楊果林，段君義，邱明明, 2，周胡波

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新型防水層材料力學(xué)性能及其在鐵路基床中的應(yīng)用

楊果林1，段君義1，邱明明1, 2，周胡波1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075； 2. 延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 延安，716000)

為有效地解決膨脹土地區(qū)鐵路基床反復(fù)出現(xiàn)病害的問題，通過對(duì)膨脹土基床病害成因進(jìn)行分析，研究以砂與土作為骨架系統(tǒng)、橡膠與乳化瀝青為改性組分、水泥及纖維為增強(qiáng)組分的新型防水層復(fù)合材料。以中低彈性模量、強(qiáng)抗?jié)B性及高韌性為目標(biāo)，借助試驗(yàn)分析各材料組分摻量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，給出新型防水層復(fù)合材料的配合比及力學(xué)指標(biāo)控制要求，并通過激振試驗(yàn)對(duì)新型防水層復(fù)合材料應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。研究結(jié)果表明：當(dāng)砂與土質(zhì)量比約為1時(shí)，新型防水層材料的抗壓與抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大；適當(dāng)摻入橡膠粉、乳化瀝青及聚丙烯纖維可以提高其抗變形能力，但會(huì)降低材料強(qiáng)度；在干燥與浸水條件下，新型防水層能有效地隔斷地表水下滲和地下水上升路徑，達(dá)到較好的防水隔水效果，且能加速基床內(nèi)動(dòng)土壓力的衰減和保持良好的抗疲勞性能。研究的新型防水層復(fù)合材料可應(yīng)用于治理膨脹土地區(qū)鐵路基床病害。

新型防水層材料；力學(xué)性能；浸水穩(wěn)定性；膨脹土；動(dòng)土壓力；土壤濕度

南昆(南寧—昆明)鐵路修建于20世紀(jì)90年代，其為西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)，南昆鐵路在運(yùn)營(yíng)過程中也產(chǎn)生了諸多病害，如路基不均勻沉降、外擠、翻漿冒泥、邊坡滑塌等[1?2]，嚴(yán)重威脅著鐵路的安全，制約其運(yùn)輸能力。研究表明，鐵路沿線膨脹土地質(zhì)條件是引起其病害的重要原因，該地區(qū)季節(jié)性雨水使得膨脹土產(chǎn)生反復(fù)收縮與膨脹現(xiàn)象，進(jìn)而促使路基病害不斷發(fā)生。為此，相關(guān)單位采取了眾多措施對(duì)各類病害進(jìn)行處治，如基床整治、增設(shè)支擋結(jié)構(gòu)、坡面覆蓋及設(shè)置排水管等[2?3]。但由于這些方法未能從根源上解決問題，導(dǎo)致路基病害處治效果不佳。伴隨我國(guó)西部大開發(fā)建設(shè)，西部地區(qū)的交通工程得到了快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的膨脹土工程，后續(xù)建設(shè)的諸多鐵路線路仍然無法完全避開膨脹土地區(qū)。針對(duì)鐵路運(yùn)行速度不斷提高和平順性的要求，膨脹土路基病害問題更加突出，急需采取一種有效措施以保障膨脹土地區(qū)鐵路運(yùn)行安全。膨脹土路基處治的關(guān)鍵是控制膨脹土中含水率的變化[4?5]。目前，實(shí)際工程中常用的防水措施主要有土工布(膜)[3]、復(fù)合防排水板[2, 6?7]、瀝青混合料[5, 8]、混凝土[9]等。工程實(shí)踐表明[10?11]：土工布(膜)雖具有較強(qiáng)的隔水排水能力，但在列車荷載長(zhǎng)期作用下易隨路基沉降變形而失效；復(fù)合防排水板雖具有一定的剛度，但其搭接縫處理仍是施工中的控制難點(diǎn)；瀝青混合料雖然具有較好的防水性能，但剛度較低；混凝土防水層抗沖擊、疲勞性能差，且剛度過大，易產(chǎn)生脫空或開裂等問題。綜上所述，現(xiàn)有的防水材料還不能夠真正滿足要求，有必要對(duì)防水材料進(jìn)行進(jìn)一步研究和改善。瀝青混合材料作為一種常見且防水性能優(yōu)越的材料被廣泛應(yīng)用于道路工程，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了改性研究，并取得了豐富的研究成果，如：ISKENDER等[12]分析了納米黏土摻量對(duì)瀝青混合料力學(xué)特性的影響，并指出納米黏土能夠顯著改善瀝青混合料的力學(xué)特性；WANG等[13]采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)橡膠粉改性瀝青的微觀形貌及橡膠顆粒在瀝青中的分布特征進(jìn)行了觀察；CONG等[14]指出再生SBS改性瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性，再生劑能夠降低其動(dòng)態(tài)模量、提高抗裂紋性能和改善疲勞性能；杜少文[15]系統(tǒng)研究了乳化瀝青、水泥摻量對(duì)水泥乳化瀝青混凝土力學(xué)性能的影響；TAPKIN等[16?17]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入聚丙烯纖維能夠改善瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度、韌性及抗疲勞性能?？梢?，瀝青混合料經(jīng)改性處理后的力學(xué)性能夠得到顯著改善，但目前針對(duì)改性瀝青混合材料的研究成果多圍繞材料本身及其在道路工程中的應(yīng)用[18]。近年來，瀝青混合材料也逐漸在鐵路路基中得到應(yīng)用[5?6, 19]，但關(guān)于其應(yīng)用的研究工作尚不夠系統(tǒng)、全面[20]，特別是在膨脹土地區(qū)鐵路路基中的應(yīng)用研究更值得重視。為此，本文作者基于現(xiàn)有改性瀝青混合材料成果基礎(chǔ)，針對(duì)膨脹土基床病害成因及特點(diǎn)，通過分析不同材料組分對(duì)混合材料物理力學(xué)特性的影響，進(jìn)而研發(fā)適用于膨脹土基床病害處治的新型防水層復(fù)合材料，并應(yīng)用于膨脹土地段鐵路基床中。最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)鋪設(shè)新型防水層復(fù)合材料的鐵路基床性能進(jìn)行研究。

1 新型防水層復(fù)合材料力學(xué)特性

根據(jù)膨脹土特性及鐵路路基受反復(fù)列車荷載作用特點(diǎn)，所采用的防水材料不僅應(yīng)能夠起到防排水作用，而且應(yīng)具有較好的變形協(xié)調(diào)性能，能夠適應(yīng)膨脹土一定程度的脹縮變形，并保證在列車的反復(fù)荷載作用下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定[21]。本文以中低彈模、強(qiáng)抗?jié)B性和高韌性為主要目標(biāo)，采用砂和土作為骨架系統(tǒng)，橡膠和乳化瀝青為改性組分，水泥和纖維混合體系為增強(qiáng)組分，通過優(yōu)化各組分間的配比來實(shí)現(xiàn)新型防水層復(fù)合材料的研制。

1.1 主要組分材料

1) 砂，取自湖南湘江河砂，系中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，II區(qū)級(jí)配合格，表觀密度為2.65 g/cm3。

2) 土，取自百色地區(qū)的中弱膨脹土，自由膨脹率為40%~42%，天然含水率為8.8%，密度為2.05 g/cm3，磨細(xì)至粒徑小于15 mm。

3) 橡膠粉，其粒徑為2.36~4.00 mm，表觀密度為1.05~1.10 g/cm3。

4) 乳化瀝青，為殼牌乳化SBS改性瀝青。

5) 水泥，為普通硅酸鹽類P.O42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為48.0 MPa，表觀密度為3.10 g/cm3，燒失量為2.3%。

6) 聚丙烯纖維，其長(zhǎng)度為15~20 mm。

7) 水，為自來水。

1.2 試樣制備

利用強(qiáng)制式攪拌機(jī)對(duì)不同材料組分進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間不小于90 s；再加入所需的用水量和乳化瀝青，繼續(xù)攪拌不小于120 s。攪拌均勻后，制作所要求尺寸的立方體試件，在1 d后拆模，然后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d?；谏鲜?種主要材料組分，試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)成型不同配合比(共計(jì)22組)、尺寸(共4種)的材料試件，并參照GB/T 50081—2016“普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法”要求對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。其中，測(cè)試抗折強(qiáng)度、收縮變形率的試件長(zhǎng)×寬×高為40 mm× 40 mm×160 mm，測(cè)試抗壓強(qiáng)度的試件長(zhǎng)×寬×高為150 mm×150 mm×150 mm，測(cè)試彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試件長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm× 300 mm，測(cè)試疲勞特性的試件長(zhǎng)×寬×高為 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(本文僅分別列出了單個(gè)材料組分對(duì)新型防水層復(fù)合材料力學(xué)特性的影響，且在分析單個(gè)材料組分對(duì)復(fù)合材料力學(xué)特性影響時(shí)，其他材料組分的摻量保持不變)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 復(fù)合材料的強(qiáng)度特性

為了解不同材料組分摻量對(duì)新型防水層復(fù)合材料力學(xué)特性的影響，分別針對(duì)不同砂、土、橡膠粉、乳化瀝青及聚丙烯纖維摻量的復(fù)合材料試件進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示(圖1(a)中，砂與土質(zhì)量比為3時(shí)表示僅摻砂)。

從圖1(a)可知：當(dāng)砂與土質(zhì)量比小于1時(shí)，隨著砂與土的質(zhì)量比增大，材料抗壓和抗折強(qiáng)度逐漸提高；當(dāng)砂與土質(zhì)量比約為1時(shí)，材料抗壓和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大，但當(dāng)其質(zhì)量比超過1后，材料抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸降低。這說明合理設(shè)置砂與土的摻入比可使材料的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。從圖1(b)可知：隨著橡膠粉摻量增加，材料抗壓和抗折強(qiáng)度均降低，且對(duì)材料抗壓強(qiáng)度影響更加明顯，對(duì)應(yīng)的折壓比(即抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比)增大，說明抗折變形性能提高。從圖1(c)可知：隨著乳化瀝青摻量增加，材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，當(dāng)乳化瀝青摻量超過45 kg/m3后，抗折和抗壓強(qiáng)度變化較小，但乳化瀝青在該復(fù)合材料中能起到較好的黏結(jié)性能和增強(qiáng)變形作用。從圖1(d)可知：復(fù)合材料摻入聚丙烯纖維后，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均小幅度降低，但摻入聚丙烯纖維可提高復(fù)合材料的韌性及其抗裂性能[22]。

(a) 砂與土摻量比與強(qiáng)度的關(guān)系；(b) 橡膠粉摻量與強(qiáng)度的關(guān)系；(c) 乳化瀝青摻量與強(qiáng)度的關(guān)系；(d) 聚丙烯纖維摻量與強(qiáng)度的關(guān)系

1.3.2 復(fù)合材料的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系

列車荷載會(huì)引起路基變形，地基內(nèi)水遷移會(huì)引起膨脹土地基變形，設(shè)置在路基中的新型防水層復(fù)合材料需要具有較強(qiáng)的變形協(xié)調(diào)能力，故該材料應(yīng)具有優(yōu)異的韌性。為此，分析材料組分對(duì)新型防水層復(fù)合材料的抗壓應(yīng)力?應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2(a)可知：摻土后的材料應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線下降段較未摻土的曲線緩和，說明摻入適量土可提高材料變形能力。從圖2(b)可知：未摻入橡膠粉對(duì)應(yīng)的材料應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的脆性特征；隨著橡膠粉摻入量增加，材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線下降段逐漸變緩，即材料變形性能增強(qiáng)。從圖2(c)可知：乳化瀝青摻入同樣能夠提高材料的抗變形性能，但會(huì)降低材料強(qiáng)度，且其價(jià)格較高，大量使用不經(jīng)濟(jì)。對(duì)比圖2(b)與圖(c)可知：相比于摻入乳化瀝青，摻入橡膠粉對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力?應(yīng)變曲線的影響更顯著。

(a) 砂與土摻量；(b) 橡膠粉摻量；(c) 乳化瀝青摻量

1.3.3 復(fù)合材料的彈性模量

圖3所示為不同試件的靜彈性模量測(cè)試結(jié)果。從圖3可知：砂與土的摻入比對(duì)材料彈性模量有一定影響，摻入橡膠粉或乳化瀝青均能有效地降低復(fù)合材料的彈性模量，但橡膠粉對(duì)復(fù)合材料的彈性模量影響更大。故考慮適當(dāng)增加橡膠粉摻量，以獲得中低彈性模量的新型防水層復(fù)合材料。

(a) 砂與土摻量(砂摻量均為1.50 t/m3)；(b) 橡膠粉摻量；(c) 乳化瀝青摻量

1.3.4 復(fù)合材料的浸水穩(wěn)定性

新型防水層復(fù)合材料敷設(shè)于路基中能起到防排水作用，同時(shí)，防水層復(fù)合材料也會(huì)受到水的侵蝕作用與反復(fù)列車荷載作用，確保防水層復(fù)合材料在浸水條件下的穩(wěn)定性是保證其發(fā)揮效果的前提。為此，先將材料試件在水中浸泡7 d，再通過SPW微機(jī)控制氣動(dòng)伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)新型防水層材料試件施加正弦波荷載，加載頻率為5 Hz。根據(jù)儀器加載量程的規(guī)定，選取加載應(yīng)力范圍為0.2~1.0 MPa。在不同疲勞次數(shù)下，防水層復(fù)合材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線及其累積變形如圖4所示。

從圖4可知：對(duì)于浸泡試件，隨著加載次數(shù)增加，材料峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變降低不明顯，而峰值應(yīng)力明顯增大。其原因可能是材料內(nèi)部顆粒在循環(huán)加載期間得到了進(jìn)一步密實(shí)，且可能使存在的空隙缺陷得到閉合。此外，疲勞試驗(yàn)中所采用的加載動(dòng)力幅值為 0.8 MPa，遠(yuǎn)大于目前實(shí)際運(yùn)營(yíng)鐵路基床所承受的動(dòng)荷載幅值。在疲勞試驗(yàn)后，試件的累積變形約為 0.08 mm/m，而試件的外觀完好、無損壞，這說明研發(fā)的新型防水層復(fù)合材料擁有較強(qiáng)的抗疲勞能力，可滿足浸水和實(shí)際服役循環(huán)動(dòng)荷載相互作用下的服役要求。

(a) 應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系；(b) 累積變形?疲勞試驗(yàn)數(shù)關(guān)系

收縮變形率反映了材料的抗裂能力，是防水層材料在長(zhǎng)期荷載作用下保持其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。由于新型防水層復(fù)合材料以砂和土作為骨架系統(tǒng)，為分析利用膨脹土作為骨料組分的可行性及效果，以廣西百色地區(qū)的中弱膨脹土、長(zhǎng)沙紅黏土(非膨脹土)、砂這3種材料為例，采用膠砂干縮試驗(yàn)測(cè)試不同浸泡時(shí)間的3組試件收縮變形率，如圖5所示(其中，摻土?xí)r，砂與土質(zhì)量比為1)。

1—砂；2—砂+長(zhǎng)沙紅黏土；3—砂+百色中弱膨脹土

從圖5可知：新型防水層復(fù)合材料以不同土質(zhì)作為骨料組分，其收縮變形率存在顯著差異性。以廣西百色中弱膨脹土作為骨料組分時(shí)，其對(duì)應(yīng)的材料收縮變形率均比其他土質(zhì)的小，說明在收縮變形方面，新型防水層復(fù)合材料采用中弱膨脹土具有可行性。

1.3.5 新型防水層復(fù)合材料物理力學(xué)性能指標(biāo)

通過上述系列試驗(yàn)可知，各材料組分對(duì)復(fù)合材料的不同力學(xué)指標(biāo)具有不同的影響，合理控制各材料組分摻量是獲得所需新型防水型復(fù)合材料的關(guān)鍵。根據(jù)22組配合比材料的試驗(yàn)結(jié)果，以中、低彈性模量、強(qiáng)抗?jié)B性和高韌性為要求，考慮經(jīng)濟(jì)和施工便易因素，提出新型防水層復(fù)合材料配合比參數(shù)應(yīng)符合以下規(guī)定：1) 膠凝材料用量不宜小于280 kg/m3；2) 用水量不宜大于230 kg/m3；3) 橡膠粉摻量不宜小于40 kg/m3；4) 乳化瀝青摻量不宜小于25 kg/m3；5) 砂與土的質(zhì)量比宜在0.9~1.1之間。當(dāng)混凝土原材料、施工環(huán)境溫度等發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整材料配合比。結(jié)合膨脹土脹縮特點(diǎn)與鐵路路基要求，新型防水層復(fù)合材料的基本物理力學(xué)指標(biāo)控制見表1。

表1 新型防水層復(fù)合材料物理力學(xué)參數(shù)

2 膨脹土新型防水基床結(jié)構(gòu)

膨脹土基床的服役環(huán)境面臨著強(qiáng)降雨導(dǎo)致地表水下滲，并匯積于基床結(jié)構(gòu)中，以及受到浸水條件下長(zhǎng)期動(dòng)荷載的影響，因此，應(yīng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，充分協(xié)調(diào)好每個(gè)要素之間的關(guān)系，以確保防水基床結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮新型防水層復(fù)合材料防排水功能。在確保基床排水暢通、線路平順和工程安全穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，防水基床結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)際環(huán)境相匹配的原則，避免過度的工程安全儲(chǔ)備，并合理控制項(xiàng)目成本[23]。

基于以上原則以及南昆線膨脹土路基工程實(shí)際，擬將新型防水層復(fù)合材料鋪設(shè)在基床表層與基床底層接觸面位置。新型防水基床結(jié)構(gòu)從上至下依次為：厚度0.65 m級(jí)配碎石和厚度0.05 m中粗砂層組成的基床表層+厚度0.2 m新型防水層+基床底層(即換填層，A和B組填料，厚度據(jù)具體情況而定)。防水層的表面應(yīng)沿線路中線向路基兩側(cè)設(shè)置坡度不小于4.0%的排水坡，并根據(jù)不同的地質(zhì)條件增設(shè)盲溝和混凝土防滲墻，以協(xié)助排水和阻擋路塹邊坡的滲水，如圖6所示。

圖6 膨脹土路塹新型防水基床結(jié)構(gòu)示意圖

3 工程應(yīng)用

為檢驗(yàn)新型防水層應(yīng)用于膨脹土基床中的實(shí)際防水效果及新型基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，將新型防水層鋪設(shè)在云桂高速鐵路膨脹土地段這2個(gè)試驗(yàn)斷面內(nèi)，并測(cè)試激振荷載作用下基床中動(dòng)態(tài)土壓力分布規(guī)律及濕度變化情況。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

新建云桂高速鐵路南寧—百色段穿越膨脹土(巖)地區(qū)，全線弱、中、強(qiáng)膨脹等級(jí)的膨脹土均有分布，且具有很大的不連續(xù)性。選取DK161+770~DK161+ 990和DK205+380~DK205+618為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段內(nèi)膨脹土呈褐紅、褐黃色，硬塑—堅(jiān)硬狀，遇水易軟化、崩解，分布不均，間夾碎石、角礫等。膨脹土的工程性質(zhì)具體如下。

在弱—中膨脹土試驗(yàn)段，天然密度為1.93~2.16 g/cm3，天然含水量為12.64%，液限L為49.7%，塑限P為23.6%，塑性指數(shù)p為26.1，黏聚力為39.0~44.0 kPa，內(nèi)摩擦角為12.0o~13.0o，自由膨脹率s為40.2%~42.6%。

在中—強(qiáng)膨脹土試驗(yàn)段，天然密度為1.89~2.10 g/cm3，天然含水量為15.95%，液限L為55.8%，塑限P為26.3%，塑性指數(shù)p為29.5，黏聚力為46.0~51.0 kPa，內(nèi)摩擦角為10.0o~14.0o，自由膨脹率s為69.0%%~77.2%。

1) 試驗(yàn)斷面1：地基為弱—中膨脹土，試驗(yàn)斷面基床結(jié)構(gòu)層由上至下依次為厚度0.70 m基床表層(厚度0.65 m級(jí)配碎石+厚度0.05 m中粗砂)+厚度0.20 m新型防水層+0.50 m基床底層+弱—中膨脹土地基。如圖7(a)所示。

2) 試驗(yàn)斷面2：地基為中—強(qiáng)膨脹土，試驗(yàn)斷面基床結(jié)構(gòu)層從上至下依次為厚度0.70 m基床表層(厚度0.65 m級(jí)配碎石+厚度0.05 m中粗砂)+厚度0.20 m新型防水層+厚度1.60 m基床底層+中—強(qiáng)膨脹土地基。如圖7(b)所示。

在基床中埋設(shè)動(dòng)土壓力傳感器與土壤濕度傳感器，如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)設(shè)備采用高速鐵路路基原位動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)(DTS-1)，采用正弦波形加載，激振力為84 kN，頻率為20 Hz，并模擬干燥(天氣晴朗狀態(tài))和浸水(采用灑水車灑水，保持路基面被水覆蓋)2種服役環(huán)境，其中，干燥和浸水環(huán)境下各激振100萬次，共計(jì)200萬次，通過測(cè)試動(dòng)土壓力衰減及濕度變化以研究新型防水基床結(jié)構(gòu)在不同服役環(huán)境下的應(yīng)用效果。

(a) 試驗(yàn)斷面1，弱—中膨脹土； (b) 試驗(yàn)斷面2，中—強(qiáng)膨脹土

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 新型防水基床動(dòng)土壓力衰減規(guī)律

圖8所示為2個(gè)試驗(yàn)斷面不同深度處軌道中線豎向動(dòng)土壓力衰減變化曲線，其中，工況1為干燥條件，工況2為浸水條件。由圖8可知：動(dòng)土壓力隨著基床深度增加大致呈雙曲線函數(shù)衰減。從表2可知：雙曲線函數(shù)擬合效果較好；在相同服役條件下，2種基床結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力響應(yīng)存在一定的差異；在干燥與浸水這2種服役條件下基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)存在顯著性差異，且浸水服役條件下基床對(duì)動(dòng)荷載的敏感度更高。

(a) 試驗(yàn)斷面1；(b) 試驗(yàn)斷面2

表2 基床動(dòng)土壓力衰減曲線擬合關(guān)系式

注：()為距路基面深度處的動(dòng)土壓力；，，為擬合函數(shù)的系數(shù)；2為擬合系數(shù)。

為了更好地分析新型防水層復(fù)合材料對(duì)動(dòng)力響應(yīng)衰減的影響，定義單位層厚動(dòng)土壓力衰減量0為0=(σ?σ+1)/d,i+1(其中，σ和σ+1分別為結(jié)構(gòu)層的頂面、底面動(dòng)土壓力，d,i+1為結(jié)構(gòu)層厚度)。由此得到不同結(jié)構(gòu)層軌道中線動(dòng)土壓力衰減量見表3。從表3可知：對(duì)于試驗(yàn)斷面1，在工況1和工況2下，新型防水層(深度為0.70~0.90 m)內(nèi)單位層厚動(dòng)土壓力衰減量分別為31.00 kPa/m和51.55 kPa/m。對(duì)于試驗(yàn)斷面2，在工況1和工況2下，防水層內(nèi)單位層厚動(dòng)土壓力衰減量分別為33.00 kPa/m和41.20 kPa/m。相比于基床其他結(jié)構(gòu)層，新型防水層內(nèi)單位層厚動(dòng)土壓力衰減量較大，說明新型防水層復(fù)合材料加速了動(dòng)土壓力衰減，具有良好的減振作用。

為進(jìn)一步分析新型防水層對(duì)基床動(dòng)力響應(yīng)的減振影響，以試驗(yàn)斷面1為例，通過Odemark理論與彈性理論、數(shù)值模擬計(jì)算鋪設(shè)新型防水層與否時(shí)的基床動(dòng)土壓力衰減規(guī)律，并與干燥條件時(shí)軌道中線動(dòng)土壓力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為了直觀、統(tǒng)一地比較動(dòng)土壓力衰減效果，定義量綱一參數(shù)即動(dòng)土壓力衰減系數(shù)0(其中，為基床距路基面某深度處的動(dòng)土壓力，0為路基面動(dòng)土壓力)，結(jié)果如圖9所示。

表3 單位結(jié)構(gòu)層厚動(dòng)土壓力衰減量

1—鋪設(shè)防水層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值；2—鋪設(shè)防水層理論值；3—不鋪設(shè)防水層理論值；4—鋪設(shè)防水層數(shù)值模擬值；

由圖9可知：動(dòng)土壓力衰減系數(shù)理論值、數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值隨距路基面深度的衰減規(guī)律相似，但衰減量存在差異，其原因是理論計(jì)算與數(shù)值模擬計(jì)算均進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。對(duì)于理論值或數(shù)值模擬值，鋪設(shè)與未鋪設(shè)新型防水層時(shí)在深度0.7 m處的動(dòng)土壓力衰減系數(shù)基本相同，但在深度0.9 m處的動(dòng)土壓力衰減系數(shù)存在明顯差異，體現(xiàn)在鋪設(shè)新型防水層后的動(dòng)土壓力衰減系數(shù)更小，這進(jìn)一步說明新型防水層對(duì)動(dòng)土壓力的衰減具有積極作用。

3.2.2 防水結(jié)構(gòu)層抗?jié)B效果檢驗(yàn)

前面對(duì)新型防水層復(fù)合材料的浸水穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為更好地驗(yàn)證新型防水層復(fù)合材料在鐵路膨脹土路基中的防水隔水作用及其抗疲勞性能，試驗(yàn)前在基床中布置土壤濕度計(jì)(布置如圖7所示)測(cè)試基床內(nèi)濕度平均變化，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知：在干燥與浸水條件下，2個(gè)試驗(yàn)斷面的基床中濕度分布均存在顯著性差異，該差異主要發(fā)生在新型防水層以上；而對(duì)于新型防水層以下土層，濕度變化量趨近于0，這說明新型防水層能夠有效地隔斷地表水的下滲路徑；此外，干燥條件下新型防水層頂面位置處和防水層底面以下的濕度存在一定差異，說明新型防水層還能起到隔斷地下水上升作用。

激振試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)2個(gè)試驗(yàn)斷面的基床進(jìn)行開挖，檢查新型防水層質(zhì)量，如圖11所示。通過檢查發(fā)現(xiàn)新型防水層復(fù)合材料在200萬次激振后未發(fā)生破損、裂縫及滲漏問題，外觀質(zhì)量良好。這說明新型防水層復(fù)合材料具有較強(qiáng)的防水隔水及抗疲勞能力，能夠應(yīng)用于膨脹土地段基床治理。

(a) 試驗(yàn)斷面1；(b) 試驗(yàn)斷面2

(a) 中—弱膨脹土試驗(yàn)段；(b) 中—強(qiáng)膨脹土試驗(yàn)段

4 結(jié)論

1) 當(dāng)砂與土的質(zhì)量比約為1時(shí)，材料抗壓和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大；橡膠粉、乳化瀝青的摻入可有效地降低復(fù)合材料的彈性模量，并改善材料抗變形性能，但會(huì)降低材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2) 通過分析各材料組分對(duì)新型防水層材料的力學(xué)性能影響，提出了新型防水層材料制作的配合比參數(shù)與力學(xué)指標(biāo)控制要求。新型防水層復(fù)合材料具有良好的防水隔水、浸水穩(wěn)定性與抗疲勞性能，可滿足浸水與列車動(dòng)荷載作用下的服役要求。

3) 結(jié)合新型防水層復(fù)合材料設(shè)計(jì)了膨脹土地區(qū)新型防水基床結(jié)構(gòu)，與基床其他各結(jié)構(gòu)層相比，新型防水層內(nèi)單位層厚動(dòng)土壓力衰減量較大，新型防水層復(fù)合材料對(duì)動(dòng)土壓力的衰減具有促進(jìn)作用。

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(編輯 陳燦華)

Mechanical properties of new waterproof materials and its application in railway subgrade

YANG Guolin1, DUAN Junyi1, QIU Mingming1, 2, ZHOU Hubo1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Architectural Engineering Institute, Yanan University, Yanan 716000, China)

In order to effectively overcome the recurring diseases of railway subgrade in expansive soil area, a new waterproof composite material was developed by using sand and soil as the skeleton system, rubber powder and emulsified asphalt as modified components, and cement and fiber was reinforced ingredients based on the analysis of the causes of disease of expansive soil subgrade. The influences of the material components on the mechanical properties of composite materials were analyzed with experiments. Then, the control standards of the mix proportion and mechanical indexes of composite materials were presented by the target of middle-low modulus, excellent impermeability and high toughness. The application effect of the new waterproof composite materials was tested by means of vibration tests in practical engineering. The results show that the compressive strength and anti-folding strength of the new waterproof composite materials can reach the maximum when the mass ratio of sand to soil is close to 1. The reasonable addition of rubber powder, emulsified asphalt and polypropylene fiber can improve the anti-deformation ability of the material, but reduce the strength. The new waterproof composite material is able to promote the attenuation of dynamic earth pressure under drying and soaking condition, and also has good waterproof ability. It can break the paths of surface water infiltration and prevents groundwater from increasing and has better anti-fatigue capacity. The new waterproof composite material can be applied to solve the diseases of expansive soil subgrade.

new waterproof materials; mechanical properties; under-water stability; expansive soil; dynamic earth pressure; soil humidity

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.020

TU443

A

1672?7207(2018)11?2787?10

2017?11?02；

2018?01?26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478484, 51678571, 51778641); 中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016zzts401)；中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司科技開發(fā)項(xiàng)目(721630) (Projects(51478484, 51678571, 51778641) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016zzts401) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University; Project(721630) supported by Science and Technology Development of China Railway Design Corporation)

段君義，博士研究生，從事邊坡及特殊土路基動(dòng)力穩(wěn)定性研究；E-mail: junyidjy@163.com