膨胀土地区复合防排水板基床动力特性现场试验

段君义， 杨 啸， 杨果林， 徐亚斌

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

膨胀土是一种富含膨胀性物质的特殊土，广泛地分布于世界各地[1-5]。该土具有吸水膨胀、失水收缩的特性，容易使得膨胀土地区的铁路、公路路基等产生各种病害[6-7]，造成巨大的经济损失。随着高速铁路建设的快速发展，列车的高速运行加剧了铁路基床的动力效应，使得膨胀土地区基床问题非常突出，如基床鼓胀、不均匀沉降、翻浆冒泥等病害，严重影响了线路的安全运行。可见，对基床的动力特性进行研究有着重要意义。

国内外学者对非膨胀土地区铁路基床动力特性进行了大量的研究[8-11]，而对膨胀土地区基床动力特性的研究相对较少，郑大为等[12]通过现场试验对膨胀土地区不同刚度路堤的振动特性进行了研究，认为路堤塑性变形主要由级配碎石产生，改良土基本没有塑性变形；杨永平等[13]通过现场试验分析了高路堤和低路堤在模拟列车动荷载作用下的动力特性，指出降雨对基床动刚度具有显著影响；王亮亮等[14]在膨胀土地区路堑基床中设置全封闭防水层，并通过现场激振试验研究全封闭基床动力特性，研究表明干燥与浸水2种环境中基床的动力特性分布规律不同。大量的理论和试验研究[15-18]结果显示，水是造成膨胀土地区铁路基床病害的重要因素，包括降雨、地表水、地下水以及因气候而引起的地基土中湿度重分布。由此可见，基床防排水处治是膨胀土地区铁路路基设计的重点。

目前，我国铁路上常用的基床防排水措施有铺设复合土工膜或者复合防排水板等。这些措施不仅能够改善基床的防排水情况，减少基床病害，而且还能够提高基床刚度，在一定程度上优化基床动力特性。但受到车速、现场条件及资源等方面的限制，对膨胀土基床防排水处治情况下的基床动力特性实测研究不多[19]。因此，非常有必要对其进行深入研究。现场试验可以避免室内模型试验的不足，能够真实反映膨胀土基床的动力特性。故本文依托云桂高速铁路工程，通过在膨胀土地段的铁路路堑基床中设置复合防排水板，改善基床防排水能力，并对该路堑基床进行自然状态和降雨工况下的现场激振试验，研究膨胀土地基复合防排水板基床的动力特性。研究成果对于膨胀土地区的铁路建设有重要的指导作用，也对深入研究膨胀土基床的动力机理具有参考意义。

1 试验工点概况与试验方案设计

选取云桂铁路里程为DK161+920的典型路堑断面开展现场试验。此处的特殊土为膨胀土与膨胀岩，具有弱-中膨胀性，自由膨胀率为23%～42%。测区内地表水主要来自大气降雨，地下水主要为第四系孔隙水，主要由大气降雨与沟水补给。所测试验断面的基床表层厚度为0.7 m，采用级配碎石填筑；基床底层厚度为1.5 m，采用A、B组填料进行换填，填筑要求参考文献[20]；在基床表层与基床底层接触面处铺设复合防排水板，复合防排水板上下方各铺设厚度为5 cm的中粗砂。

复合防排水板(见图1)是由三维土工网芯及其两面都粘有针刺穿孔土工织物组成的具有排水、隔离功能的复合结构体。其中，三维土工网芯包括多条纵向的垂直主肋和2层斜向肋，主肋与斜向肋构成稳定的排水通道且肋起到支撑与保护作用。同时，斜向肋的下方设置一层隔水土工膜。

激振试验采用高速铁路路基原位动力试验系统(DTS-1)模拟列车荷载。该设备激振频率范围为5～50 Hz，最大偏心激振力可达166 kN。根据文献[20]，列车的动轴重、路基面最大动应力、附加动应力按照列车速度250 km/h计算。再根据附加动应力确定混凝土配重块的底面尺寸为1.9 m×2.0 m，高度为0.15 m。考虑设备安装、混凝土配重块的构造钢筋布置等因素，混凝土配重块的顶面尺寸定为2.6 m×2.6 m，高度为0.6 m。激振试验加载参数见表1。激振试验测试元器件见表2，具体布置见图2。试验中先对自然状态下的路基激振100万次，激振结束后，在试验断面周围设置3 m×3 m的挡水围堰，通过采用洒水车向围堰内洒水并保持试验过程中基床表面有水覆盖，模拟降雨工况并对路基再激振100万次，通过对这2种服役环境下的路基各激振100万次，共200万次，研究中-弱膨胀土复合防排水板基床动力响应特性规律。

表1 激振试验加载参数

表2 激振试验测试元器件

2 试验结果与分析

由于在激振初期，各项动力响应指标均处于波动状态，经过一定激振次数后，各项动力响应指标达到稳定状态，因此动应力、振动速度、振动加速度及动位移均在稳定阶段采集。

根据布置在路基中的土壤湿度计，测得2种服役环境下路基中湿度的变化。轨道中线不同深度处土层湿度见表3。可见，模拟降雨主要对基床表层内填料湿度有显著影响。

表3 轨道中线不同深度处土层湿度 %

注：湿度计精度为±3%，即读数在±3%范围内则认为土壤湿度无变化。

2.1 动应力变化规律

路基内的动应力分布是影响铁路路基长期动力稳定性的重要因素。不同服役环境动应力随基床深度衰减曲线见图3。

由图3可知：(1)由于振动能量消耗和填料的阻尼作用，随着深度(若无特别说明，深度均从路基面起算)的增加，基床动应力均逐渐衰减，且衰减的幅度随深度的增加而逐渐减小，自然状态下的动应力呈指数函数衰减，降雨工况下的动应力呈自然对数函数衰减，拟合方程见表4；在基床表层范围内，动应力衰减率变化较大，基床表层底面的衰减率均在30%左右，基床表层是动应力的主要承受部位。(2)与自然状态相比，降雨工况时的动应力较大，说明基床动应力大小与服役环境有关。主要原因是：在降雨条件下，基床表层内填料浸水，使得填料的有效内摩擦角变小，应力扩散角减小，导致基床动应力增大。

表4 动应力与深度关系曲线拟合方程

注：σ(s)为深度s处的轨道中线动应力,kPa；s为距路基面的深度,m。

不同服役环境动应力沿基床横向分布曲线见图4。可知：(1)自然状态与降雨工况下的基床动应力变化规律具有相似性；在同一深度处，轨道中线处的动应力最大，动应力随轨道中线距离的增大而逐渐减小，动应力沿基床横向分布具有明显的不均匀性。(2)自然状态时基床底层表面处轨道中心动应力为28.5 kPa，降雨工况时该处动应力为39.0 kPa；相同位置处，降雨工况时的动应力大于自然状态下的动应力。

2.2 振动速度变化规律

振动速度是路基动力特性分析的重要参数。不同服役环境轨道中线振动速度随基床深度的衰减曲线见图5。可知：(1)自然状态与降雨工况下振动速度沿深度变化规律具有相似性，振动速度随着深度的增加而逐渐衰减；在基床表层范围内，振动速度的衰减不明显，主要原因是振动荷载产生的振动波在传播过程中遇到复合防排水板和不同填料层界面，引起振动波发生复杂的反射、折射现象，导致振动能量叠加，减弱了振动速度的衰减；自然状态时基床表层底部的振动速度衰减率只有1.49%，降雨工况时为1.89%；而在基床底层范围内，振动速度的衰减相对较大，自然状态时深度2.2 m处的振动速度衰减率为58.6%，降雨工况时为63.8%，由此可见，基床底层是振动速度衰减的主要部位。(2)相同深度处，降雨工况时的振动速度小于自然状态时的振动速度，说明振动速度也与服役环境有关。其主要原因是在降雨条件下，水渗入基床表层填料孔隙，对基床表层内填料颗粒的振动起到一定的缓冲、抑制作用，而且由振动产生的剪切波不能在液体中传播，剪切波的能量变小，导致基床表层的振动速度变小，进而使得基床底层的振动速度相应变小。

不同服役环境振动速度沿基床横向分布曲线见图6。可知：(1)自然状态与降雨工况下的振动速度沿基床横向的变化规律具有相似性。同一深度处，振动速度最大值出现在轨道中线处或轨道中线侧0.76 m处，轨道中线侧2.26 m以外各监测点振动速度相对较小且趋于稳定。(2)与基床底层底面相比，基床内的振动速度沿基床横向分布的不均匀性更大。由此可见，在基床施工时需要特别注意基床内填料压实情况，避免引起路基的不均匀沉降。

2.3 振动加速度变化规律

振动加速度分布是分析激振荷载对路基动力特性影响的主要参数之一。不同服役环境轨道中线振动加速度随基床深度衰减曲线见图7。可知：(1)振动加速度沿基床深度大致呈线性变化，同一深度处，降雨工况时的加速度与自然状态时的差别不大，可见服役环境对加速度的影响较小。(2)振动加速度在基床表层内的衰减率仅为20.8%和24.1%，在基床深度2.7 m处的衰减率为84.2%和86.1%，可知在基床深度2.2 m以下，振动加速度变得很小。

不同服役环境振动加速度沿基床横向分布曲线见图8。可知：(1)自然状态与降雨工况下的加速度沿基床横向的变化规律具有相似性。这与文献[21]所测得的结果一致。同一深度处，振动加速度最大值出现在轨道中线处或轨道中线侧0.76 m处，轨道中线侧2.26 m以外各监测点加速度相对较小且趋于稳定；(2)与基床底层底面相比，基床范围内的加速度沿基床横向分布的不均匀性更大。

2.4 动位移分布规律

动位移反映了列车荷载对路基动态作用的强弱程度，因此研究了轨道中线处的路基面动位移沿线路纵向的衰减规律。从激振器中心起，沿线路纵向每隔2 m布置1个动位移计，总共7个。不同服役环境路基面动位移随距振源距离的变化曲线见图9。

由图9可知：路基面动位移随振源距离的增大呈指数函数衰减，拟合方程见表5。在距振源4 m范围内，自然状态下的路基面动位移大于降雨工况；在距振源4 m以外范围，不同服役环境对路基面动位移影响不大。可能原因有：(1)距振源4 m范围内属于模拟降雨的影响范围，而其他监测点在模拟降雨影响范围之外，在降雨影响范围内，基床表层内填料孔隙被水充满，水对路基填料颗粒(级配碎石)的振动起到一定程度的约束作用，导致激振荷载作用下路基面动位移减少；(2)通过开挖对基床中复合防排水板的效果进行了检查并发现，虽然地表水大部分经复合防排水板排出到基床外，但仍有部分水通过复合防排水板之间的搭接缝渗入到基床底层，从而引起基床以下的膨胀土吸水膨胀，产生向上的位移，使得降雨范围内的路基面动位移减小；而在降雨影响范围之外(距振源4 m以外)雨水渗入膨胀土较少，使得路基面动位移受影响较小。

表5 动位移与距离关系曲线拟合方程

注：y为路基面动位移,mm；x为距震源距离,m。

3 结论

(1) 膨胀土地区复合防排水板基床动力特性与其服役环境有关；动应力随深度在自然状态下呈指数函数衰减，在降雨工况下呈自然对数函数衰减，降雨工况下动应力较大；相同深度处，轨道中线处的动应力最大。

(2) 不同服役环境下的振动速度分布规律具有相似性；与降雨工况相比，自然状态下振动速度较大；振动速度衰减的主要范围是基床底层。

(3) 服役环境对振动加速度影响不大，加速度随深度呈线性衰减。2种环境下基床深度2.7 m处的加速度衰减率为84.2%和86.1%；相同深度处，振动速度、振动加速度最大值均在轨道中线处或轨道中线侧0.76 m处。

(4) 与降雨工况相比，自然状态下的路基面动位移较大；路基面动位移随振源距离呈指数函数衰减。

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