劉孟適，羅 強(qiáng)，郭建湖，吳 鵬，連繼峰,3

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3. 西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

翻漿冒泥通常是指在基床土質(zhì)、水和列車荷載的不利組合下，路基面填料浸水軟化，并以泥漿形態(tài)通過道床向外翻冒擠出的現(xiàn)象，主要發(fā)生于液限wL大于32%、塑性指數(shù)Ip大于12的黏土或粉質(zhì)黏土構(gòu)筑的普速有砟軌道鐵路基床[1]。采用強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好的粗粒土填料能有效減少普速鐵路基床翻漿病害的產(chǎn)生[2]。無砟軌道基床翻漿是近年來多雨地區(qū)高速鐵路路基出現(xiàn)的一種新的病害形式，翻漿區(qū)域附近路肩和軌道板上流淌和堆積著大量級(jí)配碎石細(xì)顆粒析出物，個(gè)別嚴(yán)重部位甚至引起底座局部脫空和下沉[3]，一定程度上影響了軌道結(jié)構(gòu)的幾何平順性和長期穩(wěn)定性。

潘振華[3]研究滬寧城際鐵路路基翻漿檢查記錄認(rèn)為，與普速鐵路土質(zhì)基床翻漿機(jī)制不同，降雨過程中無砟軌道底座縫隙和級(jí)配碎石的低透水性容易導(dǎo)致路基面浸水形成水囊，級(jí)配碎石中細(xì)顆粒伴隨列車高速振動(dòng)下動(dòng)水壓力消散而發(fā)生移動(dòng)，是造成翻漿的直接原因，并提出了新建線路級(jí)配碎石粒徑組成采用文獻(xiàn)[4]規(guī)定下限和降低路肩封閉層高度的防治建議。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)無砟軌道基床翻漿路段開展了注膠整治前、后的路基振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基床翻漿降低了路基對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的支承剛度，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度較翻漿前顯著增大，注膠加固能提高路基與軌道結(jié)構(gòu)底座間的接觸條件和振動(dòng)傳遞性能，結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)明顯改善。文獻(xiàn)[7]對(duì)翻漿路段的線路平順性進(jìn)行了分析，指出基床翻漿主要影響軌面的垂向不平順，翻漿段軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)超過5 mm規(guī)定維修標(biāo)準(zhǔn)，采用聚氨酯材料注膠整修后能改善軌道不平順，但整修后期出現(xiàn)反彈趨勢(shì)。綜上可知，目前無砟軌道路基翻漿病害的研究，主要集中于基床部分顆粒外擠對(duì)軌道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)特性的影響以及相關(guān)整治技術(shù)措施，關(guān)于翻漿的成因僅存在經(jīng)驗(yàn)上的定性認(rèn)識(shí)，缺乏定量化的翻漿全過程模擬，不同氣候環(huán)境地區(qū)由降雨引起的高速線路基床表層顆粒穩(wěn)定性應(yīng)該如何鑒別，也值得進(jìn)一步探討。

鑒于此，通過開展室內(nèi)單元填土動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)，模擬不同級(jí)配碎石細(xì)粒含量和持水狀態(tài)、路基面離縫高度所對(duì)應(yīng)的基床翻漿現(xiàn)象，掌握翻漿形成基本條件和影響病害嚴(yán)重程度的重要因素；借助文獻(xiàn)[8]降雨入滲地表積水判據(jù)，通過對(duì)比規(guī)定降雨重現(xiàn)期下翻漿區(qū)域路基面等效降雨強(qiáng)度與路基面積水臨界雨強(qiáng)關(guān)系，以路基面離縫積水持續(xù)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建考慮線路地區(qū)降雨環(huán)境作用的無砟軌道基床翻漿判別方法，并以滬寧城際鐵路為例分析其離縫積水特征，可為雨水作用下高速線路基床結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 基床翻漿形成條件模型試驗(yàn)

1.1 翻漿病害原因分析

根據(jù)已開通運(yùn)營高速線路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，無砟軌道基床翻漿路段混凝土底座(或支承層)與路基面往往存在一定高度的離縫[3,5,9]。底座混凝土結(jié)構(gòu)本身缺陷、列車荷載引起底座和基床結(jié)構(gòu)不均勻變形、路堤和地基受上部結(jié)構(gòu)自重作用產(chǎn)生變形和沉降等因素，造成底座與路基面之間黏結(jié)作用失效形成離縫。

當(dāng)混凝土受溫度應(yīng)力作用產(chǎn)生收縮變形，易造成底座伸縮縫以及與路肩封閉層間側(cè)縫內(nèi)填充材料的開裂，進(jìn)而形成滲水通道。由于底座范圍路基面水平，當(dāng)前設(shè)計(jì)中路肩封閉層又高于底座下路基面，致使路基面橫向排水不通暢。若基床表層級(jí)配碎石滲透性較差，進(jìn)入路基面的雨水短時(shí)間內(nèi)將難以排除，局部聚積填充在底座與路基面離縫空間處。

在列車荷載作用下，離縫上下結(jié)構(gòu)層發(fā)生相向運(yùn)動(dòng)，填充離縫的自由水受離縫作用體積壓縮形成較高的瞬時(shí)動(dòng)水壓力，并向底座滲水，裂隙消散。離縫與裂隙間的滲流壓差導(dǎo)致其間發(fā)生水的滲流，級(jí)配碎石中細(xì)顆粒受到水的滲透力作用移動(dòng)而形成渾濁泥漿[10]。經(jīng)過多次動(dòng)水壓的上升和消散過程，宏觀上表現(xiàn)為水與細(xì)顆粒以泥漿方式從底座縫隙擠出，造成基床翻漿現(xiàn)象。

1.2 室內(nèi)翻漿模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分析表明，無砟軌道基床翻漿形成條件包括離縫形成、自由水填充離縫和列車荷載作用三個(gè)方面。為確定無砟軌道基床翻漿機(jī)制，研究各關(guān)鍵因素如級(jí)配碎石細(xì)粒含量、離縫高度等與翻漿嚴(yán)重程度的相關(guān)性，通過構(gòu)筑“平面單元-豎向足尺”的填土模型，進(jìn)行基床翻漿室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)裝置及土料制備

試驗(yàn)所用剛性無蓋長方體模型箱填土區(qū)域平面尺寸為700 mm×600 mm，以此作為路基面單元。模型箱高500 mm，底板共設(shè)置6處泄水孔，分別沿底板兩長邊等間距布置，用于試驗(yàn)過程中模型填土持水狀態(tài)控制。

試驗(yàn)加載設(shè)備為電液伺服控制作動(dòng)器，額定最大輸出荷載為100 kN，最大作用頻率為10 Hz，作動(dòng)器加載端安裝有平面尺寸550 mm×550 mm、厚度25 mm的剛性加載板，以模擬實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)底座對(duì)路基面的作用。加載板南、北向邊緣安設(shè)有非接觸式電渦流位移傳感器，以準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)過程中加載板的變形。圖1為整個(gè)試驗(yàn)裝置示意。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

模型所用級(jí)配碎石填料來自某高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)，采用干篩法制備細(xì)粒含量(粒徑小于0.1 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù))0%的級(jí)配碎石土料P0，其中不小于0.1 mm顆粒級(jí)配為TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]規(guī)定范圍中值，為分析細(xì)粒含量增加對(duì)基床翻漿現(xiàn)象的影響，在土料P0的基礎(chǔ)上人為摻配質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的細(xì)粒土得到土料P20。密度計(jì)顆粒分析試驗(yàn)表明[12]，試驗(yàn)所用摻配細(xì)粒土中粉粒含量為85.5%，黏粒僅占14.2%。由于細(xì)粒常黏附于粗粒表面，使得干篩法配制土料的細(xì)粒含量與實(shí)際存在差別，故在土料配制完成后采用水洗濕篩法測(cè)定P0、P20的實(shí)際細(xì)粒含量分別為4.1%、22.3%。由于當(dāng)前路基填筑中大多采用簡便易行的干篩法確定填料級(jí)配[12-13]，以下級(jí)配碎石細(xì)粒含量均指干篩法測(cè)定數(shù)據(jù)。

圖2、表1示出了試驗(yàn)土料級(jí)配曲線和級(jí)配特征參數(shù)，可知土料P0粒徑級(jí)配滿足規(guī)范[11]要求；P20的顆粒組成以及不均勻系數(shù)也符合規(guī)定，只是細(xì)粒含量明顯高于規(guī)范上限。

圖2 試驗(yàn)土料粒徑級(jí)配曲線

表1 級(jí)配特征參數(shù)

參照文獻(xiàn)[12]對(duì)土料進(jìn)行Z3重型擊實(shí)試驗(yàn)，相應(yīng)干密度-含水率關(guān)系見圖3。采用三點(diǎn)二次插值函數(shù)法[14]，計(jì)算得到土料P0最大干密度ρd1,max=2.24 g/cm3，最優(yōu)含水率wopt,1=2.7%，P20相應(yīng)ρd2,max=2.34 g/cm3，wopt,2=4.9%。模型填筑前在模型箱底部攤鋪50 mm厚均勻礫石透水層，便于試驗(yàn)過程中上部級(jí)配碎石填土的滲流水通過礫石層從泄水孔排出。礫石透水層與填土接觸面自上而下依次鋪設(shè)孔徑2 mm和0.1 mm篩網(wǎng)，避免填土細(xì)顆粒進(jìn)入透水層。模型填土厚度H=400 mm，與實(shí)際基床表層厚度一致，采用體積-質(zhì)量控制法、按0.97壓實(shí)系數(shù)對(duì)模型分4層均勻填筑。模型填筑完畢后，采用水頭飽和法自下而上對(duì)填土進(jìn)行飽和，直至表面出現(xiàn)自由水膜。

圖3 土料干密度-含水率關(guān)系曲線

(2)模型填土滲透系數(shù)測(cè)定

模型填土飽和完成后，繼續(xù)打開底部泄水孔閥門，對(duì)模型表面注水使持續(xù)出現(xiàn)約5 mm水膜，待滲流穩(wěn)定后收集泄水孔一定時(shí)間間隔t內(nèi)的滲水體積V，將模型填土底面作為基準(zhǔn)面，則表面僅近似存在H大小的位置水頭，模型填土表面與底面間的水力坡降i為

(1)

式中：ΔZ為模型填土表面與底面間滲流總水頭差；L為滲流路徑。

參照Darcy定律[15]，模型填土滲透系數(shù)k可計(jì)算為

(2)

式中：A為模型填土橫截面面積。

(3)加載方案及試驗(yàn)條件控制

利用作動(dòng)器帶動(dòng)加載板對(duì)模型表面施加循環(huán)荷載。試驗(yàn)加載分為應(yīng)力和變形控制兩種方式，分別對(duì)應(yīng)加載板與模型表面無離縫和有離縫條件。應(yīng)力控制式荷載波形為正弦波，參考無砟軌道路基面動(dòng)荷載基本作用頻率實(shí)測(cè)值[16]，模型加載頻率為4 Hz；加載靜應(yīng)力為σs=20 kPa，循環(huán)應(yīng)力σd=40 kPa，則對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為σmax=60 kPa，荷載作用次數(shù)1萬次。

變形控制式加載仍為頻率4 Hz的正弦波，加載板循環(huán)變形最大輸出值為δ，以加載板與模型初始表面接觸作為平衡位置，使加載板在平衡位置發(fā)生±δ/2的變形幅值進(jìn)行加載(以填土方向?yàn)檎粗疄樨?fù))，作用次數(shù)1萬次。為準(zhǔn)確確定加載離縫高度，變形加載過程中實(shí)時(shí)記錄作動(dòng)器荷重傳感器讀數(shù)峰值，即模型填土實(shí)際受荷最大值σr；在試驗(yàn)前、后分別測(cè)定模型填土事前剛度系數(shù)K1和事后剛度系數(shù)K2，并假定整個(gè)變形加載過程中剛度系數(shù)恒定為K= (K1+K2)/2。如圖4所示，加載某時(shí)刻填土瞬時(shí)彈性變形、表面豎向累積變形以及瞬時(shí)加載離縫高度可分別按計(jì)算為

圖4 變形加載控制示意

(3)

Sp=δ/2-Se

(4)

h′=δ/2+Sp=δ-Se

(5)

式中：Se為模型填土瞬時(shí)彈性變形；Sp為該時(shí)刻模型填土表面的豎向累積變形；h′ 為瞬時(shí)離縫高度。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统炙疇顟B(tài)控制為潮濕、表面積水和飽和表面無積水三種工況：潮濕狀態(tài)模擬實(shí)際工程中填料處于非飽和、離縫無自由水填充的環(huán)境，表面積水模擬路基面積水導(dǎo)致離縫充滿水膜，飽和表面無積水模擬填料飽和但離縫無水的情況。

潮濕狀態(tài)具體操作為：始終打開模型箱泄水孔，向模型表面不斷注水，待泄水孔形成均勻滲流后停止注水，靜置模型直至表面無明顯積水、泄水孔無水流出。表面積水狀態(tài)的控制為在填土飽和條件下關(guān)閉泄水孔，自模型表面注水直至形成充滿離縫的積水。飽和表面無積水狀態(tài)的操作可在填土飽和條件下關(guān)閉泄水孔，排除模型表面積水。表2為各試驗(yàn)?zāi)Ｐ途幪?hào)及加載方式。

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象

(1)細(xì)粒含量與級(jí)配碎石滲透系數(shù)關(guān)系

圖5為采用自由下滲法測(cè)定的級(jí)配碎石滲透系數(shù)k隨細(xì)粒含量wfc變化規(guī)律，圖中同時(shí)示出了文獻(xiàn)[17-18]的細(xì)粒含量3%、7%級(jí)配碎石滲透系數(shù)。由圖5可知細(xì)粒含量對(duì)級(jí)配碎石滲透系數(shù)影響顯著，wfc=0%時(shí)級(jí)配碎石滲透系數(shù)k0=1.06×10-2cm/s，屬于強(qiáng)透水性土[19]；隨著細(xì)粒填充效應(yīng)增加[20]，滲透系數(shù)呈指數(shù)型降低，最終在wfc=20%時(shí)相應(yīng)k20=4.37×10-6cm/s，滲透性等級(jí)變?yōu)槲⑼杆浴?/p>

圖5 級(jí)配碎石滲透系數(shù)與細(xì)粒含量關(guān)系

(2)變形控制加載過程離縫高度變化特征

圖6為模型變形控制加載過程中Se和h′ 隨加載次數(shù)N的變化情況。在δ固定情況下，伴隨N不斷增加，加載初期因填土受荷致使Sp發(fā)展迅速，模型表面高度下降，相應(yīng)Se逐漸減小，根據(jù)式(5)可知h′ 不斷增大；同時(shí)，Se的減小使填土所受荷載水平降低，Sp變化速率減緩[21]，故此后h′ 變化逐漸趨于平緩。定義整個(gè)加載過程的離縫高度平均值h作為模型離縫表征值，各模型h值參見表3。

圖6 Se和h′ 隨N的變化(模型P0-CD2)

表3 模型變形控制加載離縫特征值

(3)模型試驗(yàn)翻漿現(xiàn)象

表4歸納了模型加載過程中主要的試驗(yàn)現(xiàn)象，圖7～圖10為試驗(yàn)后模型表面呈現(xiàn)的典型狀態(tài)。模型P0-CS、P0-CD1～P0-CD3、P0-JS、P20-CS、P20-CD1、P20-CD2和P20-JS直至加載結(jié)束均無翻漿現(xiàn)象發(fā)生。模型P0-JD1～P0-JD3和P20-JD1在加載時(shí)，積水不斷從離縫處擠出，模型表面依次出現(xiàn)渾濁泥漿→離縫間水流沖刷攜出顆粒并在板邊堆積→剩余顆粒形成松散均勻礫石層的翻漿過程；隨著離縫高度增加，土料P0開始出現(xiàn)渾水現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的荷載作用次數(shù)不斷減小，且模型P0-JD1僅發(fā)生局部翻漿，破壞程度弱于模型P0-JD2和P0-JD3的全加載范圍翻漿；收集板邊堆積的被沖刷顆粒進(jìn)行篩分試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粒徑0.5～10 mm范圍顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.1%，與滬寧城際鐵路現(xiàn)場(chǎng)基床翻漿攜出顆粒粒徑基本一致[3]，而大部分小于0.5 mm的顆粒則與水混合成泥漿流失；土料P20的顆粒攜出量明顯大于土料P0，翻漿程度較P0更為劇烈。模型P0-WD1在加載時(shí)板邊局部僅有渾濁度不高的水冒出，無顆粒移動(dòng)發(fā)生；P0-WD2則出現(xiàn)弱于同等離縫高度模型P0-JD3的局部翻漿現(xiàn)象。

表4 翻漿模型試驗(yàn)現(xiàn)象

圖7 模型潮濕狀態(tài)加載后表面

圖8 模型P0-JD3加載后翻漿現(xiàn)象

圖9 模型P20-JD1加載后翻漿現(xiàn)象

圖10 土料P0飽和表面無積水有離縫加載后模型表面

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)室內(nèi)翻漿模型試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合高速鐵路無砟軌道實(shí)際工況，分析認(rèn)為：

(1)底座與路基面無離縫存在情況下不會(huì)發(fā)生翻漿，且不受級(jí)配碎石持水狀態(tài)影響(如模型P0-CS、P0-JS、P20-CS、P20-JS)。此時(shí)上部軌道結(jié)構(gòu)傳遞的列車荷載主要由強(qiáng)度較高的級(jí)配碎石顆粒骨架承擔(dān)，顆粒間上升的超孔隙水壓不致引起土顆粒的移動(dòng)。

(2)級(jí)配碎石處于潮濕狀態(tài)的有離縫情況下也不會(huì)翻漿(如模型P0-CD1～P0-CD3、P20-CD1、P20-CD2)。離縫與路基面間無滲流產(chǎn)生，不存在促使土顆粒發(fā)生移動(dòng)的滲透力作用。

(3)級(jí)配碎石在表面積水有離縫加載條件下出現(xiàn)明顯翻漿現(xiàn)象，翻漿劇烈程度與離縫高度呈正相關(guān)(如模型P0-JD1～P0-JD3)。受荷時(shí)離縫體積壓縮，離縫間積水在路基面發(fā)生滲流沖刷，表面顆粒受到足夠的滲透力作用發(fā)生移動(dòng)造成翻漿。而離縫越高使得體積壓縮程度越大，相同加載頻率下產(chǎn)生的沖刷水流速度越快，顆粒受到的滲透力越大[22]，翻漿現(xiàn)象也就越早出現(xiàn)。

(4)級(jí)配碎石在飽和表面無積水狀態(tài)的有離縫加載下，翻漿顯現(xiàn)程度隨離縫高度增加而提高，最終出現(xiàn)局部翻漿(如模型P0-WD1～P0-WD2)。離縫高度較小時(shí)，由于離縫間不存在積水，無沖刷水流，故翻漿現(xiàn)象不顯著；隨著離縫高度增加，土體所受荷載水平增大，若土中水位高度仍保持不變，因土體表面出現(xiàn)明顯豎向累積變形，逐漸形成表面有積水加載狀態(tài)，導(dǎo)致翻漿現(xiàn)象發(fā)生。

(5)翻漿劇烈程度隨級(jí)配碎石細(xì)粒含量提高而加劇(如模型P20-JD1)。土中顆粒移動(dòng)臨界滲透力與粒徑呈正比[23]，級(jí)配碎石細(xì)粒含量越高，相同滲透力下可發(fā)生移動(dòng)的顆粒數(shù)量就越多，翻漿也就越劇烈。

(6)試驗(yàn)證明了離縫形成、離縫范圍積水和列車荷載作用是翻漿形成的三個(gè)基本要素，三者必須同時(shí)存在才會(huì)產(chǎn)生無砟軌道基床翻漿。

2 無砟軌道路基面離縫積水分析

2.1 Mein-Larson降雨入滲地表積水判據(jù)[8]

某時(shí)段內(nèi)滲入單位面積土中水的體積稱為該時(shí)段土的入滲量，以Fs表示；Fs隨時(shí)間t的變化率fc=dFs/dt定義為土的入滲率；在充分供水條件下相應(yīng)入滲率稱為土的入滲能力fp[24]。文獻(xiàn)[25]在具有相同初始含水率、地表充分供水的均質(zhì)土飽和下滲前提下，根據(jù)Darcy定律提出了式(6)所示的經(jīng)典積水入滲方程。隨濕潤峰入滲距離zw或入滲量Fs的增加，fp呈現(xiàn)負(fù)冪函數(shù)型降低的規(guī)律，當(dāng)zw或Fs增大至正無窮時(shí)fp趨近于ks。

(6)

式中：ks為土體飽和滲透系數(shù)；H0為地表積水厚度；Hi為濕潤峰處基質(zhì)吸力水頭；θi為土體初始含水率；θs為土體飽和含水率。

文獻(xiàn)[8]在Green-Ampt模型基礎(chǔ)上，分析了穩(wěn)定降雨條件的入滲過程，據(jù)此推導(dǎo)了降雨入滲中地表積水判據(jù)，只有當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的入滲能力，地表才會(huì)因供水“過量”出現(xiàn)積水。假定降雨歷時(shí)內(nèi)降雨強(qiáng)度I恒為常數(shù)，則土體實(shí)際入滲率和表面積水狀況可根據(jù)降雨強(qiáng)弱分別考慮為如下兩種情形：

(1)I≤ks，由式(6)可知降雨強(qiáng)度小于土體最小入滲能力，所有雨水均被土體滲流吸收，整個(gè)降雨過程中土體表面不會(huì)形成積水，土體實(shí)際入滲率等于降雨強(qiáng)度，即fc=I。

(2)I>ks，降雨入滲初期zw和Fs較小，相應(yīng)ks

假定情形(2)中降雨積水前土中仍為自上而下的飽和入滲，根據(jù)fp隨入滲量Fs的增加而降低的規(guī)律，且積水前實(shí)際入滲率始終為fc=I，最終確定在降雨歷時(shí)t下土體表面恰好達(dá)到積水條件fc=fp=I所需臨界降雨強(qiáng)度Ic，見式(7)。對(duì)于廣泛構(gòu)筑高速鐵路基床的粗粒土填料而言，較小的基質(zhì)吸力僅在降雨歷時(shí)初期對(duì)Ic存在影響，隨著t的增加Ic迅速趨近ks。

(7)

2.2 無砟軌道滲水裂隙水力計(jì)算

無砟軌道路基上覆封閉不透水混凝土材料，大部分降落至軌道結(jié)構(gòu)的雨水可直接經(jīng)頂面向線路兩側(cè)橫向排出[11]，僅底座伸縮縫或側(cè)縫內(nèi)開裂的填充材料存在滲水通道[3,5-6]。通?？v連式軌道結(jié)構(gòu)底座側(cè)縫僅發(fā)生少量輕微翻漿，翻漿病害嚴(yán)重部位多位于受力集中、離縫顯現(xiàn)的分塊底座端部附近，泥漿從底座間伸縮縫及其相鄰縱向側(cè)縫大量冒出[5]，故重點(diǎn)對(duì)單元板式軌道結(jié)構(gòu)底座端部翻漿區(qū)域的裂隙進(jìn)行水力計(jì)算。

降雨過程中，裂隙通道滲水量與裂隙的降雨匯水以及自身滲透性相關(guān)聯(lián)，分析如下。

(1)裂隙降雨匯水流量

地區(qū)降雨強(qiáng)度規(guī)律通常以降雨歷時(shí)為橫坐標(biāo)、各歷時(shí)最大平均雨強(qiáng)為縱坐標(biāo)的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)曲線(I-t曲線)表示。確定的I-t關(guān)系不僅與地區(qū)所處地理位置有關(guān)，還與降雨發(fā)生的保證率即重現(xiàn)期T存在聯(lián)系，某地區(qū)一定T下的I隨t的增加呈逐漸衰減趨勢(shì)[24,26]。

設(shè)底座和軌道板尺寸(長×寬)分別為L1×B1、L2×B2，若伸縮縫冒漿裂隙J1沿整個(gè)底座寬度方向出現(xiàn)，取J1長度l1=B1，四周相鄰冒漿側(cè)縫J2的長度均為l2，且l2始終小于0.5L1。如圖11所示，降落雨水主要在軌道板及其兩側(cè)底座表面匯集，假定匯水面雨水僅向直線距離最近的底座邊緣流動(dòng)，則J1的匯水區(qū)域A1,1是以底座伸縮縫為其中一條對(duì)角線的正方形X1X2X3X4，J2匯水面積A1,2視長度l2而定，當(dāng)l2≤B1/2時(shí)考慮為圖11(a)中的S△X1Y1Y2，l2>B1/2為圖11(b)中的梯形S四邊形X1Y3Y4X2。

圖11 單元板式軌道結(jié)構(gòu)翻漿區(qū)域裂隙匯水示意圖

降雨期間忽略雨水在匯水面上的徑流時(shí)間，進(jìn)入裂隙的匯水流量Qc即為匯水面積與降雨強(qiáng)度的乘積，可根據(jù)式(8)、式(9)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

(9)

(2)裂隙滲流通水量

(10)

(11)

Qf=q·l

(12)

式中：l為裂隙長度；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，20 ℃時(shí)取1.007×10-6m2/s；g為重力加速度，本文取g=9.8 m/s2。

2.3 基于離縫積水持續(xù)時(shí)間的基床翻漿判定

從式(8)、式(9)可以看出，在固定降雨重現(xiàn)期下，若已知軌道結(jié)構(gòu)尺寸和裂隙長度，則單一裂隙匯水流量Qc隨降雨歷時(shí)t的變化規(guī)律與地區(qū)降雨強(qiáng)度一致，如圖12中曲線AD所示。當(dāng)整個(gè)降雨歷時(shí)過程中Qc始終小于自身通水量Qf，則裂隙滲水流量Qin=Qc；又如圖12中折線BCD所示，如果在t小于某歷時(shí)tp條件下相應(yīng)Qc大于Qf，則過大的降雨匯水量超過裂隙本身的透水能力，雨水通過裂隙只能按Qin=Qf進(jìn)行滲入，而后t大于tp使得Qc低于Qf，Qin又開始只受Qc控制。故任意降雨歷時(shí)的Qin取決于Qc和Qf中的較小值。

圖12 裂隙滲水流量隨降雨歷時(shí)變化曲線

假定自底座裂隙J1和J2滲入的水量在翻漿路基面均勻豎直下滲，定義裂隙滲水總流量與翻漿面積之比為路基面等效降雨強(qiáng)度Ie，則Ie的表達(dá)式為

(13)

式中：Qin,i為第i處裂隙滲水流量；Qc,i為第i處裂隙匯水流量，不同位置的裂隙可按式(8)或式(9)計(jì)算；Qf,i為第i處裂隙通水量，根據(jù)Re的大小按式(11)、式(12)確定；A2為路基面翻漿區(qū)域面積。

考慮底座下路基土體的入滲特性主要由基床表層填料決定，由2.1節(jié)可知，當(dāng)翻漿區(qū)域路基面等效降雨強(qiáng)度大于基床表層填料的積水臨界降雨強(qiáng)度，表明對(duì)應(yīng)路基面的供水條件超過填料的入滲能力，離縫位置將會(huì)形成積水。因此，規(guī)定降雨重現(xiàn)期[T]下任意降雨歷時(shí)t所對(duì)應(yīng)Ie(t)與Ic(t)之比F(t)，作為該時(shí)刻路基面離縫積水的判據(jù)

(14)

式中：F(t)為路基面降雨強(qiáng)度比，F(xiàn)(t)>1表明離縫產(chǎn)生積水；Ie(t)為降雨歷時(shí)t下的等效降雨強(qiáng)度；Ic(t)為降雨歷時(shí)t下基床表層填料的積水臨界降雨強(qiáng)度。

若F(t)>1的降雨歷時(shí)區(qū)間為[t1,t2](其中0≤t1≤t2<+∞)，可按式(15)計(jì)算路基面離縫積水持續(xù)時(shí)間(簡稱離縫積水持時(shí))

td=t2-t1

(15)

結(jié)合式(7)～式(15)分析可知，td主要受基床表層填料飽和滲透系數(shù)、線路地區(qū)降雨強(qiáng)度和裂隙幾何尺寸的影響，飽和滲透系數(shù)越小、降雨強(qiáng)度以及裂隙的幾何尺寸越大，離縫積水持時(shí)越長。在線路運(yùn)營期間，長時(shí)間的離縫積水容易受到列車荷載反復(fù)作用產(chǎn)生基床翻漿?？筛鶕?jù)td是否超過翻漿形成的積水時(shí)間閾值，提出判定無砟軌道基床翻漿的方法，即“雨強(qiáng)-積水法”：

(16)

式中：[t]為形成翻漿的離縫積水時(shí)間閾值，由基床表層填料類型、離縫高度、形成翻漿的荷載次數(shù)、列車運(yùn)營編組形式、列車速度和列車追蹤時(shí)間等決定。

3 應(yīng)用實(shí)例

以翻漿病害典型出現(xiàn)的滬寧城際鐵路為例，采用“雨強(qiáng)-積水法”對(duì)廣泛鋪設(shè)CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道的路基面離縫積水以及翻漿現(xiàn)象進(jìn)行判斷。滬寧城際鐵路基床表層級(jí)配碎石中小于0.1 mm顆粒含量高達(dá)10%[3,18]，由圖5中級(jí)配碎石細(xì)粒含量與滲透系數(shù)的關(guān)系得到相應(yīng)k10=7.02×10-4cm/s，參照文獻(xiàn)[29-30]確定θi=4.8%，θs=6.1%，Hi=500 mm。

(1)幾何參數(shù)

取軌道結(jié)構(gòu)尺寸L1=20×103mm，B1=3 000 mm、L2=4 962 mm、B2=2 400 mm?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)基床翻漿主要發(fā)生在以底座伸縮縫為中心、沿縱向5 m范圍內(nèi)[5]，對(duì)應(yīng)A2=15×106mm2，區(qū)域內(nèi)J1和J2滲水裂隙的長度分別取l1=3 000 mm、l2=2 500 mm，則由圖11(b)可知，此時(shí)裂隙總匯水面積與翻漿面積相等。

文獻(xiàn)[31]進(jìn)行的無砟軌道長期溫度觀測(cè)認(rèn)為，底座溫度在冬、夏兩季達(dá)到極值，變化幅值約為30 ℃。針對(duì)滬寧城際鐵路基床翻漿通常在每年降雨量相對(duì)充沛且溫度適中的3—4月集中顯現(xiàn)[3]，算例中考慮底座溫度變化范圍ΔT=15 ℃，則按式(17)計(jì)算的底座填縫材料溫縮裂隙寬度歸納于表5。

表5 翻漿區(qū)域裂隙寬度計(jì)算結(jié)果

e=α·ΔT·Lx

(17)

式中：α為材料線膨脹系數(shù)，混凝土α1=1.0×10-5℃-1，瀝青混凝土α2=2.1×10-5℃-1 [31]；Lx為引起材料溫縮變形相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)翻漿判定

針對(duì)J=1的自由下滲狀態(tài)，由式(10)～式(12)計(jì)算得到裂隙J1在寬度e1=3.00 mm下形成紊流所對(duì)應(yīng)的通水量Qf1=9.64×108mm3/min，裂隙J2在e2=0.54 mm層流狀態(tài)的通水量Qf2=1.92×107mm3/min。應(yīng)用表6中上海地區(qū)在[T]=1 a標(biāo)準(zhǔn)下統(tǒng)計(jì)得到的城市暴雨強(qiáng)度公式作為滬寧城際鐵路沿線降雨強(qiáng)度I1[32]，圖13示出了由降雨引起的裂隙J1和J2匯水流量Qc,1、Qc,2隨t的變化情況。整個(gè)歷時(shí)中J1和J2的匯水流量均小于自身通水量，路基面等效降雨強(qiáng)度Ie,1僅由裂隙的降雨匯水決定。在滬寧城際鐵路滲水裂隙總匯水面積等于翻漿面積的前提下，根據(jù)式(13)可知此時(shí)Ie,1即為大氣降雨強(qiáng)度I1。

表6 城市暴雨強(qiáng)度公式(T=1 a)

圖13 裂隙降雨匯水流量與通水量關(guān)系

聯(lián)立式(7)、式(13)和式(14)，圖14繪出了各降雨歷時(shí)下滬寧城際鐵路路基面降雨強(qiáng)度比F1(t)，圖中同時(shí)對(duì)比了相同條件下蘭州地區(qū)的路基面降雨強(qiáng)度比F2(t)(相應(yīng)[T]=1 a的降雨強(qiáng)度I2如表5所示)。在降雨入滲初期，級(jí)配碎石積水臨界雨強(qiáng)Ic,g迅速趨近于飽和滲透系數(shù)k10，導(dǎo)致F1(t)和F2(t)隨著t的增大均表現(xiàn)為短時(shí)增加；當(dāng)t>10 min 后，Ic,g基本不再變化，F(xiàn)1(t)和F2(t)因僅受降雨強(qiáng)度控制而與t呈負(fù)相關(guān)。采用迭代法求得F1(t)>1的歷時(shí)區(qū)間為[0,90]，由式(15)得到相應(yīng)離縫積水持時(shí)td,1=90 min；F2(t)在整個(gè)歷時(shí)中恒小于1，1年一遇的降雨不會(huì)引起蘭州地區(qū)高速鐵路路基面離縫積水，離縫積水持時(shí)td,2=0。

圖14 路基面降雨強(qiáng)度比隨降雨歷時(shí)變化

滬寧城際鐵路列車運(yùn)營速度300 km/h，運(yùn)營列車由2輛拖車(T)和6輛動(dòng)車(M)構(gòu)成編組，列車全長201.4 m，同一方向列車間追蹤間隔時(shí)間取4 min[33]。以1.3節(jié)中模型P0-JD3在離縫高度h=3.19 mm過軸440次出現(xiàn)渾水泥漿現(xiàn)象作為算例的翻漿起始條件，則換算后得到的[t]=52.56 min。在1年一遇的降雨條件下，根據(jù)“雨強(qiáng)-積水法”分析可知，采用細(xì)粒含量10%的級(jí)配碎石填筑的滬寧城際鐵路基床表層，其td,1比[t]大71.2%，路基面離縫積水持時(shí)超過允許值，其間容易受到列車荷載多次作用，使得填料中細(xì)顆粒因水流的沖刷而發(fā)生移動(dòng)，這也是位于多雨地區(qū)的滬寧城際鐵路在線路運(yùn)營期間出現(xiàn)嚴(yán)重翻漿病害的重要原因之一。同條件下位于半干旱地區(qū)的蘭州td,2=0，說明細(xì)粒含量10%的級(jí)配碎石入滲能力能夠適應(yīng)該地區(qū)1年一遇的降雨強(qiáng)度。因此，高速鐵路無砟軌道基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制級(jí)配碎石的細(xì)粒含量，保證由其滲透系數(shù)決定的積水臨界雨強(qiáng)大于線路所在地區(qū)路基面等效雨強(qiáng)。

4 結(jié)論

基于加載板離縫設(shè)置、級(jí)配碎石細(xì)粒含量和持水狀態(tài)不同的單元填土動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)，確定了無砟軌道基床翻漿形成的基本要素，結(jié)合降雨中路基面等效降雨強(qiáng)度和離縫積水持續(xù)時(shí)間分析，提出了無砟軌道基床翻漿判別方法，得到以下結(jié)論：

(1)離縫形成、離縫積水和列車荷載作用是形成無砟軌道基床翻漿的必要條件，離縫高度和基床表層級(jí)配碎石填料細(xì)粒含量增加會(huì)加劇翻漿嚴(yán)重程度，使發(fā)生翻漿所需荷載作用次數(shù)減小及顆粒攜出量增多。

(2)以路基面離縫積水持續(xù)時(shí)間td內(nèi)承受的列車荷載達(dá)到翻漿形成的作用次數(shù)為條件，提出了判定無砟軌道基床翻漿的“雨強(qiáng)-積水法”。其中，td可根據(jù)翻漿區(qū)域路基面等效降雨強(qiáng)度Ie和積水臨界雨強(qiáng)Ic比值F(t)>1所對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)區(qū)間長度計(jì)算得到。

(3)分析發(fā)現(xiàn)，地處多雨地區(qū)的滬寧城際鐵路CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道在1年一遇的降雨下，底座伸縮縫位置的路基面離縫長時(shí)間處于積水狀態(tài)，表明滬寧城際鐵路的高細(xì)粒含量級(jí)配碎石基床表層透水能力與線路所在地的降雨環(huán)境不匹配。