动-静组合荷载作用下砂-粉土混合料水分迁移试验研究

2019-11-20张升高峰

中国铁路 2019年11期

张升，高峰

（1. 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南长沙 410075；2. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

1 概述

铁路是国家运输体系的重要组成部分，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。路基作为支撑轨道上部结构和列车荷载的基础，由于频繁经受列车荷载、降雨融雪、地下水位和温度变化等复杂环境耦合效应的影响，路基含水量大小及分布也发生变化，为进一步造成路基发生不均匀沉降、冻胀、翻浆冒泥等病害提供了条件[1-3]。特别是在铁路路基翻浆冒泥形成过程中，路基土中的细颗粒在水-力耦合作用下形成泥浆并迁移进入上部道砟层，逐步降低道床的排水能力，增大其压缩性，对列车的安全运行构成严重威胁[4]。

近年来，通过试验和数值模拟等方法对路基翻浆冒泥开展了广泛研究。周锡九[5]综合分析了土质条件、荷载条件、水的作用及气温等因素对基床病害产生与发展的影响。何华武等[6-7]通过路基病害调研总结得出翻浆冒泥是其主要病害形式之一，并建立路基翻浆冒泥的快速识别方法。蔡德钩等[8]利用有限元模型分析了地下水位变化对路基土宏观力学及工程特性的影响规律。张升等[9]通过试验表明动-静组合荷载作用下饱和砂-粉土试样内轴向形成逐渐增强的孔隙水压力梯度，在该势能梯度作用下孔隙水产生流动并携裹细颗粒发生相变迁移。Sheng 等[10-11]提出在列车动荷载作用下，非饱和路基土内可能存在某种“抽吸”作用，该“抽吸”作用将有效促使孔隙水发生迁移并继而诱发多种铁路病害。Schulz-Poblete 等[12]通过开展不同饱和度下的路基土动荷载试验，分析动荷载强度、频率等对路基土变形发展的影响规律和轴向基质吸力的演化趋势。

鉴于我国重载铁路、高速铁路等已具有相当规模，既有营运线路的养护维修应是今后重点关注与研究的方向。循环荷载作用下土中孔隙水的迁移研究将为认识路基翻浆冒泥的发生机理和从根本上建立路基翻浆冒泥病害防治配套技术提供理论支撑。通过研制一套路基翻浆冒泥物理模型试验系统，开展循环动-静组合荷载作用下非饱和砂-粉土混合料水分迁移试验研究，分析动-静组合荷载作用下砂-粉土试样的水动力特性和水分迁移规律，并结合在非饱和段路基中频繁发生的翻浆冒泥、冻胀等病害[13]，从一个新的角度阐述其形成机理。

2 试验系统与材料

2.1 试验系统

试验利用中南大学自主设计的铁路路基翻浆冒泥物理模型试验系统（见图1）。该试验系统由模型箱、轴向加载架、水位控制装置和数据采集装置4 部分组成，实现从试样表面施加动-静组合荷载作用，从试样底部补给水分以模拟地下水赋存条件。同时在模型箱侧壁沿轴向布置多种土壤物理参数测量传感器，实现跟踪采集试样体积含水量、孔隙水压力等水力特性指标发展规律。

图1 试验系统

2.2 试验材料

试验所用砂-粉土混合料采用长沙地区天然粗河砂和粉土配制而成，粗河砂和粉土在混合配制前经过烘干、粉碎和筛分处理。配制的砂-粉土混合料具有良好的孔隙特征，可为孔隙水及细颗粒发生迁移流动提供便利通道。试验材料的基本物理特性指标见表1，颗粒级配曲线见图2。

表1 砂-粉土混合料基本物理特性指标

图2 砂-粉土混合料颗粒级配曲线

3 试验方案与步骤

3.1 试验方案

模型箱内径170 mm、高度500 mm。试样装样高度360 mm，装样干密度为1.75 g/cm3，控制相对密实度Dr为80%。同时，在试样深度为10、85、160、260、360 mm 处布置5 个数据采集层位，各层位包括动土压力盒、土壤水分传感器和孔隙水压力传感器（见图3），试验中采集频率均设置为1 个/min。在整个试验期内，室内温度恒定在（20±2）℃，且试验历时较短，因此在分析水分迁移特性时忽略由室内温度引起的气态水迁移等[14]。

图3 传感器布置示意图

试验荷载为动-静组合荷载。设置循环动荷载频率为5 Hz，平均动强度27.5 kPa，幅值15.0 kPa，较为吻合列车轴重为15～20 t、运行速度100～200 km/h 时在路基表面所施加的荷载强度值[15]。本次试验先施加循环动荷载约30 万次后继续施加等强度静荷载约15 h，保证了试验过程中试样内的孔隙水压力在累积及消散发展中均可达到临界稳定。本次试验共进行了连续5 次动-静组合荷载作用。

3.2 试验步骤

试验主要步骤如下：

（1）装样：采用体积-质量控制法将烘干后的砂-粉土混合料均匀装填到模型箱内，分层压实并控制装填高度。同时，在装样过程中预埋所需的传感器探头。

（2）补水：装样结束后，将模型箱固定在试验系统内，打开模型箱底部的进水阀门为试样进行补水。试验设计试样内水头高度为160 mm，水从下部逐步浸湿试样，其轴向体积含水量也逐渐增大，当试样内轴向各采集层位的体积含水量和孔隙水压力指标趋于稳定后，结束补水（见图4）。

（3）加载：补水结束后启动试验系统的轴向加载装置，从试样表面开始施加轴向动-静组合荷载作用，实时记录试样加载过程中的轴向变形、体积含水量及孔隙水压力变化。

图4 补水结束后的砂-粉土混合料试样

4 试验结果分析与讨论

4.1 应力分布

加载过程中试样轴向相对深度与总应力分布关系见图5，试样相对深度的计算如下：

式中：z为试样内5 个采集层位的埋置深度，m；r为圆形刚性加载板半径，取值0.08 m。

图5 试样轴向相对深度与总应力分布关系

从图5 可以看到，在试样表面施加动-静组合荷载作用，总应力随试样相对深度的增加总体呈指数衰减趋势，并当试样深度增大到一定值后，试样内的应力分布逐渐趋于稳定不变。因此，对于较为靠近试样表面的浅部区域（h=0～2.0）范围内，荷载的影响较为强烈，围绕该深度范围内试样的动水-力特性进行分析讨论。

4.2 含水量变化

试验中试样含水量空间分布共经历了补水和加载2 个发展阶段。补水过程中，在外部稳定水头和毛细力的共同作用下，试样内水分迁移最终达到平衡状态，即各采集层位测量到的含水量指标稳定不变。施加荷载后，孔隙水在外部荷载作用下再次开始迁移流动（见图6）。可以看出，水位线以上的非饱和区内，历经5 次动-静组合荷载作用后试样含水量呈明显增长趋势，而水位线以下的饱和区内，试样含水量总体稳定不变。试验结果表明，在动-静组合荷载作用下，试样内原有含水量分布平衡状态被打破，孔隙水开始沿试样发生向上的迁移运动，促使试样上部非饱和区内含水量的逐步增长。

在上述试验分析的基础上，研究动-静组合荷载作用影响水分迁移的宏观特性及内在机理。连续5 次动-静组合荷载作用下试样第1 至第4 层位的含水量发展曲线见图7。定义试样含水量增长率计算如下：

式中：θwi为第i次循环动荷载作用下试样含水量增长率，%；wci和wmi分别是第i次循环动荷载作用始、末位置的含水量大小；i为动-静组合荷载作用次数，试验中i=1，2，…，5。

图7 含水量增长率与试验加载循环次数关系

试验结果表明，动荷载作用诱导孔隙水发生竖直向上的迁移流动，特别是在经历第1 组30 万次动荷载作用后，试样第1 层和第2 层位的含水量增长率分别达到近15%和5%，而随着动-静组合荷载循环次数的增加，经历相同作用次数动荷载作用下试样浅层区（h=0.13）的含水量增长率快速衰减。同时，由图7 中也可以看出，荷载对水分迁移的影响并非无限制，当试样经历足够多次的动荷载循环作用后，各层位的含水量增长率总体趋于零，这表明继续施加荷载将很难再促使孔隙水迁移流动，试样的含水量大小及分布再次趋于极限平衡。

4.3 孔隙水压力发展

以上分析获得了在表面施加动-静组合荷载作用下试样含水量的时空演化宏观特性。对于长期经受列车动荷载及轨道结构静荷载反复作用的路基土而言，将可能同样诱导路基土中的孔隙水发生类似的迁移流动，并进一步演变形成冻胀、翻浆冒泥等病害。盛岱超等[13]指出列车动荷载作用下路基中存在某种“抽吸”作用，从而促使孔隙水发生迁移、集聚，进而软化路基土并形成多种铁路病害，但这种“抽吸”作用的定义、由来、形成等机理尚未明确。猜想在动-静组合荷载交替作用下，试样轴向局部孔隙水压力在历经反复累积和消散过程后，其残余孔隙水压力形成轴向孔隙水压力梯度，在该势能梯度作用下推动孔隙水发生迁移流动。

5 次动-静组合荷载作用下试样轴向各层位孔隙水压力与时间关系见图8。结合试样含水量分布与相对深度的关系可以看出，试样第1 层位（h=0.13）在整个试验过程中的含水量始终较小，因此试验并未采集到孔隙水压力变化。而试样下部各层位，孔隙水压力均经历了动荷载作用下的累积和静荷载作用下的消散过程，同时，沿着试样相对深度的增长，孔隙水压力在累积量和消散量上呈现出显著的不一致性。试样内轴向孔隙水压力梯度逐渐形成（见图9）。

图8 试样上部4 个层位孔隙水压力与时间关系

图9 试样轴向孔隙水压力梯度发展与时间关系

试样轴向孔隙水压力梯度计算如下：

式中：grad（u）αβ为试样轴向α、β两点间的孔隙水压力梯度，kN/m3；uα、uβ分别为试样在α、β两点的孔隙水压力，Pa；zαβ为试样α、β两点间的距离，m。

从式（3）可以看出，若试样轴向α、β两点间的孔隙水压力梯度为正值，则表明α点的孔隙水压力大于β点，则孔隙水将沿着孔隙水压力梯度减小的方向从α点向β点处迁移流动，同时孔隙水压力梯度越大越有利于促使孔隙水迁移，反之亦然。图9 中轴向孔隙水压力梯度均是取相邻层位的上层位减下层位孔隙水压力值计算获得，因此孔隙水压力梯度负值越大表明对孔隙水向上的“抽吸”作用越强烈。

从图9 还可以看出，试样相对深度较浅的第1、2 层位间（h=0.13～1.06）和第2、3 层位间（h=1.06～2.00）的轴向孔隙水压力梯度随动-静组合荷载作用次数增加的总体波动幅值逐渐加剧，这将形成有利于孔隙水迁移的“抽吸”作用。同时，试样第3、4 层位间（h=2.00～3.25）孔隙水压力梯度随着动-静组合荷载作用次数的增加而不断增加，促使水分源源不断从试样下部饱和区发生向上的迁移流动，形成水源补给通道，逐渐提高上部非饱和区内试样的含水量。上述试验验证了荷载作用下路基土中的“抽吸”作用本质及形成机理猜想的正确性。

4.4 讨论

目前普遍认为铁路路基特别是高铁路基中的翻浆冒泥是由于降雨渗透并聚集在路基浅层，再由列车的动荷载诱发导致产生类似的“液化”现象。因此，采用的工程措施主要是对路基表面进行封闭防水。通过试验得出，在路基土一定深度范围内，在列车间歇动荷载作用下，沿路基土竖直方向形成孔隙水压力梯度，该孔隙水压力梯度诱发孔隙水产生源源不断地迁移流动，配合特定的路基填料级配，就有可能通过该“抽吸”作用最终形成翻浆冒泥。而现有工程措施主要对路基表面进行封闭，防止水分从表面补给，虽在一定时间内防止了“泥”从路基内冒出，但并不能阻止路基内部泥水混合物的迁移，甚至在某种程度下可能加大翻浆冒泥的影响范围和深度。