胀土路基力学行为与变形特征的影响

段君义，杨果林，刘 洋，阚京梁，张立伟

(1.南昌大学 工程建设学院, 江西 南昌 330031；2.中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075；3.中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251)

岩土工程基础设施在使用过程中常遭遇水的影响，如降雨入渗对边坡稳定性的影响[1-3]，降水对基坑开挖稳固的影响[4]，涌水/浸水对隧道开挖稳定的影响[5]，冻融水汽迁移对路基融沉变形的影响[6-7]，降雨或地下水波动对路基沉降变形的影响[8]等。水对工程构筑物的侵害具有潜在性、反复性、长期性，对实际工程构筑物具有较大的破坏作用，且修复困难，造成大量经济损失[9-10]，是众多研究者的关注热点[11]。

高速铁路无砟轨道对路基结构在水环境下的长期稳定具有严格控制要求[12]，许多学者为此展开了相关研究。张明礼等[7,13]通过长期监控北麓河地区铁路路基含水率变化，分析了路基含水率与降雨的关系，指出降雨入渗、地表蒸发伴随着液态水和水汽运移对铁路路基的影响不可忽略。冷伍明等[14]对铁路路基在水分与荷载作用下的翻浆冒泥病害进行了研究，指出翻浆冒泥与填料的类型有关。膨胀土填料是一种对水分极其敏感的特殊土，在土体含水率发生改变时能够引起显著的胀缩变形[15-16]，严重影响铁路路基的稳定性，进而危及高速列车运行安全[17-18]。为此，马丽娜等[12]针对兰新铁路具有膨胀性的泥岩进行了浸水试验，获得了不同浸水深度和上覆荷载对地基变形的影响。陈伟志等[19]对云桂高速铁路低矮路堤下膨胀性地基进行浸水，得到了路堤高度与其变形的关系。汪双杰等[20]通过现场填筑试验指出，浸水后膨胀路基压实度出现减小现象。杨果林等[8]针对干燥与浸水工况下铁路膨胀土路基进行激振试验，指出浸水对路基动土压力及路基变形具有显著影响。

上述研究表明，水分的改变将影响铁路路基的力学与变形特征，尤其是膨胀土路基受水分的影响更为显著[21]。为此，本文建立了大比例无砟轨道路基物理模型，通过路基浸水，分析浸水前后路基在循环加卸载作用下的力学与变形特性，并为今后铁路膨胀土路基的病害处置提供参考。

1 试验方案与实施

1.1 路基结构

以TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[22]双线无砟轨道路基结构为原型，考虑试验条件与可靠性，按照缩尺比例1∶2在室内填筑了无砟轨道路基，路基的长度、宽度、高度分别为5、2、2.55 m。试验所用轨道板以CRTSⅠ型板式轨道结构为原型进行缩尺得到，并采用C40混凝土浇筑而成。路基内部布置湿度计(型号为YT-DY-0101，精度为0.01%)、沉降计(型号为JMDL-3210A，精度为0.01 mm)、土压力盒(型号为JMZX-5002AT)。轨道板表面设置位移监测点，并采用千分表进行测读，具体路基尺寸与元器件布置如图1所示。此外，如图1所示在距离地基底部0.3 m高度处开挖3道沟槽，在沟槽内铺设PVC水管，并相互联通，管壁上每间距0.2 m钻一个小孔并用透水土工布包裹。放入水管的同时在沟槽内铺设细砂裹住水管以保证水分由小孔出水后可均匀渗入地基，最后回填填料压实，具体铺设如图2所示。

图1 无砟轨道路基物理模型(单位：mm)

图2 水管网铺设

1.2 路基填料

地基采用具有膨胀性的泥质砂岩填筑，取自京沈高速铁路沿线朝阳市。该泥质砂岩呈灰白、灰绿色，块体可轻易夯碎，且易风化，遇水能够迅速膨胀，其主要物理力学指标见表1。图3为泥质砂岩的SEM电镜结果，由图3可知，泥质砂岩中以粒径极小的土颗粒为主，且土颗粒呈片状结构并堆叠排列，属于面-面接触，这是膨胀土的典型结构形式之一。此外，土颗粒表面吸附着大量的细颗粒并形成聚集体，说明其土颗粒表面带有负电荷，根据双电层理论，这使得泥质砂岩具有吸水膨胀、失水收缩的能力。

表1 泥质砂岩的主要物理力学指标

图3 泥质砂岩的SEM电镜结果

基床层所用填料为由河沙、圆砾石、黏土按照一定质量比拌和而成的混合土。根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[23]，该混合土可划分为A组填料，其物理力学性质见表2。

表2 A组填料的物理力学参数

路基各层填筑采用气动夯压机压实，压实度均按照并达到文献[22]的要求。

1.3 浸水实施及循环加卸载过程

浸水前循环加卸载试验：将荷载通过分配梁施加在钢轨表面，按照梯度30 kN逐级增加至150 kN，再按照相同梯度逐级卸载，作为完成一次加卸载，并进行下一次加卸载。每级荷载作用时按照相应规范要求测试路基土体湿度、土压力、沉降变形及轨道板中线处变形[19]。至轨道板中线处变形在相邻加卸载完成后的差值不大于0.005 mm，视为循环加卸载试验完成。

浸水实施：路基浸水是通过路基顶部降雨洒水和地基内水管网络浸水综合实现，并通过湿度计监控路基内部湿度变化至稳定状态，则路基浸水过程完成。其中，土体湿度稳定标准为平均湿度变化速率不大于1%/h。

浸水后循环加卸载试验：路基浸水完成后，对路基再次施加循环加卸载，具体操作与浸水前循环加卸载试验一致。根据实际试验测试可知，加卸载循环达到6次时，路基便可满足稳定标准。

2 试验结果与分析

2.1 浸水前后路基土体湿度变化

在路基不同位置埋设湿度计，以对浸水前后路基内的湿度(体积含水率)变化进行监控，待湿度计读数稳定时，将结果进行整理，见表3。

表3 不同阶段时路基湿度

由表3可知，路基浸水后，整个铁路路基土体湿度均显著增大，表明整个路基均被水浸润。由于铁路路基不同结构层(地基、基床)采用的填料不同，其湿度大小与增长幅度存在差异。对比加卸载试验前后路基内湿度可知，在整个浸水后的加卸载试验过程中，土体湿度仅在路基浅层有微小幅度的变化，而路基深处(膨胀性地基)的湿度基本保持不变。因此，浸水后的加卸载试验过程中，湿度对路基胀缩变形影响极其微小。需要说明的是，湿度计埋设方法为挖洞布置湿度计，再回填填料压实，其中，回填填料中人工剔除了粒径过大的碎石以免损坏湿度计。因此，人为原因使得回填填料粒径组成存在一些差异，使得位于同一土层内的湿度计读数不同，但不影响对路基是否达到浸水稳定状态的判断。

2.2 浸水对铁路膨胀土路基力学特性的影响

浸水前后，不同上覆荷载作用下路基土压力横向分布规律如图4～图8所示。需要说明的是，土压力分析均以第一次加卸载为例。图4～图7中分级施加的荷载，均按照先分级加载再分级卸载的顺序显示。

2.2.1 土压力沿路基横向分布规律

由图4可知，浸水前后，基床表层底面处土压力横向分布均呈现明显非均匀性，表现为轨道板中线位置正下方较小，钢轨正下方较大。当上覆施加荷载越大时，该不均匀分布特征越明显。与浸水前相比，相同上覆施加荷载时，浸水后路基内土压力增大，这是因为膨胀性泥质砂岩地基在浸水作用下发生了膨胀变形，路基内形成一定程度的膨胀力，整个路基受力、变形状态产生了改变。正因如此，浸水后基床表层底面土压力横向分布不均匀性更加明显。

图4 基床表层底部土压力横向分布

由图5可知，浸水前，基床底层底面处土压力横向分布仍以钢轨正下方最大，使得土压力沿距轨道中线距离呈抛物线状，而在距轨道中线2.609 m以外的土压力基本不受上覆荷载影响。浸水后，基床底层底面处土压力横向分布规律与浸水前类似，但土压力仍然比浸水前的大，且横向不均匀现象更明显。土压力经过基床底层的传递、扩散及叠加效应，从基床底层表面至基床底层底面，土压力横向分布形式逐渐发生了改变，土压力横向分布不均匀性降低。

图5 基床底层底部土压力横向分布

由图6可知，不论浸水前还是浸水后，地基中部土压力沿路基横向均表现出不均匀性，但浸水使路基土压力增加，土压力横向不均匀性更为明显。无论浸水与否，距轨道中线2.609 m以外的土压力基本不受上覆荷载影响。

图6 泥质砂岩地基中部土压力横向分布

图7 路基土压力沿深度的衰减曲线

图8 轨道中线不同路基深度处土压力衰减系数与荷载关系

2.2.2 土压力沿路基深度分布规律

为便于分析，分别定义土压力衰减系数ζ、土压力衰减量δ为

ζ=p/p0

(1)

δ=1-ζ

(2)

式中：p为不同深度处土压力，kPa；p0为轨道中线处路基面土压力，kPa。

由图7可知，浸水前，土压力在基床表层内衰减较快，在基床表层以下范围内，土压力衰减均较缓慢。其中，基床表层中土压力衰减量为43.6%～87.5%，且施加荷载越大，其衰减量越小。但随着深度增加，荷载对土压力衰减的影响逐渐减弱。在基床底层底面处，土压力衰减量为82.1%～87.5%。浸水后，土压力在基床表层内衰减很小，其衰减量仅为4.3%～14.3%，在基床表层以下范围内衰减相对较快，在基床底层底面处，其衰减量达到42.9%～65.7%，但远小于浸水前。以上分析说明，浸水后路基将承受更大的土压力，且传递至地基的土压力增大，这对地基是不利的。

此外，由图8可知，浸水前，不同深度处土压力衰减系数随施加荷载增大呈现增大的趋势。浸水后，土压力衰减系数基本不受施加荷载的影响，但明显大于浸水前相同深度处的土压力衰减系数，即浸水环境下膨胀土路基将面临更不利的力学状态，不利于膨胀土路基长期保持稳定性。

2.3 浸水对铁路膨胀土路基变形特性的影响

2.3.1 循环加卸载作用下路基各结构层变形规律

为便于理解，本文规定路基变形以垂直向下(沉降)变形为负。图9、图10分别为浸水前后基床底层、地基沉降变形随荷载的变化。

图9 循环加卸载作用下基床底层沉降变形

图10 循环加卸载作用下地基沉降变形

由图9可知，基床底层的沉降变形随着施加荷载的增大而增大。浸水前，基床底层的变形很小，6次加卸载循环后的残余沉降变形为0.02 mm。浸水后，沉降变形在首次加载时出现显著增加，原因是浸水使得基床填料浸水软化，导致基床在施加荷载作用下易产生沉降。随着加卸载循环次数增加，基床填料再次被压紧密，使得后续沉降变形增量逐渐减小，稳定后的残余沉降变形为0.23 mm。此外，比较沉降计S1与S2可知，浸水使得两个位置的沉降差异增大，其可能原因：浸水时，S1上方的水分难以排走，基本都入渗至基床中，而S2正上方为具有一定排水坡度的路基面，有一部分水分顺着路基面流走，进入该位置基床中的水分相对较少；基床层厚度沿路基横向分布不均匀，且其上方存在轨道板荷载，使得泥质砂岩地基上覆荷载沿路基横向分布不均，引起其膨胀变形横向分布不均[19]，进一步导致基床内应力与变形在横向分布产生不均匀性。以上分析说明，路基面排水对保证整个路基变形稳定有重要作用，应加强路基面的排水措施；膨胀土路基膨胀变形沿横向分布不均可能会造成轨道板倾斜，在工程中应引起重视。

由图10可知，浸水前，泥质砂岩地基沉降变形很小，浸水后地基沉降变形明显增大，但其增加幅度小于基床底层。此外，浸水后地基不同位置的沉降变形变化不同，其中，S3、S4处受施加荷载影响较大沉降变形为0.11 mm，S5位置离加载点较远基本不受施加荷载影响，该位置的变形基本为0。

2.3.2 循环加卸载作用下轨道板中线处变形规律

图11为浸水前后轨道板中线处变形。由图11可知，浸水前轨道板上中线处的变形加卸载曲线具有较好的重合度，表明路基土体具有较好的回弹性能。6次加卸载循环后，对应的残余变形为0.018 mm。浸水后，在首次加载过程中，轨道板中线位置产生了较大沉降变形，且在后续加卸载过程中，其变形曲线形成了明显的“滞回圈”。6次加卸载循环后的残余变形为0.264 mm，明显大于浸水前对应的残余变形。可见，浸水环境会导致路基状态恶化，而膨胀性路基可能会面临更多的不利情况，需要根据路基特点在工程中采取相应的措施加以控制。

图11 循环加卸载作用下轨道板中线处变形

3 结论

(1)上覆施加荷载作用下，路基内土压力沿横向分布存在不均匀性，浸水使得膨胀性地基发生膨胀变形，整个路基受力、变形状态产生改变，导致路基内土压力增大，土压力横向分布不均匀性增大。随着路基深度的增加，土压力横向分布不均匀性逐渐降低。

(2)浸水后路基内土压力沿深度衰减速率减小。在基床底层底面处，浸水前后土压力衰减量分别为82.1%～87.5%、42.9%～65.7%。浸水环境下膨胀土路基面临更不利的力学状态。

(3)浸水后路基不同结构层均产生更大的沉降变形，且路基沉降变形沿横向分布呈现不均匀性，使得轨道板存在发生倾斜的隐患。浸水前路基土体具有较好的回弹性能，浸水后轨道板中线处的变形曲线呈现明显的“滞回圈”特点，且该位置的残余变形为0.264 mm，明显大于其浸水前的残余变形。