高速鐵路膨脹土路塹基床防排水系統研究

丁志平，王亮亮

(1.中鐵上海設計院集團有限公司徐州設計院，江蘇 徐州 221000； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

在我國高速鐵路建設中，發現多條線路均存在膨脹性黏土(紅黏土和膨脹土)地基，而地基沉降又是高速鐵路路基工后沉降的主要部分[1]，膨脹性黏土的濕脹干縮特性使這些線路的路基工后變形控制難度增加。

楊果林等[2]、王亮亮等[3]、劉曉紅等[4]對武廣客專沿線具有弱脹縮性的紅黏土物理力學指標、動靜態變形特性、加固機理等開展了較全面研究，研究成果為線路確定合理的基床換填厚度、地基加固方法和邊坡防護等提供了數據和理論支撐。與紅黏土不同的是膨脹土富含蒙脫石、伊利石等膨脹性物質，具有更強烈的濕脹干縮特性，往往造成鐵路路塹基床鼓脹或橫向排水路拱破壞等病害。

通過對南昆鐵路基床病害[5]現場調研，發現產生基床病害的主要原因為：基床防水材料土工布寬度不足，未完全封閉基床，且部分地方遭到施工機械破壞，另外，防水材料采用搭接或焊接，施工縫多，也易成為滲漏點，地表降雨仍可進入基底，在列車荷載和基底膨脹土脹縮變形共同作用下，基床路拱被降低或破壞，排水能力降低，形成匯水淺坑，基底長期積水。因此，應建立完備的防排水系統，隔斷地表水進入基床的途徑。但呂海波等[6]研究發現，受環境氣候、初始含水率[7]、吸力[8]、裂縫數量和分布情況[9]、膨脹等級[10]等的影響，基底膨脹土會產生季節性脹縮變形，這類變形具有強度弱、周期長、不均勻性等特點，在長期脹縮過程中基床內部會逐漸形成變形差，增大輪軌沖擊力，而輪軌沖擊力又會進一步使基床惡化[11]，因此，膨脹土地區鐵路路塹基床防水層不僅要能隔斷地表水，還應有一定剛度協調基底膨脹土由于氣候環境變化而產生的不均勻變形，確保線路平順性。

新建云桂鐵路設計速度為250km/h，與既有南昆鐵路在同一走廊帶上，其中膨脹土路塹基床路段共144處，總長約23.7km，為保證基床長期穩定性，對膨脹土路塹基床的防排水系統進行了系統設計。

1 膨脹土基床防水材料研發

1.1 防水材料基本要求

基于對實際工程的現場調研及相關資料的收集與分析，結合數值仿真分析結果、膨脹土(巖)室內土工試驗和原位試驗成果，提出研制適合膨脹土(巖)基床使用要求的中低彈性模量、高韌性、高抗滲性的新型水泥基復合材料防水層技術方案[12-13]。

為了滿足膨脹土(巖)基床使用要求，防水層材料應當具有如下性能：①適合的抗壓強度，抗壓強度≥2.5MPa；②高延性，0.7GPa≤靜彈性模量≤1.5GPa；③良好的抗滲性，建議抗滲系數≤10-10m/s；④耐久性指標，建議軟化系數≥0.85；⑤防水材料應易拌合、成型、強度發展速度快、不易產生材料組分離析等不良問題、現場施工應簡單方便，施工質量易于控制；⑥比選具有抗老化、良好變形能力和與基床半剛性防水結構層黏結良好的接觸縫防水涂料(見圖1，2)。

1.2 防水材料研發結果

1)通過優化骨架體系、改善水泥石基體性能及摻用韌性改性組分的方法實現防水材料研制。經大量對比試驗，研發成功改性水泥基半剛性防水復合材料，其基本成分為膠凝組分、彈性組分、河砂(細度模數2.6)、膨脹土(最大顆粒≤15mm)。新型防水材料易拌合，具有一定的流動性，可實現連續攤鋪施工。其力學參數為密度1.9g/cm3，彈性模量1 000MPa，抗壓強度2.5MPa，抗折強度0.6MPa，收縮變形率7.5%，抗滲系數<10-10m/s，動彈性模量Evd為80MPa，基本符合設計要求。

2)通過市場調查，選取3種常用的瀝青防水材料，對其耐抗滲性、變形性、老化性能、黏結強度等進行對比試驗，從而提出采用雙組分高分子瀝青防水涂膜作為首選的防水涂料。

2 膨脹土路塹基床防排水系統設計

2.1 地基承載力要求

膨脹土路塹基床地基土的承載力必須滿足高速鐵路規范的基本要求[14]，即地基土PS值>0.15MPa，σ0≥0.18MPa，地基壓實系數應>0.95。

2.2 基床地表水隔斷措施

在基床底層表面滿堂鋪設自行研發的改性水泥基防水復合材料(見圖3)，鋪設厚度為0.2m，改性水泥基防水復合材料防水結構層設置在基床底層的目的是減小輪軌沖擊力、線路維護等可能對防水結構層造成的損傷。防滲結構層鋪設強度達到要求后，在防水結構層表面鋪設5cm厚粗砂，一方面提高基床表層下滲雨水的側向及時排泄能力，另一方面保護防水結構層在后續基床表層級配碎石施工碾壓免遭破壞。

圖3 膨脹土路塹基床防排水示意

2.3 改性水泥基防水層接觸縫防水和施工縫處理

在電網立柱與防水結構層接觸位置，設置雙組分高分子瀝青防水涂膜(見圖4)；防水結構層非連續施工時，應將搭接表面削成與水平方向呈150°斜面，鑿毛，清理松動砂和浮土，用水浸濕；施工縫應與電網立柱錯開1m以上。

圖4 接觸縫密封處理

2.4 側溝與側溝平臺、基床防水結構層銜接位置防水技術

為徹底隔斷地表降雨的入滲通道，對側溝和側溝平臺防水層進行整體設計，其技術方案如下。

1)考慮到膨脹土在氣候環境影響下會發生一定幅度的脹縮變形，側溝必須具有足夠強度和剛度抵抗來自溝壁或溝底膨脹土的膨脹壓力，因此，膨脹土路塹基床側溝與側溝平臺表面防護層采用鋼筋混凝土整體澆筑，側溝、側溝翼板與側溝平臺防護層鋼筋布設：①沿側溝橫斷面方向通長布設φ16鋼筋，縱向間距20cm；②沿側溝縱向設置φ10構造鋼筋，鋼筋間距20～25cm。

2)側溝與基床新型改性水泥基防水結構層連接處置措施：①側溝翼板頂面必須和換填層頂面齊平并保持相同的橫向排水坡度，基床新型改性水泥基防水結構層鋪設于側溝翼板上方，要求二者搭接寬度≥30cm；②帶翼板側溝和改性水泥基防水結構層養護結束后，清除養護膜和雜土，在二者搭接縫位置用雙組分高分子瀝青防水涂膜進行密封防水。

2.5 膨脹土路塹邊坡裂隙滲流防排水措施

2.5.1裂隙發育區底面高于基床側溝平臺防護層

當新型膨脹土路塹基床側溝平臺防護層位于膨脹土風化層以下時，邊坡中的入滲雨水先通過水平貫通裂隙和路塹邊坡排水系統(如傾斜滲水管)向基床方向滲流，滲流出的裂隙水再經側溝平臺防護層表面進入側溝排走，如圖5所示，邊坡裂隙水主要對邊坡的穩定性有影響，而對基床和基底膨脹土影響不大，可不在基底采取專門防排水措施，但前提條件是工程所在位置膨脹土裂隙的發育深度要勘察準確。

圖5 邊坡裂隙水滲流示意

2.5.2裂隙發育區底面低于側溝平臺防護層

路塹基床盲溝通常設置在換填底面側溝正下方位置，由于新型膨脹土路塹基床側溝和側溝平臺防護層為整體澆筑的鋼筋混凝土結構，側溝總高度為0.8m，為了確保裂隙水不會滲流至基底長期積聚，需根據基床換填厚度和裂隙發育區底面標高與側溝高度關系，分別采取以下2種防排水措施。

1)當基床換填厚度≤0.8m，且膨脹土裂隙發育區底面位于側溝平臺防護層以下和側溝底面之間時，路塹邊坡中的入滲雨水一部分通過坡面滲流出，再經側溝平臺防護層表面進入側溝排走，而另一部分則會通過側溝平臺下裂隙向基底方向滲流(見圖6)。因此，在側溝底面設置盲溝，盲溝一般采用透水土工布包裹式，其中過濾材料必須是潔凈的砂、卵石、礫石或碎石；透水管應采用高強、耐久管材，如高強復合管、鋼管或混凝土管等。

圖6 盲溝設置在側溝底面情況

2)當基床換填厚度>0.8m，或膨脹土裂隙發育區底面位于側溝底面以下時，應以基底標高和裂隙發育區底面標高中最低者為盲溝標高控制因素，并在盲溝與側溝底面之間設置混凝土防滲側壁(見圖7)。

圖7 混凝土防滲側壁設置示意

2.6 路塹地下水的排泄技術

對于地下水較發育地段，應設縱向滲水盲溝排水，盲溝內鋪設PVC管，管徑大小根據地下水的滲流量確定，管外采用透水土工布包裹，盲溝內剩余空間用潔凈的砂、卵石、礫石或碎石填充。

地下水極其發育或松軟膨脹土(巖)地段采用復合地基(設樁板、網結構等)進行地基處理。

3 防排水系統大型室內模型激振試驗

3.1 試驗概況

為驗證膨脹土路塹基床防排水系統設計是否可行，自行研發的半剛性防水結構層能否經得起列車動荷載的長期作用，在室內進行大型模型激振試驗。

1)模型簡介 根據高速鐵路雙線路塹基床的對稱性，取其一側進行1∶1足尺路基模型試驗，模型箱為鋼結構長方形箱體，長×寬×高為9.2m×2m×4.6m。地基土為取自云桂鐵路中～強膨脹土路塹工點的膨脹土，其基本力學指標為：含水率14.2%，密度1.9～2.1g/cm3，土粒相對密度1.8，液限43.5%，塑限20.5%，自由膨脹率69.0%～77.2%，模型具體尺寸及元器件布置如圖8所示。

圖8 模型尺寸及元器件布置(單位：m)

2)加載方式 采用MTS伺服激振器模擬列車荷載，激振頻率4Hz，動軸力[15]為380kN，按正弦波形加載。

3)試驗工況 模擬干燥、降雨和地下水位上升3種工況，其中干燥狀態下激振200萬次，降雨和地下水位上升各激振100萬次，共400萬次。

3.2 驗結果分析

3.2.1防水結構層抗疲勞性

經過干燥、降雨和地下水位上升共400萬次的激振試驗后，對試驗模型進行開挖，以觀察半剛性防水結構層是否出現大量裂紋或破壞。

開挖至防水結構層上方砂墊層時，放慢開挖速度，用掃帚逐層消除砂層，防止開挖工具破壞防水層表面，影響觀察結果。

清理后的防水結構層表面未見裂縫或斷裂處，說明自行研發的半剛性防水結構層具有良好的抗疲勞特性。

3.2.2膨脹土路塹基床防排水效果

降雨前后路基內各點濕度計監測結果如表1所示。由表1可知，降雨期間基床表層中的濕度計(HS-10和HS-11)讀數出現顯著變化，而防水結構層以下除HS-8號濕度計以外，其余濕度計讀數基本保持不變，說明防水結構層能有效隔斷降雨入滲途徑，達到預期的設計目標。現分析HS-8號濕度計讀數由20.9%變為37.3%的原因：試驗結束后開挖檢測防水結構層時，并未發現裂縫或斷裂現象，且與HS-8號濕度計位于同一水平面的其他2個濕度計HS-7和HS-9讀數基本不變，說明降雨不是滲透進入基床底層，而是防水結構層和模型箱壁的接觸位置出現滲漏點，由于模型箱的剛度有限，在循環激振力作用下會產生小幅度脹縮變形，導致接觸位置部分防水涂層出現拉裂，從而使少量降雨滲漏進防水結構層下方。由此可見，膨脹土路塹基床防水系統的每個環節都不容忽視，工程應用中必須做好防排水層與接觸網立柱、側向排水溝等構筑物之間的接觸界面隔水處理和施工質量監督。

表1 降雨前后基床濕度監測數據 %

干燥和降雨2種工況下的激振試驗結束后，開始模擬地下水位上升時，膨脹土路塹基床防排水系統能不能抵抗循環激振荷載和基底膨脹土遇水膨脹變形的共同作用。試驗開始時，首先通過預先埋設在地基膨脹土中的3層注水管網從下至上依次注水，注水時隨時讀取濕度計數據，必須在注水管網以下土層中的濕度計讀數達到飽和或大幅度變化時再進行上一層注水工作；注水完成后，啟動激振設備進行100萬次的激振試驗。

注水前和激振結束后各濕度計的監測數據如表2所示，分析數據可知，當地下水位上升后，防水結構層下方各濕度計讀數出現大幅度增大，而防水結構層上濕度計讀數在試驗前后保持不變，說明無地下水透過防水結構層進入基床表層，因此，在室內試驗條件下，膨脹土路塹基床的防水系統在地下水位上升后仍能有效工作。

表2 地下水上升前后基床濕度監測數據 %

4 結語

1)研發了適用于高速鐵路基床的改性水泥基防水復合材料，設計了膨脹土路塹基床的防排水系統，并給出立柱與防水層之間接觸縫防水和基床改性水泥基防水層非連續施工時搭接位置的處理措施。

2)邊坡裂隙滲流水必須與側溝平臺、側溝、基床防水層綜合設計，避免邊坡水滲流入膨脹土基底導致基床病害。

3)地下水發育膨脹土地段，除設置基床防排水系統外，還應在排水側溝下設置縱向排水盲溝。

4)排水側溝側壁和盲溝均要求采用鋼筋混凝土預制或立模澆筑，并根據膨脹土膨脹性大小檢算其安全系數。