丁志平，王亮亮

(1.中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院，江苏 徐州 221000； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

在我国高速铁路建设中，发现多条线路均存在膨胀性黏土(红黏土和膨胀土)地基，而地基沉降又是高速铁路路基工后沉降的主要部分[1]，膨胀性黏土的湿胀干缩特性使这些线路的路基工后变形控制难度增加。

杨果林等[2]、王亮亮等[3]、刘晓红等[4]对武广客专沿线具有弱胀缩性的红黏土物理力学指标、动静态变形特性、加固机理等开展了较全面研究，研究成果为线路确定合理的基床换填厚度、地基加固方法和边坡防护等提供了数据和理论支撑。与红黏土不同的是膨胀土富含蒙脱石、伊利石等膨胀性物质，具有更强烈的湿胀干缩特性，往往造成铁路路堑基床鼓胀或横向排水路拱破坏等病害。

通过对南昆铁路基床病害[5]现场调研，发现产生基床病害的主要原因为：基床防水材料土工布宽度不足，未完全封闭基床，且部分地方遭到施工机械破坏，另外，防水材料采用搭接或焊接，施工缝多，也易成为渗漏点，地表降雨仍可进入基底，在列车荷载和基底膨胀土胀缩变形共同作用下，基床路拱被降低或破坏，排水能力降低，形成汇水浅坑，基底长期积水。因此，应建立完备的防排水系统，隔断地表水进入基床的途径。但吕海波等[6]研究发现，受环境气候、初始含水率[7]、吸力[8]、裂缝数量和分布情况[9]、膨胀等级[10]等的影响，基底膨胀土会产生季节性胀缩变形，这类变形具有强度弱、周期长、不均匀性等特点，在长期胀缩过程中基床内部会逐渐形成变形差，增大轮轨冲击力，而轮轨冲击力又会进一步使基床恶化[11]，因此，膨胀土地区铁路路堑基床防水层不仅要能隔断地表水，还应有一定刚度协调基底膨胀土由于气候环境变化而产生的不均匀变形，确保线路平顺性。

新建云桂铁路设计速度为250km/h，与既有南昆铁路在同一走廊带上，其中膨胀土路堑基床路段共144处，总长约23.7km，为保证基床长期稳定性，对膨胀土路堑基床的防排水系统进行了系统设计。

1 膨胀土基床防水材料研发

1.1 防水材料基本要求

基于对实际工程的现场调研及相关资料的收集与分析，结合数值仿真分析结果、膨胀土(岩)室内土工试验和原位试验成果，提出研制适合膨胀土(岩)基床使用要求的中低弹性模量、高韧性、高抗渗性的新型水泥基复合材料防水层技术方案[12-13]。

为了满足膨胀土(岩)基床使用要求，防水层材料应当具有如下性能：①适合的抗压强度，抗压强度≥2.5MPa；②高延性，0.7GPa≤静弹性模量≤1.5GPa；③良好的抗渗性，建议抗渗系数≤10-10m/s；④耐久性指标，建议软化系数≥0.85；⑤防水材料应易拌合、成型、强度发展速度快、不易产生材料组分离析等不良问题、现场施工应简单方便，施工质量易于控制；⑥比选具有抗老化、良好变形能力和与基床半刚性防水结构层黏结良好的接触缝防水涂料(见图1，2)。

1.2 防水材料研发结果

1)通过优化骨架体系、改善水泥石基体性能及掺用韧性改性组分的方法实现防水材料研制。经大量对比试验，研发成功改性水泥基半刚性防水复合材料，其基本成分为胶凝组分、弹性组分、河砂(细度模数2.6)、膨胀土(最大颗粒≤15mm)。新型防水材料易拌合，具有一定的流动性，可实现连续摊铺施工。其力学参数为密度1.9g/cm3，弹性模量1 000MPa，抗压强度2.5MPa，抗折强度0.6MPa，收缩变形率7.5%，抗渗系数<10-10m/s，动弹性模量Evd为80MPa，基本符合设计要求。

2)通过市场调查，选取3种常用的沥青防水材料，对其耐抗渗性、变形性、老化性能、黏结强度等进行对比试验，从而提出采用双组分高分子沥青防水涂膜作为首选的防水涂料。

2 膨胀土路堑基床防排水系统设计

2.1 地基承载力要求

膨胀土路堑基床地基土的承载力必须满足高速铁路规范的基本要求[14]，即地基土PS值>0.15MPa，σ0≥0.18MPa，地基压实系数应>0.95。

2.2 基床地表水隔断措施

在基床底层表面满堂铺设自行研发的改性水泥基防水复合材料(见图3)，铺设厚度为0.2m，改性水泥基防水复合材料防水结构层设置在基床底层的目的是减小轮轨冲击力、线路维护等可能对防水结构层造成的损伤。防渗结构层铺设强度达到要求后，在防水结构层表面铺设5cm厚粗砂，一方面提高基床表层下渗雨水的侧向及时排泄能力，另一方面保护防水结构层在后续基床表层级配碎石施工碾压免遭破坏。

图3 膨胀土路堑基床防排水示意

2.3 改性水泥基防水层接触缝防水和施工缝处理

在电网立柱与防水结构层接触位置，设置双组分高分子沥青防水涂膜(见图4)；防水结构层非连续施工时，应将搭接表面削成与水平方向呈150°斜面，凿毛，清理松动砂和浮土，用水浸湿；施工缝应与电网立柱错开1m以上。

图4 接触缝密封处理

2.4 侧沟与侧沟平台、基床防水结构层衔接位置防水技术

为彻底隔断地表降雨的入渗通道，对侧沟和侧沟平台防水层进行整体设计，其技术方案如下。

1)考虑到膨胀土在气候环境影响下会发生一定幅度的胀缩变形，侧沟必须具有足够强度和刚度抵抗来自沟壁或沟底膨胀土的膨胀压力，因此，膨胀土路堑基床侧沟与侧沟平台表面防护层采用钢筋混凝土整体浇筑，侧沟、侧沟翼板与侧沟平台防护层钢筋布设：①沿侧沟横断面方向通长布设φ16钢筋，纵向间距20cm；②沿侧沟纵向设置φ10构造钢筋，钢筋间距20～25cm。

2)侧沟与基床新型改性水泥基防水结构层连接处置措施：①侧沟翼板顶面必须和换填层顶面齐平并保持相同的横向排水坡度，基床新型改性水泥基防水结构层铺设于侧沟翼板上方，要求二者搭接宽度≥30cm；②带翼板侧沟和改性水泥基防水结构层养护结束后，清除养护膜和杂土，在二者搭接缝位置用双组分高分子沥青防水涂膜进行密封防水。

2.5 膨胀土路堑边坡裂隙渗流防排水措施

2.5.1裂隙发育区底面高于基床侧沟平台防护层

当新型膨胀土路堑基床侧沟平台防护层位于膨胀土风化层以下时，边坡中的入渗雨水先通过水平贯通裂隙和路堑边坡排水系统(如倾斜渗水管)向基床方向渗流，渗流出的裂隙水再经侧沟平台防护层表面进入侧沟排走，如图5所示，边坡裂隙水主要对边坡的稳定性有影响，而对基床和基底膨胀土影响不大，可不在基底采取专门防排水措施，但前提条件是工程所在位置膨胀土裂隙的发育深度要勘察准确。

图5 边坡裂隙水渗流示意

2.5.2裂隙发育区底面低于侧沟平台防护层

路堑基床盲沟通常设置在换填底面侧沟正下方位置，由于新型膨胀土路堑基床侧沟和侧沟平台防护层为整体浇筑的钢筋混凝土结构，侧沟总高度为0.8m，为了确保裂隙水不会渗流至基底长期积聚，需根据基床换填厚度和裂隙发育区底面标高与侧沟高度关系，分别采取以下2种防排水措施。

1)当基床换填厚度≤0.8m，且膨胀土裂隙发育区底面位于侧沟平台防护层以下和侧沟底面之间时，路堑边坡中的入渗雨水一部分通过坡面渗流出，再经侧沟平台防护层表面进入侧沟排走，而另一部分则会通过侧沟平台下裂隙向基底方向渗流(见图6)。因此，在侧沟底面设置盲沟，盲沟一般采用透水土工布包裹式，其中过滤材料必须是洁净的砂、卵石、砾石或碎石；透水管应采用高强、耐久管材，如高强复合管、钢管或混凝土管等。

图6 盲沟设置在侧沟底面情况

2)当基床换填厚度>0.8m，或膨胀土裂隙发育区底面位于侧沟底面以下时，应以基底标高和裂隙发育区底面标高中最低者为盲沟标高控制因素，并在盲沟与侧沟底面之间设置混凝土防渗侧壁(见图7)。

图7 混凝土防渗侧壁设置示意

2.6 路堑地下水的排泄技术

对于地下水较发育地段，应设纵向渗水盲沟排水，盲沟内铺设PVC管，管径大小根据地下水的渗流量确定，管外采用透水土工布包裹，盲沟内剩余空间用洁净的砂、卵石、砾石或碎石填充。

地下水极其发育或松软膨胀土(岩)地段采用复合地基(设桩板、网结构等)进行地基处理。

3 防排水系统大型室内模型激振试验

3.1 试验概况

为验证膨胀土路堑基床防排水系统设计是否可行，自行研发的半刚性防水结构层能否经得起列车动荷载的长期作用，在室内进行大型模型激振试验。

1)模型简介 根据高速铁路双线路堑基床的对称性，取其一侧进行1∶1足尺路基模型试验，模型箱为钢结构长方形箱体，长×宽×高为9.2m×2m×4.6m。地基土为取自云桂铁路中～强膨胀土路堑工点的膨胀土，其基本力学指标为：含水率14.2%，密度1.9～2.1g/cm3，土粒相对密度1.8，液限43.5%，塑限20.5%，自由膨胀率69.0%～77.2%，模型具体尺寸及元器件布置如图8所示。

图8 模型尺寸及元器件布置(单位：m)

2)加载方式 采用MTS伺服激振器模拟列车荷载，激振频率4Hz，动轴力[15]为380kN，按正弦波形加载。

3)试验工况 模拟干燥、降雨和地下水位上升3种工况，其中干燥状态下激振200万次，降雨和地下水位上升各激振100万次，共400万次。

3.2 验结果分析

3.2.1防水结构层抗疲劳性

经过干燥、降雨和地下水位上升共400万次的激振试验后，对试验模型进行开挖，以观察半刚性防水结构层是否出现大量裂纹或破坏。

开挖至防水结构层上方砂垫层时，放慢开挖速度，用扫帚逐层消除砂层，防止开挖工具破坏防水层表面，影响观察结果。

清理后的防水结构层表面未见裂缝或断裂处，说明自行研发的半刚性防水结构层具有良好的抗疲劳特性。

3.2.2膨胀土路堑基床防排水效果

降雨前后路基内各点湿度计监测结果如表1所示。由表1可知，降雨期间基床表层中的湿度计(HS-10和HS-11)读数出现显著变化，而防水结构层以下除HS-8号湿度计以外，其余湿度计读数基本保持不变，说明防水结构层能有效隔断降雨入渗途径，达到预期的设计目标。现分析HS-8号湿度计读数由20.9%变为37.3%的原因：试验结束后开挖检测防水结构层时，并未发现裂缝或断裂现象，且与HS-8号湿度计位于同一水平面的其他2个湿度计HS-7和HS-9读数基本不变，说明降雨不是渗透进入基床底层，而是防水结构层和模型箱壁的接触位置出现渗漏点，由于模型箱的刚度有限，在循环激振力作用下会产生小幅度胀缩变形，导致接触位置部分防水涂层出现拉裂，从而使少量降雨渗漏进防水结构层下方。由此可见，膨胀土路堑基床防水系统的每个环节都不容忽视，工程应用中必须做好防排水层与接触网立柱、侧向排水沟等构筑物之间的接触界面隔水处理和施工质量监督。

表1 降雨前后基床湿度监测数据 %

干燥和降雨2种工况下的激振试验结束后，开始模拟地下水位上升时，膨胀土路堑基床防排水系统能不能抵抗循环激振荷载和基底膨胀土遇水膨胀变形的共同作用。试验开始时，首先通过预先埋设在地基膨胀土中的3层注水管网从下至上依次注水，注水时随时读取湿度计数据，必须在注水管网以下土层中的湿度计读数达到饱和或大幅度变化时再进行上一层注水工作；注水完成后，启动激振设备进行100万次的激振试验。

注水前和激振结束后各湿度计的监测数据如表2所示，分析数据可知，当地下水位上升后，防水结构层下方各湿度计读数出现大幅度增大，而防水结构层上湿度计读数在试验前后保持不变，说明无地下水透过防水结构层进入基床表层，因此，在室内试验条件下，膨胀土路堑基床的防水系统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湿度监测数据 %

4 结语

1)研发了适用于高速铁路基床的改性水泥基防水复合材料，设计了膨胀土路堑基床的防排水系统，并给出立柱与防水层之间接触缝防水和基床改性水泥基防水层非连续施工时搭接位置的处理措施。

2)边坡裂隙渗流水必须与侧沟平台、侧沟、基床防水层综合设计，避免边坡水渗流入膨胀土基底导致基床病害。

3)地下水发育膨胀土地段，除设置基床防排水系统外，还应在排水侧沟下设置纵向排水盲沟。

4)排水侧沟侧壁和盲沟均要求采用钢筋混凝土预制或立模浇筑，并根据膨胀土膨胀性大小检算其安全系数。