高速铁路路基上拱是影响列车安全运行的主要病害之一，线路上拱导致线路平顺性变差、路基产生累积变形，从而使得上部轨道结构受力不均、线路产生几何不平顺，在列车行驶时发生跳跃和晃动，影响乘客乘车体验，当其发展到一定程度后，可能诱发路基突然破坏，轨道平顺性严重超限，由此造成灾害性的事故，严重影响列车正常平稳运营[1]。关于高速铁路路基上拱成因主要有以下2个方面：1) 膨胀土(岩)蒙脱石类亲水性物质吸水膨胀，多发生在低矮路堤及路堑段[2]；2) 硫酸盐离子与建筑材料(如金属、水泥、石灰等)发生反应，其中的盐分发生体积变化，从而造成路基上拱[3]。针对第1类路基上拱的机理，国内外学者[4-6]通过膨胀土路基浸水试验及现场监测，分析得到了部分膨胀土路基膨胀机制及膨胀力随时间演化规律。王旭超等[7-9]对第2类路基上拱路段采用填料取样、矿物分析、室内膨胀试验等手段分析上拱路基硫酸盐离子反应膨胀机理，结果表明路基上拱是由于硫酸盐与水泥发生反应生成了钙矾石和硅灰石膏2种膨胀性物质，具体表现为自然降水或路基土质内的硫酸根离子与填料水泥中的氢氧化钙发生反应生成硫酸钙，再和水化铝酸钙或者单硫型水化硫铝酸钙反应生成钙矾石；如果硫酸根离子浓度较高，则其还会继续与氢氧化钙和水化硅酸钙反应生成石膏。经过上述反应，原物质固相体积会增加2倍以上，从而产生路基上拱现象。针对高速铁路路基上拱病害整治，国内外许多学者从多方向开展了一定的研究。对于上拱量较小路基段，通常先采取措施排除基床结构内水分，再针对性调整轨道结构，超出轨道结构可调整范围的部分采用调整线路纵坡来消除上拱值等方法进行整治[10-11]。对于上拱量较大或者上拱发展较快的路基段，则需要采取特殊结构对路基加固。对此，黄彩明等[12-14]在路基上拱段使用桩板结构进行加固，并对桩板结构加固施工方法及组织方案进行了详细的阐述。另外部分研究[15]表明在膨胀段路基中设置一层土工织物，能延缓水分迁移速率和抑制路基胀缩变形。但综合目前已有研究发现，大多注重整治效果，并没有从结构角度对整治后的复合路基进行状态服役分析，另外目前依托路基膨胀模型进行路基上拱整治分析的研究报道较少。综上，本文依托国内某站场路基上拱整治工程，对现场路基各层次土体采样，明确了路基病害成因，采用路基膨胀等效理论和室内试验分析了路基膨胀土样吸水与膨胀关系，最后结合数值仿真手段及现场检测对增设桩板结构方案的复合路基结构状态及整治效果进行了综合分析，为高速铁路路基上拱病害整治提供一定的参考。
1 路基上拱病害成因分析
1.1 工程概况
据本研究工点站场路基设计资料显示，该线路段路基基床在设计阶段为考虑防冻胀因素掺加了一定比例的水泥以增强基床刚度。在运营前期阶段，精调组在站场区段完成精调后，数据显示调整后波形无异常，基本达到设计方案预期。但在2022年1月28日(非低温期间)，在该区段上检测车检测结果显示多处长波高低超限，2022年1月29日，对该站场轨道线形进行了绝对复测，发现区段下行线最大隆起幅度约14 mm，上行线最大隆起约16 mm，下行线最大水平偏移6 mm，上行线最大水平偏移3.5 mm。
为探明该区段病害成因，在该区段最大上拱地段路肩、路基坡脚处进行开挖，对基床表层、底层、基床以下地基土分别进行取样，得到不同深度路基土试样，将试样过0.5 mm的筛，取小于0.5 mm粒径的过筛细颗粒土作为检测土样。随后根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2012)[16]和《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038—2012)[17]对试样膨胀性指标、易溶盐含量和矿物成分进行检测并进行判定。
1.2 土样膨胀性指标
对过筛后的土进行膨胀性试验，检测其自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038—2012)[17]，当土样中蒙脱石含量≥7%、自由膨胀率≥40%、阳离子交换量＞170 mmol/kg时，土壤认定为膨胀土，土石料膨胀性指标检测结果如表1所示，根据检测结果，土样自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量均达不到膨胀土下限标准，因此该地段土样不属于膨胀土，即膨胀土吸水膨胀不是该段路基发生上拱的原因。
| 取样处 | 自由膨胀率/% | 蒙脱石含量/% | 阳离子交换量/ (mmol∙kg-1) |
|---|---|---|---|
| 基床表层 | 19.2 | 0.56 | 36.76 |
| 基床底层 | 32.4 | 0.27 | 28.87 |
| 地基土 | 28.5 | 0.50 | 39.63 |
1.3 土样易溶盐含量
根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB 10038—2012)[17]，当土样中易溶盐含量＞0.3%时，该土壤认定为盐渍土，土石料易溶盐含量检测结果如表2所示，由检测结果可知，基床表层、基床底层及地基土中易溶盐含量均较高，且硫酸根离子含量明显超标，属于盐渍土。
| 取样处 | 总量/% | Ca2+/% | Mg2+/% | K+/% | Na+/% | Cl-/% |  |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 基床表层 | 1.36 | 0.405 | 0.004 | 0.005 | 0.016 | — | 0.93 |
| 基床底层 | 1.28 | 0.327 | 0.006 | 0.003 | 0.002 | 0.002 | 0.94 |
| 地基土 | 1.15 | 0.095 | 0.002 | 0.001 | 0.002 | — | 1.05 |
1.4 土样矿物成分分析
现在国内外许多学者采用X射线衍射分析法(XRD)对试样土进行检测，从矿物和化学成分2个方面进行判断，检测试样土中是否含有钙矾石和硅灰石膏等物质，以此来对膨胀原因进行分析[18-19]。基于此，对现场取的土样进行矿物成分分析，具体成分含量见图1，在基床表层和基床底层填料中检测到了钙矾石和硅灰石膏的存在，而在地基土中没有检测到钙矾石和硅灰石膏成分，表明路基上拱不是由于地基土发生膨胀造成的，而是基床表层和基床底层填料中掺和的水泥与土样中硫酸根发生了反应，生成了钙矾石和硅灰石膏，从而造成路基上拱。
综合上述检测结果可知，路基各层位试样膨胀性指标均达不到膨胀土级别，但基床表层和基床底层中易溶盐含量较高，含有大量硫酸根离子，并在其中检测出了钙矾石和硅灰石膏的存在。由此分析是由于填料中的硫酸盐和水泥发生反应形成钙矾石和硅灰石膏的，造成体积膨胀，其示意图见图2，从而使得路基产生上拱现象。
2 路基上拱桩板结构加固模型及路基膨胀等效理论
针对该路段路基上拱成因检测结果，提出在路基内部采取增设桩板结构的方案以控制路基变形，桩板结构由下部混凝土桩基和上部承载板组成，通过钻孔灌注现浇而成。基于abaqus有限元软件建立上拱数值模型，对整治方案整治前后复合上拱路基进行结构安全检算。
2.1 模型建立
建立2种工况下的高速铁路路基模型，工况1为未处理的路基上拱模型，工况2为桩板结构加固的路基上拱模型。2种工况中地基尺寸为长×宽×高为90 m×90 m×15 m，路基长80 m，路基总高20 m。路基上拱部位位于路基中部长40 m的基床部位，高2.7 m，包括0.4 m基床表层和2.3 m基床底层，模型见图3(a)。路基上建立双线轨道，线间距4.6 m，轨道模型分底座板、轨道板和钢轨3部分。工况2中桩板结构中板尺寸长×宽×厚为20 m×10.45 m×1 m，方桩边长0.8 m，桩间距纵×横为5 m×3.48 m，桩长20 m，材料为C30混凝土，见图3(b)。依据现场施工图纸，在上拱路段安设2个桩板结构，桩板结构间纵向侧面通过连接锁连接，桩板结构嵌入位置为承载板上表面与基床表层底面齐平，见图3(c)。
2.2 路基膨胀等效模拟
2.2.1 路基膨胀等效理论
早在1993年谬协兴等[20]在类比温度应力场的基础上提出了膨胀岩体受水作用的湿度应力理论。其基本思想是：1) 膨胀岩体吸水后会发生膨胀和软化，类似于材料温度上升后发生的膨胀和软化现象。2) 当物体受到热源作用时，物体内形成受热传导方程控制的温度场。同理类比，当岩体遇到水源时，岩体内会形成一个受水分扩散方程控制的湿度场。3) 根据以上2点，将湿度场类比温度场，在分析湿度场问题时可以采用温度应力场里已经具备相对成熟的理论，例如，应力应变分析和计算方法等。许多学者根据湿度应力场理论，在隧道、边坡、公路、铁路等工程领域都进行了理论可靠性的验证[21-22]。陈晓斌等[23]在无砟轨道路基吸水膨胀的模拟中提出了关于温度和湿度转换关系，温度场、湿度场的传导微分方程(式(1)、式(2))，膨胀方程(式(3)、式(4))均具有高度的相似。
式中：T为温度；
基于这种相似性，建立温度场和湿度场的关联函数，见式(5)。
基此，湿度应力场理论是用岩体受水作用的膨胀和软化物化关系取代了温度应力场中由温变引起的物变关系，将由于水渗透引起的湿度场取代由于温变引起的温度场。两者计算应力应变控制方程相似，包括数值模拟也可以通用。
2.2.2 路基填料遇水膨胀关系确定
在上述理论的基础上，为确定式(5)的具体温度场和湿度场的关联函数，需要进行现场填料遇水膨胀规律试验研究。具体试验如下：1) 取现场较干的填料土样，经0.5 mm的筛筛分后取小于0.5 mm粒径的细颗粒土，测定其天然含水率并分组，按试验控制的土样初始含水率8%、10%、12%、14%分别向各组中加入经计算后定量蒸馏水，静置2 h。2) 将不同含水率的土样击实至尺寸为直径60 mm×高55 mm的圆柱形土盒中，随后将土盒安置于土壤膨胀仪上，利用千分表读取土样膨胀量。3) 将整体放置于环境23 ℃，97%湿度的恒温加湿箱中。试验过程中每6 h加入5 mL蒸馏水，使试样保持湿润状态，并每1 h读取千分表读数，记录土样膨胀量，直至2次读数之差不超过0.01 mm视为土样膨胀稳定而结束养护，测定各初始含水率土样最终膨胀量及最终含水率[24]。4) 在进行土样膨胀实验的同时，另取初始含水率8%、10%、12%、14%的土样进行土样密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等力学参数测定，作为后续数值试算模型计算参数。测试结果见图4，初始含水率8%、10%、12%、14%的土样最终膨胀量为2.125，1.432，0.874和0.428 mm，最终含水率分别为27.3%、24.6%、20.4%和19.1%。
根据所测得的土样膨胀量及土样力学参数，建立土样膨胀数值试算模型，设置材料膨胀温度由0升至100 ℃，试算得到不同土样膨胀量下的温度膨胀系数。测得土样参数和模型计算结果如表3，根据表3结果，参考文献[23]试验结果，绘制含水率变化量对数与温度膨胀系数曲线见图5。
含水率/ % | 含水率 变化/% | 密度ρ/ (kg∙m-3) | 弹性模量 E/MPa | 泊松比 υ | 黏聚力 c/kPa | 摩擦角 φ/(°) | 膨胀系数 β/10-5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8 | 19.3 | 1 650 | 210 | 0.3 | 160 | 36 | 4.03 |
| 10 | 14.6 | 1 780 | 120 | 0.33 | 130 | 30 | 3.40 |
| 12 | 8.4 | 1 840 | 84 | 0.37 | 86 | 27 | 2.23 |
| 14 | 5.1 | 1 920 | 56 | 0.40 | 56 | 23 | 1.14 |
根据线性拟合，可得温度膨胀系数与含水率变化量关系式(6)：
2.3 材料参数、接触与荷载
地基土层参数根据现场地质勘察资料可知，地基土质以粉质泥岩为主，夹杂部分砂岩。路基填料材料分3部分组成，基床表层、基床底层以及基床以下。基床表层材料为AB组填料，以级配碎石为主，采用弹性模型；基床底层和基床以下为B组及以下填料，地基为黏性土质，均采用塑性摩尔-库伦模型；底座板采用C35钢筋混凝土，轨道板采用C40钢筋混凝土；钢轨为60 kg/m，U75VG钢牌号无螺丝孔钢轨。钢轨与轨道板间设置弹簧接触，轨道与路基间绑定接触，对路基底面固定约束，路基纵向两侧面设垂直侧面位移约束，两桩板结构间通过侧面绑定模拟结构间的纵向连接。对整个模型施加重力载荷，路基上拱部位赋予膨胀参数荷载。路基膨胀荷载在有限元软件中通过在材料中设置膨胀系数来实现。基于2.2.2节中基床填料遇水膨胀试验，得到的湿度变化与温度膨胀系数的关系，取初始含水率为10%(现场工点初始含水率)的膨胀路基膨胀系数设置为3.48×10-5，温度变化为由0 ℃上升到100 ℃，模型材料参数结合了现场勘察资料及参考文献[25]，具体取值如表4所示。
| 部件 | 材料 | 弹性模量E/MPa | 泊松比υ | 黏聚力c/MPa | 摩擦角φ/(°) | 厚度/m | 密度ρ/(kg∙m-3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 钢轨 | 钢 | 2.10×105 | 0.25 | — | — | — | 7 850 |
| 轨道板 | C40混凝土 | 3.25×104 | 0.28 | — | — | 0.26 | 2 780 |
| 底座板 | C35混凝土 | 3.15×104 | 0.28 | — | — | 0.3 | 2 650 |
| 基床表层 | 级配碎石 | 213 | 0.3 | — | — | 0.4 | 2 160 |
| 基床底层 | 路基填料 | 133 | 0.3 | 0.25 | 35 | 2.3 | 2 080 |
| 基床以下 | 低等级路基填料 | 87 | 0.3 | 0.25 | 35 | 17.3 | 1 830 |
| 地基 | 泥岩夹砂岩 | 80 | 0.3 | 0.15 | 30 | 15 | 1 650 |
| 桩板结构 | C30混凝土 | 3.00×104 | 0.28 | — | — | — | 2 450 |
3 桩板结构整治后路基结构状态分析
3.1 钢轨响应分析
3.1.1 钢轨位移分析
路基上拱模型建立后，对结构整治前和整治后(施加桩板结构轨道几何形位稳定后)变形及应力分布进行对比分析。图6为整治前后钢轨竖向位移云图，图7为整治前后钢轨竖向、横向位移随沿线路纵向变化规律。由图可知，经数值计算，整治前后钢轨位移沿线路纵向变化规律相同，从上拱部位向两端递减。整治前钢轨最大上拱量接近14 mm，这与现场实测的轨道最大上拱值相接近，说明路基膨胀参数取值合适。加桩板结构处理后钢轨最大上拱量接近4 mm，且整治后的钢轨上拱范围较整治前有所减小，整治效果显著。整治后钢轨虽然仍存在上拱现象，但已经在高速铁路线路不平顺可调范围以内，后期可通过扣件进行线路高程精调，使轨道达到平顺性要求。整治前钢轨横向位移最大值达到了4.6 mm，加桩板结构后钢轨横向位移最大值为0.7 mm，整治前后横向位移降低84.8%。
3.1.2 钢轨轴向应力分析
整治前后钢轨表面轴向应力云图如图8所示，钢轨表面轴向应力沿线路纵向变化曲线如图9所示。由图可知，经数值计算，整治前后钢轨表面轴向应力沿线路纵向变化趋势呈“M”型，在膨胀区域和非膨胀区域交界处存在明显的应力峰值，且在该处存在应力峰值突变，由轴向压力突变为轴向拉力。这是由于膨胀区域的填料上拱使膨胀区域钢轨强制“上弯”，在交接处应力集中严重。对比整治前和加桩板结构后的曲线应力峰值，发现加桩板结构后，应力峰值由78 MPa降低到了33 MPa，整治前后应力峰值下降了57.7%。
3.2 基床响应
3.2.1 竖向位移分析
图10为整治前后基床表面竖向位移沿线路纵向(线路中心线)、横向(上拱区域中截面)和深度方向(上拱区域中心竖线)变化曲线。经数值计算，基床竖向位移沿纵向变化趋势与钢轨相同，整治前基床表面竖向位移幅值为12.8 mm，整治后为3.37 mm；整治前基床表层竖向位移在线路横向中间部位最大，向两端递减，而加桩板结构后竖向位移幅值发生在线路两端，中间较低，这是由于桩板结构加固位置在线路中部，线路中部竖向位移得到更强的限制；整治前，路基竖向位移沿深度方向呈现基本线性递减的趋势，而加桩板结构后的基床竖向位移在深度方向先递减，到混凝土承载板位置，存在一个平台，这是由于混凝土结构刚度较大，基本上不会发生形变，混凝土承载板下开始出现向下的位移，这是因为在填料膨胀上拱受桩板结构限制，基床填料向下膨胀，压缩土体，故出现了向下的竖向位移。
3.2.2 基床应力分析
图11分别为路基应力(最大主应力)沿线路横向(膨胀区与非膨胀区交接断面)和深度方向(膨胀区与非膨胀区交接断面中心)的变化曲线。由于路基双线轨道作用，所以路基表层应力沿横向变化曲线存在4个突变点(4条轨道边线)。经数值计算，整治前路基膨胀区域峰值发生在线路中部约150 kPa，整治后应力峰值发生在边侧约70 kPa，与整治前相比，加桩板结构应力降低约2/3。在深度方向上，整治前基床膨胀段整体为拉应力状态，最大拉应力出现在路基深度以下1 m位置处，峰值约75 kPa，加桩板结构后，基床膨胀区域整体为压应力状态，最大压力发生在基床底部，约80 kPa，而基床表面拉应力约20 kPa。
3.3 桩板结构响应
图12为桩板结构应力分布曲线。由图11(a)可知，在板与桩接触部位存在应力集中现象，板纵向连接8根桩基，所以出现了8个压力峰值。板边侧整体比板中部压力要大得多，板边侧最大压应力约1.4 MPa，板中部最大压应力约400 kPa。由图11(b)可知，中部桩基应力峰值要比边侧桩基小，中部桩基整体为压力状态，桩基压力随着深度的增大而增大，最大压应力约4 MPa；边侧桩基上部1.5 m段呈拉力状态，下部段呈压力状态，最大拉应力约6.3 MPa，最大压应力约6.0 MPa，各项应力都在混凝土桩板混凝土结构承载力极限范围以内，结构设计安全。
4 桩板结构整治路基现场效果分析
依据理论分析及数值模拟结果，该铁路工务段对上拱路段按整治方案进行了增设桩板结构加固施工，并对该路段的轨道高程在桩板结构加固施工前后使用高速铁路轨道几何尺寸静态检测设备—零级轨检仪进行平推检查。在桩板结构施工后，对整治区段每2周轨检1次，经检测发现，整治后轨道高程数据在约1年后保持稳定。对比其整治前和整治1年后的轨道静态检测结果，如图13所示，整治前轨检高程存在多处超限峰值，整治后高程数据较为平稳，消除了超限波峰，但由于施加桩板结构后路基内仍存在膨胀反应，整治区段仍存在一定的膨胀量。下行线轨检最大高程由14 mm降低至4 mm，上行线最大高程由16 mm降低至6 mm，降低约70%，这与数值计算结果基本一致，且整治效果显著，轨道整体几何形位状态可以后续通过轨道精调达到《高速铁路无砟轨道线路维修规则》[27]要求。
5 结论
1) 经室内检测分析，研究区段路基上拱的原因是基床填料内硫酸盐和水泥发生反应生成钙矾石和硅灰石膏，造成体积膨胀。
2) 采用路基等效膨胀理论结合室内土样膨胀试验，发现路基土样含水率变化对数与等效温度膨胀系数呈线性关系，并推导得到了上拱路基土样含水率变化与等效温度膨胀系数关系式。
3) 经数值计算，桩板结构加固后，路基上拱段钢轨竖向位移由14 mm降低至4 mm，横向位移由4.6 mm降低至0.7 mm，应力峰值降低57.7%，整治效果显著。桩板结构加入后能有效地承担基床膨胀力，降低了上拱引起的基床位移与应力峰值。桩板结构应力峰值均在结构承载设计范围内，结构设计安全。
4) 对上拱路段桩板结构施工前后现场检测，检测上拱数据与模拟计算结果基本一致，整治效果显著，后续可通过轨道精调至相关验收规范以内。
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