高速铁路膨胀土路堑新型防排水基床结构研究

Water is the main factor that induces the damage in expansive soil cutting subgrade. It is the key to reduce the damage of foundation bed and maintain its long-term stability by building a completed water-proof drainage structure to prevent water from invading foundation bed. Combined with practical engineering, this project carry out the research on the new type of water-proof drainage structure in expansive soil cutting subgrade. By performing on-site test and soil test on engineering characteristic of expansive soil, the parameters are obtained and the constitutive equations is established about expansive soil cutting subgrade. The water-destroyed mechanism of expansive soil cutting subgrade is revealed by Micro-Structure Analysis and cation exchange test. The design principle is put forward on expansive soil foundation bed by theoretical analysis. The dynamic analysis software of expansive soil cutting subgrade is compiled to consider self-weight, expansive force, train running load and their inter-coupling. A new water-proof drainage structural layer made of semi-rigid and semi-flexible cement-based material is developed. A test section is built for shocking excitation test to examine fatigue property and water-proof drainage effect of structural layer. The research achievement will be incorporated in the "Code for design on special subgrade of railway", and a railway trade standard of "Construction Technology and Quality Control Standard for New Type of Water-proof Drainage Structure on Expansive Soil Cutting Subgrade" will be formed . The results will solve major engineering technological problem, and they are revolutions for water-proof drainage structure. The research have a wide application extension and exert a beneficial effect on society, economy, and environmental protection.

水是膨胀土路堑基床病害的主要肇因，建立完备的防排水基床结构，隔断地表水进入基床是维持基床长期稳定和减少病害发生的关键。课题结合实际工程开展膨胀土路堑新型防排水基床结构研究：通过膨胀土工程特性原位试验、性能参数土工试验，获得膨胀土本构方程参数，构建适合路堑基床的膨胀土本构方程；进行微观结构分析、阳离子交换试验等，揭示膨胀土路堑基床的水损害作用机理；进行基床结构理论分析，提出膨胀土路堑基床结构设计原则；在自重、膨胀力及列车荷载相互耦合作用下，编制膨胀土路堑基床结构动力分析软件，并进行数值分析；研制半刚性半柔性水泥基新型防水结构层材料，修筑试验段并进行激振试验，检验材料疲劳性能和防排水效果；形成《膨胀土路堑新型防排水基床结构施工工艺、质量控制标准》铁路行业标准；成果纳入《铁路特殊路基设计规范》中；成果解决重大工程技术难题，是防排水基床结构的一次革命，具有显著的社会、经济、环保效益和推广应用前景。

本课题依托云桂高速铁路，采用现场调研、室内试验、现场监测、理论研究、室内足尺模型动力试验和现场大型激振试验等方法，开展了高速铁路膨胀土路堑基床防排水结构研究，主要研究成果如下：.（1）膨胀土路堑基床水损害作用机理研究。开展膨胀土微观结构分析、化学成份分析、阳离子交换试验等，揭示了膨胀土路堑基床的水损害作用机理。.（2）膨胀土的性能参数土工试验研究。进行全套物理、力学性能参数试验，掌握膨胀土的基本性能参数；开展动、静三轴试验等，获得膨胀土的动力性能参数，构建路堑基床膨胀土的本构方程。.（3）膨胀土工程特性原位试验研究。对膨胀土路堑地段进行竖向膨胀力原位试验、水平膨胀力原位试验、大面积浸水试验、原位推剪试验等，获得膨胀土路堑基床在原位状态下的竖向、水平膨胀力、变形，受大气降雨的影响深度，以及抗剪强度指标，作为膨胀土路堑新型防排水基床结构设计、研究的依据。.（4）半刚性半柔性水泥基新型防排水基床结构层材料研制。根据新型防排水基床结构层的受力性能对防排水材料强度、刚度、耐久性要求，进行半刚性半柔性水泥基新型防排水材料的研制，并进行新型防排水材料及构件的弹性模量、抗渗性能、软化系数、疲劳性能等试验。.（5）编制膨胀土路堑基床结构动力分析软件。用湿度场模拟膨胀土路堑基床含水量变化而引起的膨胀力变化，利用构建的膨胀土本构方程，对铺设于膨胀土路堑的新型防排水基床结构，在自重、地表水下渗引起的膨胀力，以及列车荷载相互耦合作用下，编制膨胀土路堑基床结构动力分析软件，并进行数值分析，获得防排水基床结构层、膨胀土地基的应力场、位移场，为膨胀土路堑基床结构设计服务。.（6）膨胀土路堑新型防排水基床结构现场原位激振疲劳性能试验。同时开展了室内足尺动力模型试验。对铺设于膨胀土地基上的新型防排水基床结构进行疲劳性能试验，检验新型防排水结构层的强度、刚度、长期动力稳定性，以及防排水性能。.（7）提出膨胀土路堑基床结构设计原则。确定新型防排水结构层厚度、位置、基床底层的换填深度，膨胀土地基两侧垂直防潮层的设置，以及新型防排水结构层与侧沟、接触立柱、防潮层等的封闭技术，提出膨胀土路堑新型防排水基床结构的设计原则，供实际工程应用.（8）编制《膨胀土路堑新型防排水基床结构施工工艺、质量控制标准》。