客运专线膨胀土路堑新型防水基床结构设计研究

杨果林，段君义，胡 敏，邱明明

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075; 2. 延安大学 建筑工程学院，陕西 延安 716099)

膨胀土是一种因湿度变化而能够产生明显胀缩变形的特殊土[1]，其变形具有长期反复的特点，容易导致铁路线路不平顺、基床病害频发，造成巨大的经济损失[2-4]。加强防排水、控制膨胀土湿度变化是当前治理铁路膨胀土路基病害的主要方法[5]。目前，我国膨胀土地区铁路基床的防排水措施主要是传统的复合土工布(膜)和防排水板[6-8]，但这类柔性防水层在施工中容易产生破损，其长度、宽度有限，存在较多的焊接缝、搭接缝及施工缝，缝隙防水处理困难；此外，供电接触网立柱与防水层之间的接触缝难以密封。在强降雨条件下，雨水可能由这些缝隙下渗至膨胀土地基，引起不均匀膨胀变形[9-10]。因此，防水层的搭接缝、施工缝及接触缝等接缝的防水亦是膨胀土基床防排水处理的重点内容。

然而，防水层能够隔绝雨水下渗，也能阻挡地基土体中水汽的上升路径。研究表明，气候变化引起路基中土体湿度重分布也是引起膨胀土基床病害的重要因素[10-11]。Tang等[12]指出气候变化会引起膨胀土基床反复变形，引发基床病害。Fityus等[13]对铺设柔性防水层的路基进行长期监测发现防水层下方积存了大量水分，膨胀土路基内部产生了鼓胀现象。为减小气候对基床变形的影响，工程中通常对基床底层进行换填或膨胀土改良处理[9,14-15]，但该处理方法能否保障膨胀土基床在复杂服役条件下的长期稳定性还需要深入研究与验证[16]。可见，各类缝隙渗漏点的存在与气候变化均会引起铁路路基中水分的不均匀分布，会导致膨胀土的不均匀变形[3,17]。同时，柔性防水层由于刚度不足将会产生同步变形，甚至出现破损，失去防排水能力，且在防水层上方会形成积水凹槽，进而导致基床发生翻浆冒泥等问题[18]。因此，防水层在保持防水功能的同时需拥有合理的刚度约束路基的不均匀变形。使得防水层发挥防排水效果与铁路路基保持良好的安全稳定性。此外，当基床的结构刚度与形式不同时，基床动力特性会存在差异[19]，而防水层铺设于基床中时也会改变基床动力及传递特征。

基于上述考虑，本文开展了新型防水层复合材料研发和基床防排水系统设计工作，建立了膨胀土路堑新型防水基床结构，并通过室内大型激振模型试验，从基床动力特性和防排水效果两个方面，验证新型防水基床结构在不同服役条件下的适用性。研究成果能够为膨胀土地区铁路路基设计及病害治理提供借鉴。

1 新型防水复合材料试验

1.1 新型防水复合材料基本要求

考虑到路基内水迁移变化会引起基底膨胀土湿度的不均匀分布，进而引起不均匀的胀缩变形，而列车荷载传递至路基中也为非均匀分布特点，亦可能引起路基不均匀变形，若防水层在反复列车动荷载作用下出现疲劳开裂、破损，则水分会从裂缝中下渗至基床中，并形成水囊，在动荷载作用下形成泵击效应，引起防水失效。此外，新型防水复合材料铺设在路基中会受到水的侵蚀作用。故新型防水复合材料不仅应具有良好的防水隔渗性能，还应具有较好的水稳性及小幅度不均匀变形的抵抗协调能力，并能够在列车荷载作用及浸水条件下保持长期动力稳定性，即防水材料应具有中低弹模、高韧性及强抗渗性。为此，利用砂和土为基本骨架，水泥与纤维混合体为增强体，辅以乳化沥青与橡胶改性，通过不同材料组分的配合比设计以研发满足要求的新型防水复合材料。根据以上的6种材料组分，结合新型防水复合材料的室内试验成果，新型防水复合材料的物理力学性能应满足以下要求：①抗压强度qu≥2.5 MPa；②0.7 GPa≤弹性模量E≤1.5 GPa；③抗渗系数ks≤10-10m/s；④软化系数R≥0.85；⑤防水材料应具有搅拌容易、强度增长迅速、施工程序简单及质量波动小等特点。

1.2 浸水条件下新型防水复合材料性能

为验证研制的新型防水复合材料在动荷载与浸水作用下的适应性，根据提出的材料物理力学性能控制指标，养护成型了平行试件，经统计处理其基本物理力学参数均值见表1。

表1 新型防水复合材料物理力学指标

首先，对材料试件(尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体)进行7 d的浸泡处理，然后，通过SPW微机控制气动伺服疲劳试验系统对试件进行疲劳试验，荷载为正弦波形式，应力区间为0.2～1.0 MPa，频率为5 Hz，共200万次，试验结果见图1。由图1可知，随着加载循环次数增加，新型防水复合材料的应力峰值增大，而应力峰值对应的应变降低不显著。加载循环初期，材料的累积变形增长较快，循环100万次时为0.07 mm/m；加载循环次数超过100万次后，累积变形增长缓慢并逐渐趋于稳定值，约为0.08 mm/m。目前，实际铁路基床承受的动荷载幅值远小于该疲劳试验中的加载动力幅值(0.8 MPa)，而疲劳试验后试件材料外观未出现损伤现象。可见，研发的新型防水复合材料的抗疲劳性能较好，能够适用于浸水与实际列车动荷载服役环境。此外，新型防水复合材料施工连续性好，避免了传统防排水材料中存在的较多搭接缝，减少了渗漏点(通道)的出现，且能够保证一定的变形协调能力。

图1 浸水条件下新型防水复合材料疲劳试验结果

2 膨胀土新型防水基床结构设计

2.1 新型防水基床结构简介

合理地设计防排水系统是保障膨胀土地区铁路基床长期服役稳定的基础。然而，膨胀土基床面临的环境包括不同程度的降雨、地表水侵入、地下水上升和反复列车荷载等。因而，新型防水基床结构应起到隔水、阻渗作用，同时需要保持适当的刚度来抵抗、协调基床结构在列车荷载反复作用及基底膨胀土湿度变化情况下可能产生的小幅度差异沉降或隆起变形，保证防排水结构层横向排水坡度和基床结构的稳定，并尽可能地促进基床动力特性更合理。因此，膨胀土地区的新型防水基床结构设计应遵循“强度、防渗、消能和抗变形”原则。

基于上述设计原则，依托云桂铁路膨胀土路堑建设工程，将研发的新型防水复合材料铺设在基床中，对膨胀土路堑基床进行全封闭防水处理。新型防水复合材料和基床结构的结合应协调好每个要素的联系，保证新型防水基床结构发挥“强度、防渗、消能和抗变形”效果。在此基础上，新型防水基床结构设计应考虑环境影响，并控制项目造价，使得新型防水基床结构合理经济[20]。

为此，根据不同的地质情况，设计了4种膨胀土路堑新型防水基床结构，通过在基床底层表面铺设新型防水复合材料，以达到隔渗排水和协调变形的目的,新型防水基床结构如图2所示。

图2 客运专线膨胀土路堑新型基床结构型式(单位：m)

图2(a)为类型1～3，由上至下分别为：基床表层(厚度为0.70 m，其中，级配碎石为0.65 m，中粗砂为0.05 m)+新型防水复合材料(厚度为0.20 m)+基床底层(采用A、B组填料，填筑厚度根据相应地质条件设计)，新型防水复合材料由线路中线向两侧的排水坡度不小于4%。视不同的水文地质条件增设盲沟和混凝土防渗墙以协助排水和阻挡路堑边坡的渗水，路堑边坡坡面及坡体中的水分则经过坡体贯通裂隙与排水系统流至坡脚处的纵向排水通道中，再经侧沟或盲沟排走。图2(b)为地下水极其发育或松软膨胀土(岩)情况时的新型防水基床结构，在此种工况下，一方面地下水极其发育引起膨胀土路基从下部吸水隆胀，另一方面松软的膨胀土不能达到承载要求，故采用混凝土桩筏结构作为整体基床的承力结构。

2.2 防排水系统及换填层厚度确定

当地下水较发育时，应设纵横向渗水盲沟排水(见图2)，盲沟内铺设PVC管，管径大小根据地下水的渗流量确定，并采用透水土工布对管道进行包裹处理，避免土颗粒、杂物进入管道引起堵塞，盲沟内剩余空间填充干净的砂卵石、砾石或碎石。

考虑铁路路基长期动力稳定，采用临界动应力法、有效振速法和动剪应变法[9,21]对新型防水基床结构进行计算分析。对于设计速度为250 km/h的客运专线铁路，根据文献[22]取路基面动应力为98.8 kPa，路基面振动速度约为20.5 mm/s，其他参数参考文献[21]进行选取。当基床表层厚度为0.7 m，新型防水结构层为0.2 m时，在不同地质条件[9-10, 22]下，膨胀土路堑新型防水基床结构的防排水组成系统及基床合理换填厚度(新型防水层厚度+基床底层厚度)建议值见表2。由表2可知，膨胀土膨胀等级越高，基床换填厚度越大。对于膨胀等级较低的膨胀土地基，可考虑换填改良土措施；对于膨胀等级较高的膨胀土地基，增加换填厚度不经济，可考虑采取复合地基或其他加固措施。在对基床换填厚度设计前，应对膨胀土的工程特性、动力参数、工程地质条件等进行详细调研、试验和分析；对于不确定的因素和风险，可考虑增加基床安全储备。

2.3 接触缝和施工缝防水关键技术

(1)新型防水层

采用新型防水复合材料，经充分拌和后摊铺，利用双缸压路机碾压形成，压实后厚度为0.2 m，防水层表面的横向排水坡度不得小于4%，养护3 d后的检测指标应达到如下要求：0.75 GPa≤弹性模量E≤1.5 GPa，动态变形模量Evd≥65 MPa，抗渗系数≤10-10m/s。

(2)新型防水层施工缝处理

防水层施工暂停、间断时，将先施工段防水层衔接处做成与水平方向成β角的粗糙面，清理杂物后用水浸湿，然后进行后施工段防水层铺设；施工完成后应及时标注施工缝位置，并在养护3 d后，在施工缝表面涂刷双组分高分子沥青防水材料，防水涂层宽度为施工缝两侧各100 mm，厚度应大于3 mm，施工缝与电网立柱的距离不应小于1 000 mm，见图3。

图3 施工缝防水处理(单位：mm)

(3)接触缝防水材料及处理

接触缝也采用双组分高分子沥青防水材料涂刷，防水层施工完毕养护3 d后，在防水层和立柱的接触部位设置双组分高分子沥青防水材料，厚度应大于3 mm，搭接宽度为100 mm。

(4)侧沟与新型防水层搭接要求

① 侧沟翼板顶面应对齐于基床底层表面，新型防水层铺筑在两者的上方，并设置规定的横向排水坡度，其中，在侧沟翼板上的铺筑宽度不小于200 mm。施工时先施工防水侧沟和翼板，然后摊铺防水层材料。② 待翼板侧沟和新型防水层养护结束后，利用双组分高分子沥青防水材料对搭接缝进行防水处理。

3 新型防水层基床结构服役性能试验

3.1 模型试验设计

为验证新型防水复合材料作为膨胀土基床防水层的适用性，判断新型防水基床结构的合理性。在实验室进行了大型激振模型试验，研究列车荷载与不同服役环境(自然、降雨、地下水位上升)对新型防水基床结构服役性能影响。模型试验具体情况如下：

(1)模型简介

选取客运专线铁路双线路堑基床的一半进行全比尺路基模型试验，模型箱为钢结构长方形箱体，尺寸为9.2 m×2.0 m×4.6 m(长×宽×高)，结合表2和实验室设备加载条件，模型试验中换填厚度取0.8 m，即新型防水层厚度为0.2 m，基床底层厚度为0.6 m，由3根轨枕组成轨道，模型具体尺寸见图4。路基采用分层填筑、振动夯实的方法，各结构层填筑指标严格遵照TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[23]标准执行，填筑压实检测结果见表3。地基土为取自云桂铁路路堑工点的中-强膨胀土，其基本力学指标见表4。

图4 试验模型尺寸及元器件布置图(单位：m)

表3 模型试验填料填筑压实检测结果

表4 地基膨胀土基本物理性质

(2)新型防水层施工

在试验现场，采用300 L的砂浆搅拌机对防水材料进行现场搅拌，采用振动夯实方法施工。为了防止模型箱侧壁、电缆槽和排水沟沟壁在加水过程中渗水，在防水材料施工完毕养护3 d后，采用人工涂刷的方法，在有可能发生渗水的部位表面涂刷了一层厚度约3 mm的双组份高分子沥青防水材料，搭接高度为100 mm。

(3)加载方式

采用MTS伺服激振器模拟列车振动荷载，激振频率为4 Hz，最大动轴力为380 kN(按列车静轴重200 kN，时速250 km/h计算)，最小动轴力为20 kN，按正弦波形加载。

(4)试验工况

模拟自然、降雨及地下水位上升三种工况，每种工况下各激振100万次。

(5)测试元器件布设

在路基中分层布设动土压力盒、速度传感器和土壤湿度传感器，以获得新型防水基床结构的振动响应分布特征。元器件布设见图4。

3.2 试验结果分析

3.2.1 动土压力沿深度变化

定义无量纲的动土压力衰减系数为λ=σ/σ0，其中，σ为距路基面某深度处的动土压力，σ0为路基面动土压力。不同服役条件下基床动土压力随深度的变化规律见图5。

图5 路基动土压力随距路基面深度变化曲线

由图5可知，动土压力随深度呈双曲线函数衰减，拟合结果见表5。动土压力的衰减主要发生在深度1 m范围内，服役条件对动土压力具有显著影响，具体来说，相比于自然条件，降雨条件时基床表层内含水率升高，引起动土压力明显增大；地下水位上升时，基床底层内含水率升高，引起动土压力进一步增大。相比于自然状态，降雨、地下水上升时新型防水层底面处动土压力值分别提高了13.7%、27.5%。干燥、降雨及地下水上升服役条件下，新型防水层底面处动土压力分别衰减了65.0%、65.2%、61.7%，均超过了60%。

表5 动土压力衰减曲线拟合关系式

为分析新型防水层的消能作用，通过Odemark理论、弹性理论和数值模拟方法，计算铺设与未铺设新型防水层时动土压力衰减系数随基床深度的变化规律，如图6所示。

图6 路基动土压力衰减系数的对比分析

由图6可知，由于理论计算和数值模拟时均做了简化处理，导致理论值与模拟值相对偏小。比较铺设与未铺设新型防水层可知，未铺设新型防水层时，对应的深度0.7～0.9 m范围内动土压力衰减了约8%，而铺设新型防水层后，动土压力在新型防水层内衰减了约15%。说明新型防水层参与振动并促进了动土压力的衰减，具有一定程度的消能作用，有利于列车动荷载作用下基床长期动力稳定性。

3.2.2 振动速度沿深度变化

定义无量纲的振动速度衰减系数为δ=vd/v0，其中，vd为距路基面某深度处的振动速度，v0为路基面振动速度。基床振动速度随深度的变化曲线见图7。

图7 路基振动速度随距路基面深度变化曲线

由图7可知，相比于基床较深位置，服役条件对基床较浅范围内振动速度影响更大，3种服役条件下振动速度随基床深度均呈二次曲线型变化。自然、降雨及地下水上升服役条件下，路基面下0.2 m处振动速度分别为9.0、10.0、10.5 mm/s，新型防水层底面振动速度分别为7.8 mm/s、9.5 mm/s、10.0 mm/s。即相比于自然状态，降雨、地下水上升情况时，路基面下0.2 m处振动速度值分别提高了11.1%、16.7%，而新型防水层底面处分别提高了21.8%、28.2%。可见，降雨与地下水位上升会导致振动速度提高，不利于基床动力稳定性，也说明防水系统对基床动力稳定性的重要性，但服役条件对振动速度的衰减规律影响相对较小。

3.2.3 新型防水层抗渗效果检验

激振试验结束后路基湿度随深度的变化曲线见图8。由图8可知，降雨后基床表层内湿度显著增大，而新型防水层以下的基床底层湿度未出现明显变化，表明新型防水层有效地将雨水阻隔在基床表层内，防止雨水下渗至膨胀土地基，避免了膨胀土吸水膨胀而引起路基不均匀变形；地下水上升后，新型防水层以下的基床底层湿度显著增大，而防水层上方湿度基本不变，表明地下水被有效地阻隔在防水层以下。说明新型防水层在动荷载与复杂服役条件下具有良好的隔水、防渗效果。

图8 不同服役条件下路基内湿度随深度变化曲线

试验结束后开挖基床对新型防水层进行检查，新型防水复合材料在3种极端服役条件和300万次激振后未出现开裂、裂缝和渗漏等破坏问题，表明新型防水层具有较好的抗渗与抗疲劳性能。

4 结论

(1)根据铁路膨胀土基床病害特征及其机理，研发了具有中低弹模、高韧性及强抗渗性的新型防水复合材料，并提出了对应的物理力学性能控制要求。新型防水复合材料具有较好的施工连续性，能够避开传统防水材料的搭接缝，具有良好的变形协调能力。

(2)基于“强度、防渗、消能与抗变形”原则，考虑环境地质情况，新型防水层厚度取为0.2 m，设计了4种膨胀土路堑新型防水基床结构，系统提出了接触缝、施工缝等接缝防水关键技术。

(3)动土压力在新型防水层范围内的衰减量约为15%，而未铺设新型防水层时相应深度范围内的衰减量约为8%。相比于自然状态，降雨、地下水上升情况时，新型防水层底面处动土压力值分别提高了13.7%、27.5%，对应位置的振动速度值分别提高了21.8%、28.2%。新型防水层在动荷载与不同服役条件下具有良好的防渗隔水性与抗疲劳性能。

本文研发的新型防水材料及设计的新型防水基床结构目前仅在试验中进行了验证，在进行推广应用前，还需要后续在实际工程中进一步验证优化。