朱江江

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

1 概述

铁路路基是上部列车和轨道结构的基础，其主体工程设计使用年限长达100年，路基施工完成并投入运营后，在大气降水、地下水位和蒸发力等自然因素作用下，路基含水率会发生变化，导致填料物理力学性能弱化，直接影响线路长期服役性能[1-3]。因此，开展路基含水率的季节性变化规律研究，对掌握路基运营的长期稳定性具有重要的理论和实践意义。

目前，国内外学者通过理论分析、模型试验和现场监测等方式对路基湿度变化规律进行了诸多研究。Thomas[4-5]根据蒸发量实测数据，采用非饱和土流固耦合理论，分析了黏土含水率随季节性的变化规律；黎瀚文等[6]针对我国高铁路基，建立了考虑大气作用的水-热耦合水分迁移模型，利用北京、上海两地的实测气象数据，研究了不同气候和填料类型对路基水分迁移的影响；肖源杰等[7]采用非饱和渗流数值计算理论，考虑基床填料回弹模量和累积塑性应变的含水率敏感性，通过建立二维有限元分析模型，深入分析了降雨入渗诱发铁路路基病害的内在机制；李萍等[8]通过在探井井壁上埋设土壤水分计，采用人工滴水方式模拟天然降雨条件，分析了降雨入渗地面后的影响深度及运移规律；王斌文等[9]以兰新高铁路基试验点，借助自主研发的测试仪器，进行了不同上覆荷载下的水平及竖向渗流原位试验，研究了水在不同渗流方向下对高速铁路无砟轨道泥岩地基膨胀性及渗透性的影响规律；王晓东[10]结合某高速铁路膨润土路基设计，研究了膨润土的亲水特性，详细分析了高速铁路膨润土路基病害机理，并提出了对工程有实际指导意义的防水及工程措施；钱尼贵等[11]为掌握路基内部含水率的真实变化情况，在广东两条高速公路路基试验段埋设水分传感器，对路基含水率进行了长期现场监测，分析了其含水状态及变化规律；徐国元等[12]以广州北二环高速公路为依托，在路基内部不同深度处埋设水分传感器，进行了为期一年的现场监测，建立了路基含水率的变化模型；陈仁朋等[13]通过足尺模型试验，研究了地下水位变化对高铁无砟轨道路基变形特性的影响，获得了路基累积变形随轮轴荷载振动次数以及列车运行速度的相互关系。

综上所述，已有研究对象大多以高速铁路和高速公路为主，对于轴载重、行车密度高和运量大的重载铁路而言，路基需承受更强的荷载及疲劳作用，其含水状态对线路长期服役性能的影响更显著。因此，为掌握路基湿度场随气候季节性的变化规律，依托浩吉重载铁路工程建设，在路基试验段选取典型断面分层埋设水分传感器，对路基填筑过程中和填筑完成后的含水状态进行长期观测，分析路基含水率的时空分布特征，以期为优化路基防排水设计与施工提供参考。

2 路基填料基本工程性质

浩吉重载铁路北起内蒙古浩勒报吉，南至江西吉安，线路全长1 813.5 km；选取的路基试验段位于江西省新余市，断面里程为DK1806+729.06～DK1806+858，路基填料的基本物理化学和力学性质，按规范[14]的相关规定进行测试。

2.1 路基填料矿物和化学成分分析

矿物和化学成分对路基填料的工程性质具有显著影响，黏土矿物相对含量即使不大，也常表现出明显的控制作用，因此，有关矿物成分的定性定量研究一直受到工程地质、岩土工程领域的高度重视。对于路基填料中的矿物和化学成分，分别采用DX-2000型X射线衍射仪和Axios Max型X射线荧光光谱仪进行鉴定，试验设备如图1所示。

图1 矿物和化学成分鉴定试验设备

根据X射线衍射分析法，获得的路基填料矿物成分及含量见表1。

表1 路基填料所含矿物成分及含量

由表1可知，路基填料中矿物成分以原生矿物为主。主要包括：石英、富铁白云母和冰长石，共占试样总质量的94.7%。所含黏土矿物为高岭石和绿泥石，含量分别为2.1%和1.1%；还有少量不定形或未辨识组分；未检测到蒙脱石。同时通过试验测得填料的自由膨胀率为10%，由规范[15-16]可判定路基填料不属于膨胀土。根据X射线荧光光谱分析法，获得的路基填料化学成分有24种，主量元素有SiO2、Al2O3、K2O和Fe 4种，次量元素和痕量元素各10种。其中，SiO2含量最多占试样总质量的74.73%，其次为Al2O3、K2O和Fe，这与主要矿物成分为石英、富铁白云母和冰长石的鉴定结果相符。

2.2 路基填料物理性质

在路基试验段取土场选取土样，采用烘干法和环刀法测得试样的天然含水率w0为13.7%，天然密度ρ0为1.58 g/cm3。填料粒径组成采用筛析法及密度计法联合测定，根据试验结果绘制的土样颗粒大小分布曲线，如图2所示。

图2 路基填料颗粒大小分布曲线

由图2计算可得，土样中5 mm以上粒径含量不足1.0%，0.075～5 mm粒径占14.3%，0.005～0.075 mm粒径占81.9%，0.002～0.005 mm粒径占2.9%，0.002 mm以下粒径含量几乎为零，可见路基填料以粉粒为主。综上，路基填料基本物理指标汇总见表2。

表2 路基填料基本物理指标

由表2可知，路基填料的10 mm液限为41.4%，大于40%；塑性指数为12.2，位于10～17之间，根据规范[17]可知，为高液限粉质黏土。

2.3 路基填料力学性质

我国南方地区广泛存在高温多雨的气候特征，由于路基等工程直接暴露于大气空间，受降雨、蒸发等气候因素及地下水位影响，工程性质会受较大影响[18-20]。为定量分析不同含水状态下路基填料力学性质的变化规律，进行了最优含水与饱和状态下的固结和直接剪切试验，获得的路基填料在不同压实度和含水状态下的基本力学指标见表3。

由表3可知，路基填料力学性质与压实度和含水状态密切相关；随压实度K增加，试样标准压缩系数av(1-2)逐渐减小，标准压缩模量Es(1-2)逐渐增大，黏聚力c和内摩擦角φ则均呈增加趋势。压实度位于90%～95%时，最优含水状态试样的av(1-2)和Es(1-2)分别位于0.28～0.18 MPa-1和6.4～9.3 MPa之间；在相同压实度下，真空抽气饱和后，试样av(1-2)增大为0.43～0.35 MPa-1，Es(1-2)减小至4.0～4.8 MPa。当试样由最优含水状态转变为饱和状态后，其抗剪强度参数c和φ分别由32.4～42.7 kPa和32.7°～37.0°减小为30.8～39.4 kPa和31.1°～34.8°。以上试验结果表明，填料压缩特性和抗剪强度指标受含水状态影响较大，在饱和状态下，路基工程性质较最优含水率时会弱化，对线路的长期运营会产生不良影响。

表3 路基填料基本力学指标

3 试验监测断面及传感器布设

3.1 试验监测断面

浩吉重载铁路基床结构型式：基床表层为0.7 m厚级配碎石，基床底层为2.3 m厚A、B组填料；基床以下路堤为高液限粉质黏土，但在追加压密、填料加筋、路基防排水、坡面防护等方面进行加固。路基边坡采用分级型台阶，路堤高度<8.0 m地段，边坡坡率为1∶1.5；路堤高度>8.0 m时，在路肩以下8 m处设置3 m宽平台，平台以下坡率为1∶1.75。为掌握路基填筑过程中和填筑完成后的含水状态，在路基试验段选取DK1806+925断面分层埋设水分传感器，对路基含水率进行监测。

3.2 水分传感器布设

路基含水状态采用TDR-3型土壤水分传感器进行监测，其工作原理为晶体振荡器产生高频脉冲信号，传输到平行的金属探针末端并发生反射，通过产生的信号与返回信号的时间差，计算土体的介电常数，根据土体介电常数与体积含水率的相互关系获得体积含水率，然后换算为质量含水率[21]，传感器体积含水率的测试量程为0～60%，精度为±1%。

路基填筑前，对原地基浅层进行换填，然后在基底铺设厚度为0.6 m的碎石垫层(第0层)，加强基底排水。填筑一层路基填料后，在DK1806+925断面开始埋设水分传感器，起点高程为86.26 m，按埋设顺序从下至上为第1～6层，竖向间距依次为2.4，2.4，2.4，1.8，1.8 m；横向间距5～7 m，从左至右依次为第1～7列，如图3所示。

图3 路基试验段水分传感器布设方案(单位：m)

当路基填筑至埋设高程时，在路基面开挖20～30 cm深的土槽，将TDR-3水分传感器沿槽底水平布置，采用原土过筛后进行回填压实，再将传感器导线套上PVC管保护，现场埋设过程如图4所示。

图4 现场TDR水分传感器埋设

待传感器埋设完成后，将所有导线从一侧引出至坡脚观测箱，并测量初值，在路基填筑过程中和填筑完成后，按相关规范[22]的测试频率进行数据采集。

4 监测结果与分析

4.1 江西新余地区气象资料分析

新余市地处亚热带湿润性气候区，年平均气温19.8 ℃，7～8月是全年最热时期，平均气温30.6 ℃，极端最高气温40.0 ℃，1月是全年最冷时期，月平均气温5.4 ℃，极端最低气温零下7.2 ℃；年平均相对湿度为80%，3月平均高达84%，7月仅74%。经统计，近4年新余地区降雨及蒸发量如图5所示。

图5 近4年新余地区降雨(蒸发)量

由图5可知，路基试验段所处地区雨量充沛，年平均降雨量达到2 000 mm以上，4～8月为集中降雨期，月平均降雨量为234 mm，占全年降雨总量的62%，且6月降雨量最大，达到520 mm；其余月份降雨量较少，月平均降雨量100 mm。年平均蒸发量1 200 mm，其变化规律呈明显的周期性，与温度高低具有显著的正相关关系；温度较高的6～9月蒸发剧烈，对应的月平均蒸发量为151 mm，其余温度较低的月份蒸发量较少，相应的月平均蒸发量仅为75 mm。

4.2 路基含水率随时间的变化规律

根据监测数据，分层绘制的路基不同层位质量含水率随时间的变化曲线，如图6所示。

由图6可知，路基质量含水率随时间的增长可分为：由初始状态逐渐增加至平衡含水状态、随季节交替而波动变化两个阶段。在第一阶段，路基中第1～6层的初始平均含水率分别为15.7%、17.9%、17.9%、17.4%、16.0%和16.4%，由于降雨入渗的影响，路基含水率逐渐由初始状态增加至平衡含水状态的25.0%、23.8%、22.5%、20.4%、19.2%和18.0%，较最优含水率17.5%分别高出7.5%、6.3%、5.0%、2.9%、1.7%和0.5%，范围为0.5%～7.5%，均值为4.0%。表明路基运营期间的含水率较填筑时高4.0%，路基分层填筑时的检测指标为压实系数K≥0.92、地基系数K30≥90 MPa/m[23]，运营期间由于雨水入侵导致含水率增高，实际压实质量降低[24-25]，会影响路基的长期稳定性，这一现象在制定检测指标时应予以考虑。第二阶段中，随4～8月的雨季和9～3月(第二年)的旱季交替，路基质量含水率呈季节性的小幅波动。雨季期间路基各层平均含水率分别为24.9%、24.0%、22.6%、20.5%、19.4%和18.3%，旱季时为22.7%、22.4%、21.1%、19.1%、18.4%和17.3%，较雨季时分别减小2.2%、1.6%、1.5%、1.4%、1.0%和1.0%，波动范围为1.0%～2.2%。

图6 测试断面路基质量含水率随时间关系曲线

4.3 路基含水率空间分布规律

为分析路基填料水平方向上含水率的分布规律，根据第1～6层传感器的监测数据，绘制的填料含水率沿水平方向的变化曲线，如图7所示。

图7 路基含水率沿水平方向分布规律

由图7可知，在水平方向上，路基中部填料含水率小于两侧，路基两侧含水率逐渐稳定甚至略微减小，第1～6层最外两侧路基含水率的平均值分别为24.2%、23.0%、22.2%、21.3%、19.8%和18.5%，较路基中部的23.3%、21.6%、20.0%、18.7%、18.1%和17.2%，分别高出0.9%、1.4%、2.2%、2.6%、1.7%和1.3%，范围为0.9%～2.6%。这是因为路基中心线向两侧设有4%的人字排水坡，同时路基中部填料仅受路基表面雨水的浸润，位于路基两侧的填料同时受路基和边坡表面的影响，浸水面积更大。

为分析路基填料竖直方向上含水率的分布规律，根据第3～5列传感器的监测数据，绘制的填料含水率沿路基深度方向的变化曲线，如图8所示。

图8 路基含水率沿深度方向分布规律

由图8可知，降雨后水分在蒸腾作用下向外挥发，同时在重力作用下缓慢向下渗透，改变了路基内部的湿度状况，路基含水率呈上部小、下部大的基本规律。第3～5列监测的填料含水率，从上至下由20.0%、18.1%和19.6%分别增加至27.4%、23.3%和26.3%，增幅分别为7.4%、5.2%和6.7%，平均增幅为6.4%。综上所述，路基两侧填料含水率比中部高0.9%～2.6%，下部填料含水率比上部高5.2%～7.4%。

5 研究结论

依托浩吉重载铁路工程建设，针对岳阳至吉安段沿线分布的路基填料，分析了不同含水状态下填料工程性质的变化规律；通过在路基试验段分层埋设水分传感器，对路基含水率进行了为期3年多的原位监测，探讨了路基含水状态的时空分布规律及随气候季节性的波动特征，为优化路基防排水设计与施工提供了参考，并得到了以下结论。

(1)路基填料力学性质与含水状态密切相关，在饱和状态下，其压缩特性和抗剪强度指标较最优含水状态时会发生弱化，对线路的长期运营会产生不良影响。

(2)路基质量含水率随时间的增长，先由初始状态逐渐增加至平衡含水状态，再随季节交替而波动变化。平衡状态路基填料含水率高于初始状态，随雨季和旱季的相互交替，路基质量含水率呈季节性的小幅波动，波动范围为1.0%～2.2%。

(3)路基质量含水率在空间上，呈现中部小、两侧大，上部小、下部大的分布规律。在水平方向，路基中部填料含水率小于两侧，路基两侧含水率逐渐稳定甚至略微减小；在竖直方向，由于重力作用下的缓慢渗透，路基填料含水率下部比上部高。

综上所述，通过对路基含水状态的长期原位监测，得到了含水率的时空分布特征，为掌握路基运营中的实际状态提供了重要的数据支撑，可为优化路基防排水措施的设计和施工提供参考。