高速铁路作为铁路现代化的重要标志，由于其具有速度快、运能大、耗能少、安全舒适、污染小和占地少等优点，已成为人们首选的出行方式。而路基结构作为高速铁路的重要组成部分，为满足水头升降等环境因素的变化，可导致路基内部孔隙水压力变化，孔隙水对路基结构性能的影响更显著，路基主要病害包括翻浆冒泥、不均匀沉降及基床表层冻胀等，均与孔隙水密切相关。路基病害不仅破坏无砟轨道与路基基床结构的完整性，影响无砟轨道的服役性能，还有可能危及行车安全，带来繁重的轨道及基床养护维修工作。部分区域维修耗时较长，且不得不中断线路运营，长此以往将阻碍我国高速铁路的健康发展。

　　 路基内的孔隙水承担上部荷载作用，在列车规律性的高速行驶下产生超静水压力，一般与高速铁路行驶速度、荷载大小及荷载持续时间有关。孔隙水压力不稳定，且随着土中渗流的发生逐渐消失。当孔隙水压力消失时，空隙减小，路基将发生一定程度变形，从而影响其结构性能。部分学者研究了孔隙水对路基结构性能的影响，徐晓宇等 ^[1]通过不同循环加载条件下的模型试验和现场原型检测试验，研究孔隙水压力在交通荷载作用下的累积特性和发展规律，得到循环加载次数、行车速度、荷载强度、循环应力比、超固结比及频率对动孔隙水压力产生、发展、累积和消散的影响;Zhang等 ^[2]基于修正状态表面方法研究体积改变非饱和土骨架，讨论土壤体积变化的耦合效应，进一步扩展研究非饱和土的耦合流体力学行为;Liu等 ^[3]采用欧拉梁模拟钢轨，研究饱和路基表层受移动列车载荷影响的规律，研究结果表明，孔隙水引起路基刚度和有效性的变化是路基动态响应较大的原因，且较大的速度会加剧这种现象的出现及路基表层的翻浆问题;Feng等 ^[4]提出一种三维半解析方法研究具有软饱和夹层的分层地基动态响应，通过研究深度、厚度、液压夹层的渗透性，可知孔隙水压力分布特征受水力渗透性夹层边界条件的影响;Shen等 ^[5]对高速列车荷载循环主应力旋转下的软土路基沉降规律进行研究，发现随着固定动应力比下振动频率的增加，饱和土中轴向塑性累积应变的增加在中高频下受到了限制，孔隙水压力变化不明显;王瀚霖 ^[6]通过单元体试验、全比尺物理模型试验、数值模拟，针对高速铁路运营维护阶段的水害防护措施问题，研究路基力学性能及水分运移规律。

　　 部分学者针对土中水的作用及变化情况展开研究，Zhang等 ^[7]认为非饱和土的水力和体积行为建模并非彼此独立，需具备建模一致性条件，同时由于材料性质并非相互独立，选择参数时应考虑弹塑性原理，以满足压力路径独立性的要求;Kettil等 ^[8]耦合模拟移动荷载作用下饱和土内动力变形及水流变化，发现水流导致土体内部侵蚀及颗粒运输，同时增加的孔隙水压力降低了承载力;Zhang等 ^[9]提出土-地基建筑的综合系统，用于模拟收缩膨胀土的体积变化压力与含水量变化;Feng等 ^[10]开发三维轨道-路基模型，研究高速列车引起的振动，将高速列车荷载简化为一系列移动点荷载，研究结果表明地下水显著影响地表位移，但对速度和加速度的影响较弱。

　　 采用COMSOL Multiphysics多场耦合分析软件对高速铁路运营条件下的路基内孔隙水变化进行有限元分析，包括对上部高速移动列车荷载的模拟，下部以多孔弹性介质为主体建立轨下基础模型，引入水-力耦合模型得到基床表面应力、位移分布情况及轨道表面中点位移场和基床表层中点应力场变化规律，同时研究路基敏感性因素对路基内孔隙水头位置及上部移动荷载速度的影响规律，通过该影响规律对基床设计、材料选择提出一定建议，以改善孔隙水对高速铁路路基结构性能的危害，从而改进运营安全性、乘客舒适性，并延长铁路使用年限。

　　 根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，以某正在运营的双线高速无砟轨道路基结构典型断面为研究对象，建立高速铁路路基断面结构二维平面应变有限元模型，为高速铁路路基孔隙水压力分布及受力变形分析提供必要的研究基础。根据高速列车实际运行状态下路基内孔隙水及分布变化的耦合关系，建立包括钢轨(高0.2m)、轨道板(高0.05m)、CA砂浆层(高0.25m)、支撑层(高0.3m)、基床表层(高0.4m)、基床底层(高2.3m)、路基本体(高3.5m)、饱和土层(高1.5m)、软土层(高19m)在内的轨道-路基纵断面模型(见图1)，纵断面宽26m，在路基顶面以下仅考虑无初始水头压力作用的路基应力和孔隙水压力。

　　 在高速铁路轨道-路基结构有限元模型中，为与后期添加物理场所需参数相对应，需对材料密度、泊松比、杨氏模量及渗透率等参数加以控制，其中基床表层密度为2 000kg/m³，泊松比为0.25，杨氏模量为18GPa;基床底层密度为1 800kg/m³，泊松比为0.25，杨氏模量为0.11GPa，渗透率为0.025;路基本体密度为1 700kg/m³，泊松比为0.2，杨氏模量为0.06GPa，渗透率为0.2;饱和土层密度为1 800kg/m³，泊松比为0.3，杨氏模量为35GPa，渗透率为0.3。

　　 1)上部高速列车加载

　　 本次加载模拟和谐号CRH380A型电力动车组，轴重16t，模拟5节车厢，每节车厢2个转向架，视作均布荷载沿水平方向依次作用于轨道表面。高速列车加载方式与普通列车相比具有高强度、重复累积性的特点，为此在上部施加边界荷载模拟高速铁路运行状态方程，如式(1)所示。

　　 式中:F_A为单位面积力;s为列车荷载;n为单位法向量。

　　 2)弹簧基础

　　 弹簧基础起吸收振动和冲击能量的作用，在本次模型中起代替弹簧扣件的作用。

　　 3)达西定律边界条件

　　 为简化运算，路基两侧视作不透水岩土层，为此在路基纵断面边缘设置无孔隙水流动，在边界处选择式(2)。

　　 式中:v为流速;n为孔隙率;ρ为水密度;u为孔隙水压力。

　　 考虑从基床表层开始路基与饱和土层、软土层和硬土层之间存在一定透水性，所以在土层之间设置透水层，渗透系数>1m/d，为此选择式(3)。

　　 式中:n为孔隙率;ρ为水密度;u为孔隙水压力;R_b为饱和系数;H_b为饱和土层水头;H为土层水头。

　　 在静止状态下，基床内孔隙水仅考虑重力作用，同时基床表层上部结构内不存在孔隙水，仅对整个模型产生应力及形变约束。在路基内部，孔隙水集中在中间部位，因此设置路基中层初始水头为0m，初始压力为0kPa。

　　 为检验模型可靠性，参考相关文献，建立仅考虑孔隙水的轨道-路基纵断面模型，通过对比实测值与计算值进行验证。与相关文献路基内压力分布云图及Darcy速度场分布情况进行对比，可知本研究模型表面压力分布与相关文献研究结果类似，且数值模拟计算结果相似，误差在允许范围内。

　　 为进一步验证孔隙水-力耦合有限元模型的实用性和准确性，采用室内蒸渗仪，通过试验研究土样内水分渗透、重分布情况，试验装置如图2所示。喷水仪位于距蒸渗仪顶面深度30cm处，与水库相连。EA514-054型土样含水率传感器安装在喷水仪周围多个位置。将土样(33.5%黏土，39.7%泥砂，26.8%砂)填充到蒸渗仪中，土样初始含水率为0.16%，干重度为13.5kN/m³。喷水仪单位时间内流量恒定，为3.7×10^-7m³/s。喷水24,48h后分别记录土样含水率。土样顶面覆盖塑料膜以减少试验过程中的水分蒸发。将数值模拟结果与试验数据进行对比验证，结果如图3所示，由图3可知模型预测结果与实测结果吻合较好。

　　 根据列车运行至0.376s时的模拟结果，由移动荷载及孔隙水压力作用下轨道-路基纵断面模型应力分布情况可知:(1)基床内应力集中于高速列车移动荷载作用下方，达18kPa，并向四周及下层扩散;(2)饱和土层及路基底层两侧应力较小，基本保持为2kPa。

　　 根据列车运行至0.14s时的模拟结果，由轨道-路基纵断面模型表面总位移分布情况可知:(1)总位移较大的区域主要集中于中间部位，呈U形对称分布，最大位移可达0.5mm，并逐渐向四周扩散;(2)总位移区域由钢轨表面延伸至软土层上部，大部分软土层两侧及模型中心处未发生较明显的总位移。

　　 根据列车运行至0.14s时的模拟结果，由轨道-路基纵断面模型Y向位移分布情况可知:(1)在模型上部左侧存在Y向竖直向下位移区域，位移达0.5mm;(2)在模型上部右侧存在Y向竖直向上位移区域，位移达0.5mm。

　　 以钢轨表面中点作为观察点，得到位移曲线如图4所示，由图4可知:(1)路基表面位移与移动荷载加载方式有关，当部分加载时Y向位移开始产生，当第1个高速列车转向架经过该观察点时出现第1次向下位移，然后向上反弹，直至第2个转向架经过该点并产生第2次向下位移，保持该规律，直至高速列车驶出该段路基;(2)当多个转向架作用于轨道上时，该点竖直向下位移最大值保持为0.20～0.25mm，加载结束后观察点位移恢复为原状态。

　　 基床表层顶面中点Y向应力曲线如图5所示，由图5可知:(1)与位移变化类似，Y向应力曲线呈锯齿状分布，高速列车第1个转向架作用于该点上方时产生较大的Y向竖直向下应力，然后反弹，直至第2个转向架作用在该点上方并再次产生Y向竖直向下应力，保持该规律，直至列车驶出该段路基;(2)列车全部进入该段路基上时产生的最大Y向竖直向下应力保持为18kPa左右，当高速列车离开该路基后，Y向应力恢复为原状态。

　　 以沪宁城际高速铁路路基基床翻浆冒泥现象为研究背景，采用本研究所建模型，分析路基基床内部孔隙水压力、含水率(或湿度场)的分布，研究结果表明，在路基各结构层交界处(即基床表层与基床底层交界面及基床底层与路基本体交界面)有效饱和度值较高，说明在路基不同结构层间的交界处易出现水分富集现象，形成水膜，交界面更易产生相对滑动，造成剪切破坏，带来不利影响。因此，建议在路基各结构层交界处采取利于疏水、排水的措施，如铺设排水用土工织物和毛细排水管等，并采取增加层间黏结和接触的措施。

　　 路基内部孔隙水初始水头会由于降雨、地下水头上升等自然因素的影响发生升降变化，从而对路基结构性能产生影响。在本模型中，孔隙水设置在基床表层以下部位，为此，从基床表层开始逐渐将水头降至基床底层、路基本体和饱和土层，并分析路基表面0.1s时刻体积应变变化、0.14s时刻总位移变化及基床表层顶面中点应力变化。

　　 由0.1s时刻不同水头下轨道-路基纵断面模型体积应变分布情况可知:(1)当孔隙水头处于基床表层顶面时，上方支撑层存在体积收缩，体积应变达3×10^-5，且主要位于转向架下方;而基床表层产生较明显的集中体积膨胀，应变达5×10^-5;基床表层以下区域体积几乎无变化。(2)当孔隙水头降至基床底层顶面时，除该层中间区域有明显体积膨胀外，路基其他部分均无明显体积变化。(3)当孔隙水头降至路基本体顶面时，上部基床底层区域仍保持膨胀趋势，且路基本体也产生相同现象;路基其他区域体积无明显变化。(4)当孔隙水头降至饱和土层顶面时，饱和土层出现与基床表层相同的体积膨胀现象，且体积应变达5×10^-5;其他区域体积无明显变化。

　　 由0.14s时刻不同水头下轨道-路基纵断面模型总位移分布情况可知:(1)随着孔隙水头的下降，总位移由最初的U形对称区域逐渐移至基床表层及以上中心部位，最大总位移保持为0.5～1.2mm;(2)轨道-路基纵断面模型产生总位移的区域逐渐向转向架作用正下方区域延伸。

　　 不同水头下基床表层顶面中点应力曲线如图6所示，由图6可知:(1)应力变化与位移变化相似，第1次转向架经过该点上方时产生竖直向下应力，然后反弹，直至第2个转向架作用在该点上方产生第2次竖直向下应力，保持该规律，直至列车驶出该段路基;(2)随着孔隙水头的下降，第1次转向架和之后奇数次转向架作用于该点上方时所产生的竖直向下应力逐渐增大，由100kPa增至250kPa。

　　 上部高速列车行驶速度影响路基内孔隙水压力，从而对路基动力响应产生一定影响。因此，将高速列车行驶速度作为模型敏感性分析变量，分析钢轨表面中点位移及基床表层顶面中点竖向应力变化规律。

　　 不同行驶速度下钢轨表面中点位移曲线如图7所示，由图7可知:(1)不同行驶速度下的位移曲线变化趋势相似，均呈锯齿状分布，从高速列车第1个转向架开始作用于该点起产生Y向竖直向下位移，然后反弹，直至第2个转向架作用于该点并产生第2次Y向竖直向下位移，保持该规律，直至高速列车驶出该段路基;(2)Y向竖直向下位移峰值在2个以上转向架作用于该段路基上时保持为0.2～0.3mm，但随着列车行驶速度的下降，反弹后的Y向竖直向上位移峰值由0.35mm降至0.25mm。

　　 不同行驶速度下基床表层顶面中点Y向竖向应力曲线如图8所示，由图8可知:(1)竖向应力曲线均呈锯齿状分布，从列车第1个转向架作用于该点开始便产生Y向竖直向下应力，然后反弹，直至第2个转向架作用后再次产生Y向竖直向下应力，并保持该规律，直至高速列车驶出该段路基;(2)随着行驶速度的下降，竖向应力变化曲线愈加光滑，竖向应力变化更加清晰明确;(3)行驶速度的下降使竖向应力最大回弹值减小，即基床表层中点随着行驶速度的降低承受更小的竖向应力。

　　 以某段高速铁路无砟轨道板式结构路基断面为工程背景，建立孔隙水-力耦合轨道-路基结构动力分析有限元模型，研究路基动力响应，得出以下结论。

　　 1)高速铁路轨道-路基纵断面模型应力较大区域分布于移动列车荷载作用下方，并向四周及下层区域扩散，在饱和土层区域及路基底层两侧应力值较小。

　　 2)高速铁路路基动力响应对孔隙水头的变化较敏感，出现体积膨胀现象的土层仅存在于孔隙水头以下，路基表面竖向总位移变化规律随着水头下降变得更加复杂，竖向总位移较大的区域随着水头下降逐渐沿路基中间部位由钢轨表面向软土层扩散，水头下降也使路基表面受到的竖向应力增大。

　　 3)列车行驶速度影响路基内孔隙水压力，从而影响路基动力响应，行驶速度越小，孔隙水压力越小，钢轨表面竖向位移减小，且路基表面承受更小的竖向应力。

　　 4)孔隙水的存在使路基产生体积膨胀，并使路基自上而下在中间位置产生较大的竖向总位移，此外，竖向应力也会因孔隙水的存在而增大，故对路基进行动力响应分析时，考虑孔隙水的存在可使分析结果更合理。