不同基床底層細顆粒含量的高速鐵路路基水分運移規律及水囊控制

王瀚霖，陳仁朋，程 威

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.香港理工大學 土木及環境工程學系，香港 999077；3.浙江大學 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058)

和有砟軌道線路相比，無砟軌道線路具有維護成本低的優勢，目前已在我國得到廣泛應用：截至2016年，我國高速鐵路運營總里程已超過2萬km，其中70%為無砟軌道。總體來說，無砟軌道路堤包含上部結構與下部結構兩部分。上部結構由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、混凝土底座組成；下部結構從上至下可分為基床表層、基床底層、基床以下路堤和地基[1-5]。

在100 a服役壽命里，路基在長期動荷載作用下易在兩個區域產生裂縫：①混凝土底座與基床表層接觸邊緣；②縱向混凝土底座瀝青接縫處[6]。裂縫產生后，在降雨季節，雨水可沿裂縫向下入滲到路基中，若路基排水措施運營情況不良，部分雨水無法排出，從而部分路基土體也由非飽和狀態轉變為飽和狀態，導致土體吸力和承載力降低，進而引起相關“病害”，比如翻漿冒泥、較大沉降等[7-10]。

在細粒土如黃土、粉土中，水分運移規律已得到了廣泛試驗和理論研究，研究表明，水分運移主要由土體壓實度、初始含水量、溫度梯度等因素決定[11-14]。然而，高速鐵路路基基床粗粒土與細粒土在性能方面存在著很大差異[15-22]。因此，在高速鐵路路基中的水分運移呈現出與在細粒土中不同的規律。Wang等[23]和Chen等[24]利用數值手段對典型高速鐵路路基水分運移規律進行了計算，但兩者均只從含水量變化的角度展開了分析，未對濕潤鋒的發展進行分析。再者，目前國內外在高速鐵路路基上部結構與下部結構交界邊緣出現裂縫情況下，關于雨水入滲進路基后運移規律及水囊防護措施的研究還很少出現。

基于以上研究現狀，本文通過Geostudio數值軟件Seep/W模塊計算了在正常降雨條件下，混凝土底座與基床表層交界處出現裂縫的高速鐵路路基內部水分運移規律。本文模型考慮了三種細顆粒含量(粒徑小于0.075 mm，以FC表示)的基床底層材料，重復使用2013年杭州市日降雨量數據，對各模型進行了3 a計算，分析了水囊形成機理和濕潤鋒發展規律。同時，在基床表層與基床底層之間加設低滲透性GCL復合墊層或毛細屏障，對高速鐵路路基水囊控制技術進行了探討。

1 數值模型

1.1 模型概況

按照規范[1]要求建立模型，見圖1，該模型下部結構包含基床表層、基床底層和地基，圖1中數字代表了相應邊界。

模型邊界條件見圖1，混凝土底座設置為不透水邊界。基床表層上方覆蓋一層薄混凝土層[1]，故對應邊界也設置為不透水邊界。路基邊坡按照規范要求設置植被等護坡條件[1]，故在降雨過程中認為雨水不滲進邊坡；但當路基內部水分運移并累積到邊坡時，可自由排出，故邊坡邊界設置為自由滲流，在降雨時節不計雨水滲入。模型底部邊界設置為自由滲流。

模型中，在混凝土底座與基床表層交界邊緣設置裂縫(寬0.01 m，長0.1 m)[2](見圖1)。裂縫邊界條件考慮為兩種情況[23-24]：當日降雨量不大于5 mm時，裂縫邊界設為不透水；當日降雨量大于5 mm時，認為裂縫上方產生少量積水，且該積水深度不大，此時裂縫邊界設置為0孔壓邊界[25]。0孔壓邊界持續時間根據文獻[23-24]方法由日降雨量轉換而來。

圖1 模型示意(單位：m)

模型計算所用日降雨量數據采用2013年杭州市降雨資料，如圖2所示。本文重復使用該降雨數據對各個模型均進行了3 a計算。

圖2 2013年杭州市日降雨量資料

1.2 模型材料

對于滲流計算問題，本文對模型中基床表層、基床底層、裂縫和地基土材料土水特征曲線和滲透系數曲線分別進行了設置。

基床表層選用文獻[26]碎石材料，其級配符合規范要求[1]，土水特征曲線和滲透系數曲線見圖3。

本文基床底層材料通過規定不同細顆粒含量(FC=5%、15.4%、30%)分為3種工況，級配曲線如圖4所示，最大粒徑采用40 mm。土水特征曲線和滲透系數曲線通過文獻[15-16]中大型滲透柱裝置(裝置中通過張力計測試基質吸力和TDR探頭測試體積含水量[27])測試獲得，制樣過程中保持各材料壓實度均為0.93，測試結果見圖3。

地基土采用文獻[28]粉土材料；裂縫材料采用開裂碎石，土水特征曲線和滲透系數曲線分別取自Zhang等[29]和Chae等[30]，見圖3。

圖3 各材料土水特征和滲透系數曲線

在路基建造階段，各個材料初始含水量均應控制為最優含水量wopt[1，31]。以此參數對應材料土水特征曲線和滲透系數曲線(見圖3)，可得到材料初始吸力和初始滲透系數。各材料初始參數見表1。

圖4 基床底層級配曲線

2 數值模擬結果

2.1 水囊發展規律

雨水透過裂縫滲入鐵路路基后，因為基床粗顆粒填料的不均勻孔隙分布，雨水會同時向豎向和橫向運移。雨水入滲到路基中部后聚集，無法及時被排出。隨著雨水不斷入滲到路基中，部分路基土體含水量增大，從非飽和狀態變為飽和狀態，即形成了水囊(飽和區域)，并且隨著時間的推移，水囊有向下繼續運移或擴大的趨勢。在長時間后，一些入滲水分可被自然排出或往更深的土體運移，而余下部分則聚集形成更大的水囊[32]。

表1 各材料初始參數

為了研究基床底層細顆粒含量對水囊發展規律的影響，3 a計算時間后各工況的水囊分布見圖5，圖5中水囊用帶符號較粗線條表示，因各工況水囊底部均重合，故底部采用同一不帶符號線條。由圖5可知，3 a計算時間后，各工況基床底層中均形成了水囊，水分積聚在基床底層與地基土交界面上，而地基土中并無水囊現象。這可以由地基土較低的非飽和滲透系數和基床底層具有一定的持水特性來解釋：水分運移到基床底層與地基交界面時，地基土初始吸力(185.84 kPa)對應滲透系數為2.54×10-9m/s(見圖3)，遠小于此時飽和基床底層的滲透系數(1.10×10-7～2.21×10-6m/s)。于是，水分從飽和基床底層往地基土中的運移非常緩慢。基床底層一定的持水特性亦使水分不易即時從邊坡排出，從而形成了水囊。再者，地基底部邊界設置為自由滲流，且地基土飽和體積含水量達到45%。因此，從基床底層進入地基中的少量水分很難使地基中的部分土體達到飽和狀態，故水囊在地基土中沒有產生。

圖5 3 a計算時間后各工況水囊分布

對比基床底層細顆粒含量對水囊分布的影響可發現，隨著基床底層細顆粒含量增大，在3 a計算時間后水囊分布面積也增大(見圖5)。這可以歸結于不同材料的持水能力強弱(見圖3)：30%細顆粒含量基床底層材料土水特征曲線在另外兩種工況上方，持水能力更強，受到更強的毛細作用影響，水囊中水分更難排出，從而形成了更大的水囊。

為了量化細顆粒含量對水囊大小的影響，引入了參數δ，其定義為水囊面積與整個路基面積的比值[24，32]。δ隨細顆粒含量的變化規律見圖6。隨著基床底層細顆粒含量增大，水囊面積比線性增大：細顆粒含量從5%增大到30%，水囊面積比增大了276.1%。由此看來，路基內部水囊分布大小受基床底層細顆粒含量的影響顯著。

2.2 濕潤鋒發展規律

為了研究路基內部水囊形成機理，取圖1中I-I剖面，該剖面位于裂縫位置(直接入滲位置，可認為是危險剖面)，通過觀察該剖面不同時間段孔隙水壓力的變化來分析水囊形成的時間。該剖面不同時段典型孔隙水壓力沿深度的變化圖(取5%細顆粒含量工況)見圖7，界面1代表基床表層與基床底層交界面，界面2代表基床底層與地基交界面，2.1～4.3 m范圍為基床底層。

在滲流問題中，濕潤鋒可定義為一個區分飽和區域與非飽和區域的“交界面”，劃分開已入滲土體(飽和)和干土的界限[33]。對于圖7中某一特定點而言，若孔壓值為負數，表明該點處于非飽和狀態，其負值即為基質吸力；若其孔壓達到或超過0 kPa，可認為該點達到了飽和狀態。由此，由圖7中可以清楚地觀察到濕潤鋒隨著時間向下運移的現象。本文定義了兩個特殊的濕潤鋒相關的時間：濕潤鋒擊穿界面1的時間t1和濕潤鋒到達界面2的時間t2。定義t1時，由于交界面上測點情況較復雜，故取界面1下方0.2 m處測點作為參考(圖1中點P)，當P點孔壓突然由負值增大到0 kPa后，認為濕潤鋒擊穿界面1，此時t1取為該點到達飽和狀態的時間，即圖7中第77天。定義t2時，同樣取界面2上方0.2 m處測點，當該點孔壓突然由負值增大到0 kPa后，認為濕潤鋒已到達基床底層底部，即圖7中第133天。

圖7 不同時段孔隙水壓力沿深度的變化(FC=5%)

圖8對比了t1和t2隨基床底層細顆粒含量的變化。

圖8 濕潤鋒相關時間隨細顆粒含量的變化

總體而言，隨著細顆粒含量增大，濕潤鋒擊穿界面1和到達界面2的時間延長，相比于5%細顆粒含量，15.4%和30%細顆粒含量情況濕潤鋒擊穿界面1的時間分別增大0%和55.8%，濕潤鋒到達界面2的時間分別增大15.0%和62.4%。

綜合以上結果來看，增大基床底層細顆粒含量，降低材料的滲透性能，可有效延長濕潤鋒擊穿界面1和濕潤鋒穿越整個基床的時間。但由于粗粒土滲透系數處于相對較高的狀態，水分還是能入滲到基床內部，并無法通過自然滲流排出，從而形成長期水囊，這對于路基病害的防護是不利的。

3 水囊控制技術探討

3.1 增設GCL復合墊層

為了控制路基內部長期水囊的形成，并且使由裂縫入滲的水分在進入基床底層前，即在基床表層中就能排出[1]，考慮在基床表層和基床底層之間增設一層滲透系數較低的土工聚合膨潤土(GCL)復合墊層的方法。增設GCL復合墊層后模型示意見圖9。本文選用某商業GCL復合墊層進行計算[34]。該GCL墊層內部設置一層厚度同于基床表層(0.4 m)的膨潤土(d50粒徑為0.7 mm)，上下部均由無紡土工織物針刺式覆蓋。GCL墊層材料土水特征和滲透系數曲線見圖10，詳細參數見表2。設置GCL復合墊層初始吸力13.2 kPa(同基床表層)，初始滲透系數1.2×10-13m/s。

圖11 不同時段各工況孔隙水壓力沿深度的變化

圖9 增設黏土墊層模型示意(單位：m)

表2 GCL復合墊層具體參數[34]

在增設GCL墊層的模型中，同樣采用2013年杭州市降雨數據計算3年時間，裂縫設置、邊界條件、地基材料和基床表層材料與不加墊層時保持一致，基床底層仍設置為3種工況(FC=5%、15.4%、30%)。

計算結果顯示，模型計算結束后，水囊現象均未在各工況基床底層內部產生。為進一步探討水分在路基內部的運移規律，同樣取圖9中左側I-I裂縫剖面作為危險位置，分析了各個工況該剖面測點孔隙水壓力在不同時段沿深度的變化，如圖11所示。

由圖11可知，雨水由裂縫入滲基床表層后，濕潤鋒逐漸向下發展，抵達GCL復合墊層和基床表層界面。因為基床表層碎石的飽和滲透系數(3.2×10-3m/s)遠大于GCL復合墊層的初始滲透系數(1.2×10-13m/s)，濕潤鋒無法擊穿該界面，故GCL墊層和基床底層土體孔壓保持不變，處于初始狀態，水囊亦很難產生。由于濕潤鋒無法繼續下移，在基床表層中累積的水分橫向移動(基床表層滲透系數較高)，并沿著4%的預留坡度排出，從而發揮基床表層排水的功效[1]。

圖10 GCL復合墊層土水特征曲線和滲透系數曲線[34]

因此，增設一層滲透系數較低的GCL復合墊層在基床表層和基床底層之間，可防止降雨時節路基內部水囊的產生。

3.2 增設毛細屏障

除應用GCL墊層外，毛細屏障的合理使用也可有效降低路基內部水分聚集，達到抑制水囊產生的效果[35]。文獻[35]使用的毛細屏障如圖12所示，由吸濕、親水的含多個毛細排水通道的4DGTM纖維組成，擁有較好的毛細吸水功能，材料詳細參數見表3。

表3 毛細屏障材料參數[35]

實際應用中，材料布置如圖13所示，于基床表層與基床底層界面鋪設該毛細屏障，使該材料延伸出路基外，造成毛細屏障在路基內部和空氣中的吸力差。當雨水入滲路基后，由于預留坡度和吸力差的作用，雨水可沿著毛細屏障的排水通道排出。該毛細屏障設置方法已經在美國阿拉斯加Dalton公路某路段進行了現場實測和證實，有效防止了5 a時間路基內部水囊的擴散[35]。

圖12 毛細屏障示意

圖13 增設毛細屏障路基示意

4 結論

本文通過數值方法建立了高速鐵路路基滲流模型，重復使用2013年杭州市降雨數據，計算了3 a時間不同基床底層細顆粒含量的高速鐵路路基內部水分運移規律，得到了以下結論：

(1)對于每種無墊層工況，3 a計算時間后，路基內部均出現水囊，隨著基床底層細顆粒含量增大，水囊大小亦線性增大。

(2)通過對左側裂縫危險剖面孔隙水壓力在不同時段沿深度變化的分析，定義了濕潤鋒擊穿基床表層和基床底層交界面的時間、濕潤鋒到達基床底部的時間；從這兩個時間隨基床底層細顆粒含量變化的規律中看出，兩者均隨細顆粒含量的增大而延長，表明了增大細顆粒含量，降低材料的滲透性能，可有效延緩濕潤鋒的向下運移。

(3)在基床表層和基床底層之間增設一層滲透系數較低的GCL復合墊層或吸水毛細屏障，通過數值方法或文獻中現場試驗研究了這兩種方法對各工況水囊形成的防護作用。研究表明，這兩種方法均可有效抑制長期水囊的發生。