降雨与自然状态下膨胀土基床的振动特性

杨果林, 段君义, 杨 啸, 徐亚斌

(中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075)



降雨与自然状态下膨胀土基床的振动特性

杨果林, 段君义, 杨 啸, 徐亚斌

(中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075)

为研究铺设复合防排水板的膨胀土路堑基床的振动特性,结合云桂铁路建设工程,进行现场激振试验,对基床在自然状态、模拟降雨环境下各进行100万次激振,测试基床动应力、振动速度、振动加速度、路基沉降以及湿度的变化规律.结果表明：基床动应力、振动速度、振动加速度在激振初期随激振次数的波动性较大,且在基床表层范围内的横向分布不均匀性较明显；服役环境对动应力、沉降大小具有显著影响,但对动力响应沿基床深度的衰减规律影响不大；复合防排水板具有一定的防排水能力,且对基床内振动速度的分布具有一定的影响；路基顶面沉降量在自然状态下约为3 mm,在模拟降雨下约为8 mm；地基面沉降量可以忽略不计,路基沉降主要由基床沉降引起.

膨胀土；路堑基床；原位激振试验；服役环境；振动特性；沉降变形

随着高速铁路的大力发展,列车运行速度的提高将加剧线路和列车的振动,增加路基所承受的动荷载与振动频率,使得铁路路基动力问题更加突出,加快了路基的累积变形和疲劳破坏[1-4],从而使得高速铁路对铁路路基提出了更高的要求[5].为此,许多学者与单位针对高速铁路路基动力响应展开了大量研究[6],如：理论分析[7-8]、数值模拟[5,9-10]、现场测试[11-13]以及模型试验[14-16]等.

膨胀土是一种具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土,广泛分布于世界各地,其变形与破坏具有反复性、多发性以及长期潜在性等特征,房屋建筑、地下管道、边坡、铁(公)路路基及其他工程结构物经常遭受膨胀土破坏,造成巨大的经济损失[17-19].高速铁路的大力发展推动着铁路网络逐渐完善、密集,经过膨胀土地区的铁路越来越多.研究表明,水是引起膨胀土地区铁路基床病害的重要因素,其来源主要包括地表水、降雨、地下水以及由于气候变化而引起的地基土内湿度重分布[20-23].可见,对于膨胀土路基,若处治不当,容易引起大量基床病害[24].常见的处治方法有设置复合土工(布)膜[24-25]、复合防排水板[26]以及半刚性防水层[15-16]等.

明确基床防排水处治后的铁路路基动力响应特性是膨胀土地区铁路路基安全、稳定的前提保证.汤康民[27]以南昆线为背景,通过激振模型试验研究路基基床动力特性,指出路堑中动应力的影响深度大于路堤,干湿循环后路基动应力场向基床的横向宽度方向和深度扩展.杨永平等[12]通过合-宁客运专线膨胀土地段的现场激振试验,分析了不同高度路堤在模拟列车荷载作用下的弹、塑性变形以及动应力的传递扩散规律,得出路堤厚度不同会造成路基的综合动刚度不同.郑大为等[13]通过现场动力试验,分析了膨胀土地段不同匹配刚度路堤在模拟动荷载作用下的工程特性,研究结果表明塑性变形主要由级配碎石产生,改良土基本没有塑性变形.笔者[14-16]通过室内模型试验研究了3种服役环境对铺设半刚性防水层的膨胀土基床振动特性的影响,发现基床的振动加速度和速度受服役环境影响较大,并指出防水结构层对基床动力特性有影响.由上可知,基床结构形式变化、服役环境不同对列车走行性能及路基动力特性均具有显著影响[9,14-15].因此,针对不同基床结构形式在不同服役环境下的路基动力特性进行深入研究十分有意义.

云桂铁路是一条连接昆明与南宁的高速铁路,云南、广西均存在着大量的膨胀土,该线路无法完全避开膨胀土地区.基于上述考虑,本文以该工程为依托背景,选取典型路堑基床为试验断面,通过在基床中设置复合防排水板进行防排水处治,对基床在不同服役环境下(自然状态和模拟降雨状态)进行各100万次现场激振试验,研究膨胀土路堑基床振动特性及路基变形规律.

1 工程概况与试验方案

1.1 试验段工程地质

该线路地处亚热带湿润季风气候区,其降雨和蒸发量较大,表现出明显的季节性干湿循环特征.测区内地表水的主要来源为大气降雨,地下水主要是第四系孔隙水,孔隙水主要分布在覆盖层内,局部含粗粒土,构成孔隙水的良好存储层；偶尔可见地下水露头,但流量较小.地下水由大气降水和沟水补给.取地表水与地下水分析可知,水质属HCO3--Ca2+型,对复合防排水板、填料均不构成侵蚀环境.

1.2 试验段填筑介绍

本次试验段DK161+920为路堑式路堤断面,基床表层厚度为0.65 m,分成3层；采用级配碎石填筑,基床底层厚度为1.5 m,分成5层；采用A、B组填料进行换填,填料按照规范要求进行分层碾压.填筑压实具体情况如表1所示,表中K为压实系数,K30为地基系数,Evd为动态变形模量.在基床表层与基床底层交界面处全断面铺设一层复合防排水板,并在复合防排水板的上、下两侧铺设5 cm厚中粗砂,防止基床填料对复合防排水板的损坏.复合防排水板按照4%的横向排水坡度设置,使由路基面下渗的水分排入路堤坡脚排水沟,并阻止水分进一步下渗至基床底层,对路基基床底层起到保护作用.其中,复合排水板由3层不同材料复合而成.第一层是柔软的无纺布作为缓冲层,主要起防护、过滤作用；第二层是具有一定强度和排水功能的三维土工网芯,使基床背向水迅速排向排水沟,减轻对防水板的压力,此外,其在基床中具有加筋作用,能够均化分布土体中的应力,增大土体模量,提高土体稳定性和承载力；第三层是达到一定性能要求的复合土工膜,其作用是防止水浸入,达到最终防水目的.

表1 基床填料压实检验结果

1.3 试验方案设计

1.3.1 试验元器件布设 为检验路基各部分的工作状态,测试在模拟列车荷载作用下路基的动力特性、沉降变形规律以及复合防排水板效果.根据观测内容要求,在路基内分别埋设了动土压力盒、加速度计、速度计、土壤湿度计、沉降板及布置了累计变形监测点,具体布置如图1所示,各元器件参数如表2所示.

表2 激振试验所选监测元器件的类型及参数

Tab.2 Types and parameters of monitoring instruments for vibration test

测试内容元器件类型及参数数量动应力HC-D1011型动土压力盒,量程0.1MPa,分辨率0.0001MPa,灵敏系数2.012振动速度CS-YD002M型速度计,量程25mm/s,频率范围4～2000Hz12振动加速度CA-YD189型加速度计,量程50m/s2,频率范围4～1000Hz12湿度FDS-100型土壤湿度计,量程100%,精度为±3%5地基面沉降沉降板1

图1 基床中监测元器件布置图Fig.1 Arrangement of monitoring instruments insubgrade

1.3.2 加载方式及实现 在填筑好的路基表面上,利用高速铁路路基原位动力试验系统(DTS-1)进行基床激振.该激振设备主要组成包括激振器、振动架、传动系统、循环冷却系统及电气控制系统,激振频率范围为5～50 Hz,通过偏心块组合实现偏心力. 通过调整混凝土配重块重量和激振频率等,模拟在列车荷载作用下路基面动应力的等效应力,进行激振试验. 本试验中加载参数按照云桂铁路远期设计时速250 km/h[28]计算得出,加载频率为20 Hz,总配重为289 kN,激振力为84 kN,加载范围为1.9 m×2.0 m.其中,以列车轮轴产生的路基面最大动应力为波峰值,以转向架2个轮轴之间产生的路基面最小动应力为波谷值[29-30],模拟列车转向架两对轮对通过时的路基面的动应力. 路基面动应力加载模型如图2所示. 图中，σd为路基面加载最大动应力,σj为路基面加载最小动应力,Δσ为附加动应力.

图2 路基面动应力加载模型Fig.2 Loading model of dynamic stress of subgradesurface

图3 模拟降雨现场激振试验Fig.3 In-situ vibration test under simulated rainfall

1.3.3 试验过程 通过现场激振试验(如图3所示),模拟自然状态和降雨条件2种试验工况,对采用复合防排水板防水的基床结构形式(0.7 m基床表层+复合防排水板+1.5 m基床底层) 分别激振100万次. 首先,对自然状态下路基进行100万次激振,激振完成后,在激振试验断面四周设置3 m×3 m挡水围堰,按照特大暴雨(即24 h内降雨量不小于250 mm),采用洒水车向围堰内洒水模拟降雨,激振时间约14 h,模拟降雨期间始终保持路基表面有水覆盖.

1.3.4 试验数据采集 动应力采用德国IMC数据采集系统,振动速度及振动加速度采用INV385、INV387型采集处理分析仪. 其中,对2种不同模拟环境分别对应的前10万次激振期间,每隔0.5万次采集一次,之后每5万次激振采集一次,并将所采集时程曲线转换为对应激振次数的动力响应有效值,以分析基床动力响应随激振次数的变化规律.

2 试验结果与分析

2.1 动应力分析

图4 轨道中线处动应力与激振次数的关系曲线Fig.4 Curves of dynamic stress of track middle line with vibration number

动应力的大小反映了列车荷载对基床内土体的动力作用程度,与动荷载的传递机制有关.如图4所示为轨道中线处不同深度的动应力(σd)随激振次数(N)的变化关系. 由图4可知，相比于其他深度处,基床表层表面的动应力随激振次数的波动性较大,且变化幅度较大；基床表层以下动应力随激振次数的变化相对较平稳.在激振50万次左右时,动应力有较明显变化,这可能是在激振40万次时对配重块与路基面的接触进行了调整的缘故.在相同激振次数下,动应力沿路基深度逐渐衰减,动应力衰减主要在基床范围内,在基床表层内衰减较迅速,自然状态时基床表层内动应力衰减率约为30.43%,降雨工况时动应力衰减率约为30.12%,在路基深度2.7 m处的动应力衰减率均在60%以上.相比于自然状态,降雨工况下不同深度的动应力均显著增大[16].这是由于降雨使基床表层内填料浸水,其有效内摩擦角变小,应力扩散角减小所引起.

图5 横向分布的动应力与激振次数的关系曲线Fig.5 Relation curves of dynamic stress on cross-section with vibration number

如图5所示为沿基床横向分布的动应力与激振次数的关系曲线. 由图5可知，在激振初期,动应力波动较大,随着激振次数的增加,动应力在60万次之后趋于稳定.原因是激振初期,激振仪器下方混凝土底座与基床表层级配碎石的接触不平整,并且基床表层级配碎石填筑压实度存在不均匀性,使得基床表层刚度存在差异；但随着激振时间的增加,激振器下混凝土块与接触土体、基床表层级配碎石不断地相互调整与耦合,最终趋于密实,达到稳定状态.在降雨条件下的激振初期,动应力波动也较大,在大约40万次之后趋于稳定.复合防排水板上方的动应力最大值在自然状态、降雨条件下分别为28.5、39.0 kPa,基床底层底面处的动应力最大值分别为15.86、24.9 kPa.相比于基床底层底面处,复合防排水板上方动应力的横向分布不均匀性更明显,即基床表层范围内的动应力分布不均匀程度更高,更容易导致路基的不均匀沉降,故要特别注意对基床表层内级配碎石的填筑压实.激振荷载引起的动应力主要影响区域在轨道中线侧1.76 m范围内,此范围以外的动应力相对较小. 此外,降雨使得应力扩散角减小及基床表层内超孔隙水压力显著,导致降雨之后轨道中线侧一定范围以外动应力略微减小.

2.2 振动速度分析

图6 轨道中线处振动速度与激振次数的关系曲线Fig.6 Relation curves of vibration velocity of track middle line with vibration number

振动速度是分析路基动力特性的重要参数之一,如图6所示为轨道中线处不同深度的振动速度(vd)随激振次数(N)的变化关系. 由图6可知：在自然状态下,基床表层表面与复合防排水板上方处的稳态阶段振动速度分别为20.83、20.39 mm/s,对应的降雨工况下振动速度分别为19.54、18.76 mm/s.复合防排水板上方的振动速度略小于基床表层表面,原因是振动波沿深度传播时虽然会因土体阻尼及能量扩散而衰减,但由于在基床表层与基床底层接触面处设置了一层复合防排水板,振动波遇到复合防排水板会发生复杂的反射、折射等现象,使得振动波的能量在基床表层范围内发生叠加,导致基床表层内振动速度衰减较小.在自然状态下激振完100万次后,降雨对振动速度影响不明显,只略小于自然状态下振动速度.此外,相比于其他深度处,振动速度在基床底层范围内衰减速率均明显较大.

如图7所示为沿基床横向分布的振动速度与激振次数的关系曲线.由图7可知，在激振初期,振动速度随激振次数变化不稳定,在激振50万次时,基床内级配碎石、填料逐渐被压实,激振器与其下方填料充分接触,轨道中线侧2.26 m范围内振动速度发生明显增大；当激振60万次后,振动速度随激振次数的变化趋于稳定.在复合防排水板上方,振动速度横向分布以轨道中线处最大,在基床底层底面处,振动速度横向分布以轨道中线侧0.76 m处最大,可见,振动速度在基床内不同位置处的衰减速率不同.此外,比较不同深度可知,复合防排水板上方的振动速度横向分布不均匀性更明显.

图7 横向分布的振动速度与激振次数关系Fig.7 Relation curves of velocity on cross-section with vibration number

2.3 振动加速度分析

图8 轨道中线处振动加速度与激振次数的关系曲线Fig.8 Relation curves of vibration acceleration of track middle line with vibration number

振动加速度的大小是判断振动荷载对路基结构破坏程度的重要指标.如图8所示为轨道中线处不同深度的振动加速度(ad)随激振次数(N)的变化关系.由图8可知，在基床表层范围内,振动加速度随激振次数的波动性较明显.自然状态下,基床表层表面与复合防排水板上方的稳态阶段振动加速度分别为9.14、7.23 m/s2,对应的降雨工况下振动加速度分别为9.56、7.17 m/s2.可见,2种服役环境下振动加速度变化不大,基床表层范围内振动加速度衰减率较小,均小于25%.基床底层底面下0.5 m处振动加速度均小于1.50 m/s2.说明振动加速度的衰减在基床范围内基本完成,基床厚度设计较合理.

如图9所示为沿基床横向分布的振动加速度与激振次数的关系曲线. 由图9可知，与振动速度随激振次数变化规律类似,在激振初期,振动加速度随激振次数的波动性较大,在激振50万次时,轨道中线侧0.76 m范围内振动速度发生显著增大,约在激振60万次后,振动加速度值趋于稳定. 降雨对振动加速度的影响较小.在基床表层范围内,振动加速度的横向分布最大值出现在轨道中线或轨道中线侧0.76 m处.此外,比较不同深度可知,基床表层范围内振动加速度横向分布不均匀性更大.

图9 横向分布的振动加速度与激振次数关系Fig.9 Relation curves of acceleration on cross-section with vibration number

2.4 路基沉降变形规律

路基沉降变形主要是通过监测路基顶面沉降和地基面沉降来实现.沉降监测采用水准仪在激振设备休息期间观测.路基顶面沉降、地基面沉降监测结果分别如图10、11所示(注：沉降以向下为正).

图10 路基顶面沉降与激振次数关系曲线Fig.10 Relation curves between settlement of subgrade surface and vibration number

如图10所示为路基顶面沉降(Ss)随激振次数(N)的变化曲线.由图10可知，自然状态下,在激振初期,路基顶面沉降速率较大,在激振30万次之后,路基顶面沉降变化逐渐变缓,当激振次数达到50万次时,路基顶面沉降基本保持稳定,沉降量约为3 mm.在模拟降雨期间,路基顶面沉降量显著增加,为分析出现此现象的原因,试验人员暂停激振试验,通过对路肩下复合防排水板渗流情况进行仔细检查,发现路肩部位的防排水板下方砂垫层为水润状,说明有部分水通过复合防排水板之间的搭接缝渗入到换填层上部填料,导致换填层上部填料浸水软化变形、颗粒滑移调整,加上降雨时基床动应力增大,从而引起路基顶面沉降量增加.当累积激振次数达到180万次时,路基顶面沉降才趋于稳定,最终路基顶面沉降量约为8 mm.

图11 地基面沉降与激振次数关系曲线Fig.11 Curves between settlement of foundation and vibration number

如图11所示为地基面沉降(Sf)随激振次数(N)的变化曲线.由图11可知，自然状态下,在激振初期(0～10万次),基床填料被压密实,地基面沉降变形明显增大.随着激振次数的增加,地基面沉降量呈波动变化,波动区间为0.091～0.191 mm.模拟降雨后,地基面沉降基本保持稳定,仅发生小幅度波动现象.可见,降雨对地基面沉降基本无影响,说明在模拟降雨期间,水没有渗入到基床以下的膨胀土地基中.这是由于复合防排水板隔绝了水从路基表面往膨胀土地基渗入的路径,且通过搭接缝渗漏的雨水只扩散到换填层上部填料.地基面沉降曲线的波动性可能是由水准仪观测过程中读数尾数估读和仪器本身存在的误差引起.

由于所测试路基断面的膨胀土地基承载力较高,地质条件较好,且附加应力小等原因,整个激振过程中,地基面沉降量小于0.2 mm.可见,与路基顶面沉降相比,地基面沉降量可以忽略不计,路基沉降主要由路基顶面沉降引起,路基顶面沉降是指基床部分的沉降变形,即路基沉降主要由基床结构沉降引起,而基床是由规定的级配碎石和填料按照相应的施工要求进行填筑,故可以通过合理设计优化基床填料、组织安排施工来减少路基面沉降,以保证铁路路基的稳定性.

2.5 复合防排水板的效果检验

本试验段中,复合防排水板、排水沟及盲沟共同构成路基防排水系统.为检验复合防排水板的防排水效果,在路基内布置了一系列的湿度计,具体布置如图2所示.由于现场激振试验浸水时间约20 h,远远小于广西、云南地区雨季的持续降雨时间,在云桂铁路沿线进入雨季后,通过复合防排水板搭接缝进入换填层的雨量会持续增加,加上地下水位的上升,浸水软化的换填层厚度可能随之增加,在长期反复列车荷载作用下,线路的平顺性不可避免地会受到影响.为了更好地反映实际情况,在模拟自然状态与降雨工况之后,对试验断面处于雨季时也进行了观测.如图12所示为不同服役环境下轨道中线处的基床湿度w沿深度h的变化曲线(注：湿度计精度为±3%).

图12 基床湿度与深度的关系曲线Fig.12 Relation curves between subgrade humidity and depth

由图12可知，模拟降雨对基床较浅处的湿度有显著影响,而对基床较深处的湿度基本没有影响；说明复合排水板具有比较好的防排水能力；强雨季过后,基床较浅与较深处的湿度均趋于100%,而基床中部位置的湿度相对较小.主要原因是：在强雨季的影响下,基床中地下水位上升而引起基床底部土体达到饱和,路基面上的雨水下渗使得基床较浅范围内(复合排水板上方)土体也趋近饱和,然而由于复合排水板具有一定的防排水作用,使得复合排水板与地下水位之间的范围内湿度相比其他深度处小.但比较强雨季前、后的湿度可知,在不同深度处,强雨季后的湿度均明显增大.为了更好地优化基床防排水系统,需从两方面来解决：第一,解决复合防排水板的搭接问题,合理设计搭接缝,杜绝水分从搭接缝下渗问题；第二,解决强雨季地下水上升对膨胀土地基湿胀变形问题,通过调查铁路沿线的常年地下水位变化范围,合理设计防水侧壁及盲沟的深度、排水截面面积,使得路基范围内的地下水位保持在稳定状态.

4 结 论

(1) 动应力、振动速度及振动加速度在激振初期的波动性较大,在基床表层范围内的横向分布不均匀性更明显.相比于自然状态,降雨工况下不同深度的动应力均显著增大.

(2)振动速度在基床表层内衰减不明显；在复合防排水板上方,振动速度横向分布以轨道中线处最大,在基床底层底面处,振动速度横向分布以轨道中线侧0.76m处最大；2种服役环境对振动速度、振动加速度影响不明显.

(3)自然状态下,路基顶面沉降速率在激振初期较大,稳定沉降量约为3 mm；在模拟降雨期间,路基顶面沉降量显著增加,稳定沉降量约为8 mm；地基面沉降量在激振期间小于0.2 mm,路基沉降主要由基床沉降引起.

(4)复合防排水板对基床振动速度分布具有一定的影响,且具有一定的防排水能力,但在长时间强降雨情况下基床不同深度处湿度均明显增大.为了优化基床防排水系统,需要合理设计复合防排水板的搭接缝,并结合防水侧壁及盲沟设计优化基床防排水系统.

本试验也存在一定的不足,如：输出荷载偏差值、动态孔压、降雨时基床浸润范围未能测定等,这是后续研究中应该重视的方面.

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Vibration characteristics of subgrade in expansive soil area under simulated rainfall and natural conditions

YANG Guo-lin, DUAN Jun-yi, YANG Xiao, XU Ya-bin

(SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

In-situ dynamic tests were carried out on the cutting subgrade with excitation of 1 million times, respectively, under service environments of natural state and simulated rainfall to study the vibration characteristics of cutting subgrade of expansive soil by using composite drainable waterproof plate along Yun-Gui high-speed railway. The dynamic stress of subgrade, velocity, acceleration, settlement and soil humidity were monitored. Results show that the values of dynamic characteristic parameters (dynamic stress, velocity and acceleration) have larger volatility at the beginning of the excitation and obvious inhomogeneity of the lateral distribution in the surface layer of subgrade. The influence of service environments on dynamic stress and settlement of cutting subgrade is significant, which is not so obvious on the attenuation law of the dynamic characteristic parameters with depth. Composite drainable waterproof plate has waterproofing and drainage capacity, and also some influence on the distribution of vibration velocity of subgrade. The settlement of subgrade surface is about 3 mm under natural state and 8 mm after simulated rainfall. The settlement of foundation is negligible, consequently, and the embankment settlement is mainly caused by subgrade.

expansive soil; cutting subgrade; in-situ vibration test; service environment; vibration characteristics; settlement deformation

2015-11-04.

国家自然科学基金资助项目(51278499, 51478484)；铁道部科技研究开发计划课题资助项目(2010G016-B)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016zzts401).

杨果林(1963—)，男，教授,博导，从事岩土工程、道路与铁道工程和结构工程研究. ORCID：0000-0003-2686-6550. E-mail:guoling@csu.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.011

TU 443

A

1008-973X(2016)12-2319-09