楊果林，段君義，胡敏，闞京梁，張立偉

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津，300251)

近年來，我國大力進(jìn)行交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中，高速鐵路建設(shè)成效顯著[1-2]。為保障高速列車高速、平穩(wěn)、舒適的優(yōu)勢，路基變形需要嚴(yán)格控制在很小范圍內(nèi)[3]，特別是無砟軌道路基結(jié)構(gòu)，其允許的路基最大沉降變形不能超過15 mm，最大隆起變形不能超過4 mm[4-5]，這使得鐵路路基對填料選取有嚴(yán)格要求[6-8]。一般來說，考慮地質(zhì)條件限制、建設(shè)成本、環(huán)境保護(hù)及資源充分利用，鐵路路基填筑的填料為當(dāng)?shù)赝亮蠄龌蜓鼐€隧道、路塹等挖方地段的土料[9]。當(dāng)前，越來越多的地區(qū)與城市正在規(guī)劃或建設(shè)高速鐵路，但我國不同地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件存在著巨大差異，這導(dǎo)致一些地區(qū)鐵路路基沿線填料面臨工程性質(zhì)差異明顯、選取困難以及適用性不強(qiáng)等問題[2,6,10-11]。在保證鐵路路基處于安全、穩(wěn)定的前提下，為了盡可能地就地取材并節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本[12]，一些學(xué)者對不同地區(qū)的潛在性填料適用性進(jìn)行研究，如：徐華等[9]針對川藏鐵路成雅(成都—雅安)段沿線富水紅層黏土存在含水率高、壓實(shí)困難等問題提出了改良方法，指出按照弱風(fēng)化泥巖碎石與紅層黏土的質(zhì)量比為1摻入弱風(fēng)化泥巖碎石后的改良紅層黏土作為鐵路路基填料；ZHANG 等[13]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)分析了我國西南地區(qū)的紅層泥巖動(dòng)力特性；徐鵬等[14-15]通過現(xiàn)場激振試驗(yàn)驗(yàn)證了紅層泥巖作為基床填料的可行性；張永康等[12]對柴達(dá)木盆地西北部的鹽漬土用作路基填料進(jìn)行了分析，提出了防水、壓實(shí)與防護(hù)等綜合工程措施，并通過現(xiàn)場觀測驗(yàn)證其適用性；張延杰等[16]對千枚巖棄渣進(jìn)行水泥改良，指出當(dāng)水泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%時(shí)，千枚巖棄渣能夠用于Ⅰ級和Ⅱ級鐵路基床以下部位；蔣澤中[17]對改良膨脹土進(jìn)行了一系列動(dòng)、靜力學(xué)試驗(yàn)，指出改良后膨脹土能用于路基填筑，但強(qiáng)調(diào)仍需采取防排水措施。綜上可知，大量學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際所處地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了不同潛在性填料的適用性研究，這使得鐵路路基填料的選擇范圍廣泛，但針對這些潛在填料對鐵路路基結(jié)構(gòu)的影響缺乏相關(guān)研究。值得注意的是，膨脹土作為一種具有顯著脹縮變形特征的特殊土[18]，對鐵路路基變形產(chǎn)生的威脅更加突出，并對修建于膨脹土地區(qū)的鐵路路基帶來了各種變形病害，如路基不均勻沉降、翻漿冒泥、基床外擠等[19]。為保證路基的長期穩(wěn)定性，實(shí)際鐵路工程在遇到膨脹土路基時(shí)往往需要采取改良[20]、加固[21]、防排水[19,22-24]等綜合處治措施。目前，人們針對膨脹性填料本身及其處治的相關(guān)研究很多，但對膨脹性填料對鐵路路基的影響研究很少[5,25-26]。京沈(北京—沈陽)高速鐵路是我國高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，其遼寧段沿線存在大量的膨脹性巖土，其中，安山巖在遼寧段占有較高比例。安山巖中粗顆粒不具有膨脹性，但其內(nèi)部含有的細(xì)顆粒具有一定程度的膨脹性，從而使得由粗、細(xì)顆粒組成的安山巖表現(xiàn)出微膨脹性，根據(jù)目前規(guī)范[27]要求，其不能用于路基填筑。然而，根據(jù)京沈高速鐵路沿線地質(zhì)環(huán)境與相關(guān)構(gòu)筑物調(diào)查結(jié)果，沿線未發(fā)現(xiàn)因安山巖膨脹性引起的工程病害，安山巖可作為路基的潛在性填料。因此，為了節(jié)省工程投資和利于環(huán)境保護(hù)，設(shè)計(jì)人員考慮將隧道、路塹等挖方段產(chǎn)生的廢棄安山巖用作路基填料，但對微膨脹性安山巖填料對無砟軌道路基結(jié)構(gòu)的變形影響機(jī)理還沒有充分了解。為此，本文作者以京沈高速鐵路建設(shè)工程為依托，通過模型試驗(yàn)開展模擬降雨作用下無砟軌道安山巖路基的變形特征研究，以期為京沈高速鐵路路基及今后其他膨脹土地區(qū)鐵路路基的填料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及其處治措施優(yōu)化提供參考。

1 路基模型試驗(yàn)

1.1 安山巖填料

試驗(yàn)所用填料為取自京沈高速鐵路線路上遼寧省阜新市典型風(fēng)化安山巖，呈深灰、灰綠色，其中，細(xì)顆粒呈圓粒狀，粗顆粒呈尖棱狀，圖1所示為其XRD 礦物分析結(jié)果。安山巖填料中的膨脹性礦物主要是蒙脫石，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.57%，而伊利石、高嶺土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，安山巖的膨脹性主要來自于其內(nèi)部含有的細(xì)顆粒土。表1所示為安山巖填料其他的主要物理力學(xué)指標(biāo)。

圖1 安山巖XRD礦物分析結(jié)果Fig.1 XRD results of andesite

表1 安山巖填料的主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical indicators of andesite filling

根據(jù)TB 10038—2012“鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程”[27]的判別標(biāo)準(zhǔn)，該安山巖填料應(yīng)劃為中等膨脹性。需指出的是，采用該判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行膨脹性評定時(shí)需要先對填料進(jìn)行篩分，再取篩分后粒徑小于0.5 mm 的細(xì)顆粒用于測試。然而，鐵路路基填料允許的最大粒徑遠(yuǎn)大于0.5 mm，且粒徑小于0.5 mm 的土顆粒在安山巖填料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅約為11.95%，因此，上述判別標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)苛且不足以準(zhǔn)確反映由粗、細(xì)顆粒組成的安山巖填料的整體膨脹性，限制了該類填料的適用范圍。而采用平衡加壓法實(shí)驗(yàn)測得其在壓實(shí)度95%時(shí)膨脹力僅為26.96 kPa?？梢?，安山巖填料的整體膨脹性很小。此外，其級配情況符合TB 10001—2016“鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”[28]中A組填料的規(guī)定。

1.2 安山巖路基模型及試驗(yàn)方案

1.2.1 安山巖路基模型結(jié)構(gòu)及元器件布置

以TB10621—2014“高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范”[4]中無砟軌道雙線路堤標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為原型，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)施條件與可靠性，按照比例1:2 對原型路基進(jìn)行縮尺，并取半幅得到試驗(yàn)路基，如圖2所示。試驗(yàn)路基長度、寬度及高度分別為2.00，5.00 和2.55 m，其中，基床表層、基床底層及地基的厚度分別為0.20，1.15 和1.20 m。整個(gè)路基采用安山巖填料填筑，并按照TB10621—2014“高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范”要求采用夯實(shí)機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。試驗(yàn)軌道板尺寸根據(jù)CRTS I型板式軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行1:2縮尺確定，并采用C40混凝土澆筑而成。

路基內(nèi)部布置一系列位移計(jì)(型號為JMDL-3210A，編號為S1 至S5)與濕度計(jì)(型號為YT-DY-0101，編號為M11 至M43)，路基表面布置一系列豎向、水平向變形監(jiān)測點(diǎn)(編號為C0 至C9)，并采用千分表進(jìn)行測讀。具體的試驗(yàn)元器件布置如圖2所示。

1.2.2 模擬降雨實(shí)施及測試

本試驗(yàn)旨在分析模擬降雨作用下微膨脹性安山巖路基膨脹變形行為及其對無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響。在整個(gè)模擬降雨過程中，路基上覆荷載僅為無砟軌道結(jié)構(gòu)自重，且路基內(nèi)部未布置任何防排水措施，以盡可能反映最不利服役情形。模擬降雨設(shè)施由直徑為2 mm的PVC管縱橫交叉聯(lián)通而形成的水管網(wǎng)組成，管壁上按間距10 cm鉆一系列小孔。鑒于安山巖膨脹性較小，將水管網(wǎng)直接鋪設(shè)在路基表面，并采用透水土工布包裹管壁上小孔，以盡可能降低模擬降雨時(shí)雨流沖刷路基而對路基表面變形測試產(chǎn)生的影響。模擬降雨時(shí)水從管壁上小孔均勻慢速流出，控制水流速率以保持路基面在降雨期間始終被水分覆蓋且不引起沖刷為準(zhǔn)，如圖3所示。為考慮最不利情形，降雨時(shí)長以路基各部位的濕度、變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為確定依據(jù)。其中，濕度、變形的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)定義為平均變化速率分別小于1 %/h 和0.005 mm/h。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際模擬降雨時(shí)長為108 h。停止降雨后，再持續(xù)監(jiān)測至路基濕度、變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)監(jiān)測持續(xù)時(shí)間為35 h。

圖2 安山巖路基結(jié)構(gòu)與元器件布置圖Fig.2 Andesite subgrade structure and components layout

圖3 模擬降雨試驗(yàn)中被水覆蓋的路基面Fig.3 Subgrade surface covered with water in simulated rainfall test

在試驗(yàn)過程中，路基濕度(濕度計(jì))的采集頻率為5 min/次，路基變形(千分表)的采集頻率為15 min/次([0，10) h)，30 min/次([0，24) h)和1 h/次(24 h 至試驗(yàn)結(jié)束)。需要說明的是，在實(shí)施本次模擬降雨試驗(yàn)前，先進(jìn)行模擬地下水上升引起的地基浸水試驗(yàn)，故地基中濕度維持在較高狀態(tài)。這里重點(diǎn)分析模擬降雨作用下安山巖路基的變形響應(yīng)行為。此外，由于監(jiān)測采集頻率較高，使得試驗(yàn)結(jié)果分析中的圖示曲線不夠簡潔、直觀，為此，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下，事先按照適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔提取濕度與變形監(jiān)測結(jié)果，以用于試驗(yàn)結(jié)果分析。其中，規(guī)定豎向變形以隆起變形為正，水平變形以側(cè)向外鼓變形為正。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 路基土體濕度隨時(shí)間的變化

圖4 所示為路基土體濕度(體積含水率)隨降雨時(shí)間的變化。由圖4 可見：模擬降雨約2 h 后，地基面處濕度計(jì)M31，M32 和M33 所測濕度最先增大，其原因是水分在路基表面上的入滲速率小于徑流速率，使得大量的水分順著路基表面流至坡腳并積聚，再從坡腳與箱壁縫隙下滲至地基面；降雨約6 h 后，地基面處土體濕度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)，隨著降雨時(shí)間增加，路基面上水分不斷下滲，基床表層底面處濕度計(jì)M11 和M12 在降雨約14 h后所測濕度陸續(xù)增大；在降雨約27 h時(shí)，水分?jǐn)U散至基床底層中部，引起濕度計(jì)M21 和M22 處土體濕度同步增大。由于安山巖填料滲透性較大，基床中土體濕度均呈快速上升特征，并在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。關(guān)閉降雨系統(tǒng)后，隨著路基面上積水逐漸下滲完成，基床層內(nèi)部土體濕度逐漸降低，降低到一定程度后再次趨于穩(wěn)定。此外，由于坡腳處有小部分積水存在，地基中土體濕度在關(guān)閉降雨系統(tǒng)后基本保持不變。

圖4 路基土體濕度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of soil moisture in subgrade with time

需要說明的是，由于在進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)前，地基經(jīng)歷了浸水試驗(yàn)，因此，地基內(nèi)部土體濕度一直維持在較高值。其中，在停止地基浸水后，靠近基床的小部分地基范圍內(nèi)的部分水分向基床中發(fā)生遷移，從而使得濕度計(jì)M31，M32 和M33在模擬降雨前處于非飽和狀態(tài)，而濕度計(jì)M41，M42 和M43 所在位置由于遠(yuǎn)離基床而未受水分遷移影響，使得該位置在整個(gè)降雨過程中維持在飽和狀態(tài)。

2.2 路基不同結(jié)構(gòu)層的隆起變形隨時(shí)間的變化

圖5所示為路基不同結(jié)構(gòu)層的隆起變形隨降雨時(shí)間的變化。由圖5可知：在模擬降雨初期，基床層在水分浸潤作用下發(fā)生軟化變形，導(dǎo)致基床底層(對應(yīng)位移計(jì)S1 和S2 所處位置)在初期產(chǎn)生微小的沉降變形；隨著水分在基床底層內(nèi)擴(kuò)散，基床底層將以膨脹變形為主，從而，基床底層產(chǎn)生隆起變形且快速增長，但增長一段時(shí)間后，其增長速率逐漸減??；降雨約85 h 后，地基開始出現(xiàn)小幅度二次隆起變形；停止降雨時(shí)，濕度計(jì)S1和S2處的基床底層隆起變形分別為0.46 mm和0.60 mm；停止降雨后，由于路基面存在積水，基床底層仍有微小的隆起變形產(chǎn)生，而地基的二次隆起變形則逐漸趨于穩(wěn)定；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，濕度計(jì)S1和S2處基床底層隆起變形分別為0.50 mm 和0.63 mm，S3，S4 和S5 處地基二次隆起變形分別為0.21，0.08和0.10 mm，該二次隆起變形均明顯小于基床底層的隆起變形。需要指出的是，無論是基床底層還是地基，不同位置的隆起變形均不相同，即隆起變形沿路基橫向呈現(xiàn)出非均勻分布特征，該特征可能導(dǎo)致路基上方的軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)向傾斜隱患，進(jìn)而影響列車高速運(yùn)行安全。因此，在膨脹土路基的處治過程中應(yīng)對此予以重視。

圖5 路基不同結(jié)構(gòu)層隆起變形隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of heave of different structural layers of subgrade with time

2.3 路基表面隆起變形隨時(shí)間的變化

2.3.1 軌道板隆起變形

圖6 所示為軌道板隆起變形隨降雨時(shí)間的變化。由圖6可知：軌道板發(fā)生了隆起變形；在降雨前期，軌道板上不同位置的隆起變形均以較快速率增長；在降雨后期(約40 h后)，軌道板隆起變形增長速率逐漸減緩，且在不同位置增長速率產(chǎn)生明顯差異；停止降雨時(shí)，軌道板上千分表C1，C0和C2 處的隆起變形分別為0.940，0.901 和0.855 mm，之后，其隆起變形增長不明顯。

圖6 軌道板隆起變形隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of heave of track slab with time

軌道板不同位置的隆起變形發(fā)展不同步現(xiàn)象說明在模擬降雨期間軌道板產(chǎn)生了傾斜。為進(jìn)一步分析軌道板的傾斜狀態(tài)，基于千分表C0，C1和C2 處的隆起變化監(jiān)測結(jié)果，可用3 種方式計(jì)算軌道板傾斜角度，定義軌道板傾斜角度α1，α2和α3的計(jì)算公式分別如下：

式中：dC0，dC1和dC2分別為千分表C0，C1 和C2 處的隆起變形(mm)；d 為軌道板寬度，其值等于1 500 mm。

軌道板傾斜角度的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：整個(gè)試驗(yàn)過程中，軌道板的傾斜狀態(tài)發(fā)生了多次變化。為了便于分析，將軌道板傾斜變化曲線劃分為如下5個(gè)階段。

1)第Ⅰ階段([0，5)h)：模擬降雨初期，路基面上水分的分布及其下滲均存在非均勻特征，這導(dǎo)致軌道板傾斜變化處于波動(dòng)狀態(tài)。軌道板最先出現(xiàn)順時(shí)針傾斜，這是因?yàn)樵诮涤瓿跏茧A段，軌道板左側(cè)(路基中線所在一側(cè))的水分大部分積存在路基面上，而軌道板右側(cè)(靠近路基坡面一側(cè))的水分大部分順著排水坡度流走，造成軌道板左側(cè)的路基表層填料浸水膨脹變形發(fā)展較快。

2)第Ⅱ階段([5，14)h)：隨著時(shí)間增加，軌道板右側(cè)的水分逐漸下滲至基床內(nèi)部，結(jié)合圖4中濕度計(jì)M12 比M11 更早出現(xiàn)濕度增長，軌道板右側(cè)下方基床內(nèi)部填料(M12周圍區(qū)域)更早產(chǎn)生浸水膨脹變形，這也可以由圖5 中S2 處先出現(xiàn)隆起變形增長得到驗(yàn)證。因此，該階段軌道板轉(zhuǎn)而產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并呈現(xiàn)出逆時(shí)針傾斜。

圖7 降雨作用下軌道板傾斜角度變化Fig.7 Variation of the inclination angle of the track slab under simulated rainfall

3) 第Ⅲ階段([14，49) h)：在此階段，軌道板左側(cè)的水分也逐漸下滲至基床內(nèi)部，使得軌道板左側(cè)下方基床(M11周圍區(qū)域)產(chǎn)生膨脹變形，進(jìn)而導(dǎo)致軌道板再次出現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并呈現(xiàn)出順時(shí)針傾斜狀態(tài)。軌道板的最大順時(shí)針傾斜角度平均值為5.42×10-3(°)。

4) 第Ⅳ階段([49，108) h)：在該階段，基床(特別是基床底層)內(nèi)濕度場趨于均勻，這可由圖4中濕度計(jì)M21 和M22 所測結(jié)果證實(shí)。對于雙線鐵路路基，基床內(nèi)應(yīng)力場沿路基橫向呈非均勻分布，即隨著距路基中線的距離增加，基床內(nèi)豎向應(yīng)力逐漸減小，這使得在均勻濕度場作用下基床的隆起變形隨著距路基中線的距離增加而增加，故軌道板的順時(shí)針傾斜角度將逐漸減小。

5)第Ⅴ階段(108 h至試驗(yàn)結(jié)束)：該階段屬于停止降雨的后續(xù)監(jiān)測，由于路基中土體濕度響應(yīng)的滯后性，路基隆起變形仍存在微小幅度增長，這使得軌道板的順時(shí)針傾斜角度繼續(xù)減小，但其變化幅度較小。隨著路基土體濕度逐漸降低并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，軌道板的傾斜狀態(tài)也將趨于穩(wěn)定。受路基側(cè)向膨脹變形影響，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)軌道板仍保持順時(shí)針傾斜狀態(tài)，對應(yīng)傾斜角度為2.46×10-3(°)。

需要說明的是，地基產(chǎn)生了小幅度二次隆起變形，該隆起變形隨著距路基中線距離增大而減小，這應(yīng)使得軌道板產(chǎn)生順時(shí)針傾斜。但實(shí)際上，軌道板在85 h 后保持逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其原因是地基隆起變形在沿路基本體向上傳遞時(shí)存在衰減現(xiàn)象[26]，使得地基的小幅度二次隆起變形在衰減作用下對軌道板的傾斜變化影響很小。此外，軌道板傾斜角度與時(shí)間的關(guān)系曲線并未呈現(xiàn)出24 h 周期性變化，這說明溫度或溫差沒有對軌道板的傾斜變化造成影響。

根據(jù)以上分析可知：基床底層與軌道板的隆起變形橫向不均勻特點(diǎn)及其差異與變形衰減、濕度場不均勻分布有關(guān)；路基內(nèi)濕度場與應(yīng)力場的不均勻分布造成微膨脹土路基上無砟軌道結(jié)構(gòu)傾斜，而軌道板過大的傾斜狀態(tài)引起列車高速運(yùn)行存在安全隱患。因此，應(yīng)在充分考慮軌道板可能出現(xiàn)的傾斜基礎(chǔ)上，合理采取膨脹土路基的防排水措施與加固抗隆起措施。

圖8所示為降雨結(jié)束與試驗(yàn)結(jié)束時(shí)軌道板隆起變形橫向分布。由圖8可知：隨著距路基中線距離增加，軌道板隆起變形逐漸減小，即軌道板產(chǎn)生了順時(shí)針傾斜。對其橫向分布曲線進(jìn)行線性擬合可知，軌道板隆起變形橫向分布非常接近于線性分布，但仍有微小差距。為確定該微小差距是由千分表讀數(shù)誤差引起還是軌道板翹曲變形所致，下面分別予以討論。

首先，定義隆起變化計(jì)算值DC0和隆起變化差值ΔD分別為

根據(jù)式(4)和(5)可得ΔD與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示，其中，讀數(shù)誤差區(qū)間為千分表千分位讀數(shù)估讀引起的最大誤差范圍。根據(jù)千分表特點(diǎn)，其讀數(shù)千分位估讀引起的最大誤差為0.005 mm，對應(yīng)讀數(shù)誤差區(qū)間為-0.005～+0.005 mm。

圖8 降雨作用下軌道板隆起變形橫向分布Fig.8 Horizontal distribution of heave of track slab under simulated rainfall

圖9 ΔD隨時(shí)間的變化Fig.9 ΔD changes with time

由圖9 可知：在整個(gè)降雨過程中，ΔD 總體上位于讀數(shù)誤差區(qū)間外，僅在降雨初期和停止降雨后，ΔD 在讀數(shù)誤差區(qū)間內(nèi)。這說明在降雨期間，ΔD并非主要由千分表讀數(shù)估讀誤差所導(dǎo)致，其可能原因是降雨作用下路基不均勻隆起變形使得軌道板發(fā)生翹曲變形，這也能夠很好地解釋ΔD主要發(fā)生在降雨后期而不是在降雨初期和停止降雨后。

此外，對軌道板傾斜特征進(jìn)一步分析，規(guī)定千分表讀數(shù)估讀誤差引起的角度誤差Δα。Δα與式(1)，(2)和(3)計(jì)算所得軌道板傾斜角度差值見圖10，其中，讀數(shù)致使角度誤差區(qū)間為-Δα～+Δα。Δα計(jì)算式為

式中：Δd 為千分表讀數(shù)的估讀誤差，其值等于0.005 mm。

圖10 不同計(jì)算方式所得傾斜角度之差Fig.10 Differences between inclination angles obtained by different calculation methods

由圖10 可知：除降雨初期和停止降雨后外，由式(1)，(2)和(3)計(jì)算所得傾斜角度差值均超過讀數(shù)估讀的誤差區(qū)間，且最大差值達(dá)2.56×10-3(°)。這進(jìn)一步說明不同計(jì)算方式所得軌道板傾斜角度的差異并非千分表讀數(shù)估讀所引起，而主要是軌道板翹曲變形所引起，且軌道板翹曲變形也是導(dǎo)致軌道板傾斜的重要因素之一。因此，降雨作用下軌道板的傾斜主要是路基不均勻隆起變形及其引起的軌道板翹曲變形所致。

2.3.2 路基面隆起變形

圖11 所示為降雨作用下路基面隆起變形的變化。由圖11 可知：在降雨初期，軌道板所在范圍外路基面迅速出現(xiàn)隆起變形，并快速增長；降雨約40 h 后，其隆起變形增長速率減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定；停止降雨時(shí)，千分表C3，C4 和C5 處隆起變形分別為5.836，6.940和7.246 mm。這說明隨著距路基中線距離增大，路基面隆起變形沿橫向呈現(xiàn)逐漸增大的非均勻分布；停止降雨后，其隆起變形發(fā)生了小幅度回落；此外，受軌道板荷載抑制作用，軌道板的隆起變形及其傾斜程度明顯小于軌道板范圍外路基面的隆起變形及其傾斜程度，表明合理的荷載作用于路基可有效地減小軌道結(jié)構(gòu)的隆起變形與傾斜。

2.3.3 路基坡面隆起變形與水平變形

圖11 降雨作用下路基面隆起變形的變化Fig.11 Variation of heave of subgrade surface under simulated rainfall

圖12 所示為降雨作用下路基坡面隆起變形的變化。由圖12 可知：與路基面隆起變形發(fā)展規(guī)律類似，路基坡面上隆起變形隨時(shí)間也呈現(xiàn)出先快速增長后慢速增長的變化趨勢；停止降雨后，其隆起變形僅有微小回落；千分表C5，C6 和C7 處最大隆起變形分別為7.246，4.936和0.979 mm，表明隨著距路基中線距離增加，路基坡面隆起變形依次遞減。

圖12 降雨作用下路基坡面隆起變形的變化Fig.12 Variation of heave of subgrade slope under simulated rainfall

圖13 所示為降雨作用下路基坡面水平變形隨時(shí)間的變化。由圖13 可知：在降雨作用下基床發(fā)生膨脹變形，包括隆起變形和側(cè)向變形，使得路基坡面的水平變形表現(xiàn)為外鼓式，這也促使軌道板產(chǎn)生順時(shí)針傾斜；由于水分首先浸潤的是路基表面部分填料，因此，千分表C8 處的水平變形在初期增長速度比千分表C9 處的快；隨著降雨時(shí)間增加，水分進(jìn)入坡體內(nèi)部，千分表C9 處的水平變形加快；千分表C8 位于坡頂，該位置同時(shí)發(fā)生了較大隆起變形且比千分表C9 處的隆起變形大，這可從圖12中看出，故千分表C9處后期的水平變形逐漸超過千分表C8 處的水平變形；降雨約20 h后，坡面水平變形增長變得緩慢，并逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；停止降雨時(shí)，千分表C8和C9處的外鼓式水平變形分別為0.868 mm 和1.004 mm；停止降雨后，其水平變形發(fā)生小幅度回縮。

圖13 降雨作用下路基坡面水平變形隨時(shí)間的變化Fig.13 Variation of horizontal deformation of subgrade slope with time under simulated rainfall

3 結(jié)論

1)在降雨作用下，微膨脹性安山巖路基發(fā)生隆起變形；停止降雨后，路基的隆起變形僅出現(xiàn)小幅度回落；隨著距離路基中線距離增加，路基面的隆起變形增加，而路基坡面的隆起變形逐漸減小。

2)降雨期間，由于雙線鐵路路基內(nèi)應(yīng)力場呈不均勻分布特性以及路基內(nèi)濕度場不斷發(fā)生變化，引起路基產(chǎn)生不均勻隆起變形并導(dǎo)致軌道板翹曲變形，進(jìn)而使得軌道板出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象且反復(fù)變化。在試驗(yàn)過程中，測得的最大傾角均值為5.42×10-3(°)，且呈現(xiàn)順時(shí)針傾斜狀態(tài)。

3)軌道板的隆起變形明顯小于軌道板范圍外的路基面隆起變形，說明施加合適的上覆荷載可有效地減小軌道結(jié)構(gòu)的隆起變形及其傾斜程度。此外，在降雨過程中，安山巖路基坡面產(chǎn)生了外鼓變形，這對軌道板的順時(shí)針傾斜具有促進(jìn)作用。