高速鐵路軟巖物理改良土路基的動力特性分析

李小和

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

武漢—廣州高速鐵路(以下簡稱“武廣高鐵”)設(shè)計時速350 km，是我國第一條復(fù)雜山區(qū)的長大無砟軌道高速鐵路。高速列車的運行和無砟軌道的修建對鐵路線下結(jié)構(gòu)的工后沉降、平順性、動力穩(wěn)定性、剛度等有極高的要求，武廣高鐵按工后沉降15 mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。

武廣高鐵沿線分布較多全、強風(fēng)化軟巖，以白堊系及下第三系泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖，元古界砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖等為主，軟巖棄砟占全線挖方棄砟的60%左右。武廣高鐵施工圖設(shè)計時，相關(guān)規(guī)范、規(guī)定［1－2］對時速350 km高速路基填料要求為“基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤應(yīng)優(yōu)先選用A、B組填料和C組的塊石、碎石、礫石類填料(不含細(xì)粒土、粉砂及易風(fēng)化軟質(zhì)巖塊石土)?！?/p>

軟巖的主要特點是黏土礦物成分含量高，強度低，易風(fēng)化，遇水后強度會急劇降低。為了減少棄砟，改善環(huán)境，變廢為用，鐵四院進(jìn)行了軟巖改良土用作高速鐵路路基填料的改良方案、壓實標(biāo)準(zhǔn)、施工方法等成套技術(shù)的科研攻關(guān)，通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場填筑試驗段等系統(tǒng)研究，成功將軟巖改良土用于武廣高速鐵路路基本體填筑，拓寬了高速鐵路路基填料來源，節(jié)約了投資。

本文主要對武廣高速鐵路軟巖物理改良土填筑路基在高速列車荷載作用下的動力特性進(jìn)行實測分析，評價其動力穩(wěn)定性，并驗證高速鐵路軟巖改良土路基設(shè)計的合理性。

1 試驗工點概況

1.1 試驗工點結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟巖改良土路基動力特性參數(shù)實測工點位于武廣高鐵軟巖改良土路基試驗段。路基填高大于5 m，最大填高8.4 m。試驗段地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁間距1.4～1.5 m，樁長至下伏基巖強風(fēng)化層頂面。路堤邊坡采用M7.5漿砌片石拱型截水骨架內(nèi)空心磚內(nèi)客土噴播植草防護(hù)，邊坡設(shè)土工格柵加筋補強，坡腳設(shè)干砌片石護(hù)道。泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土頂面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜。

基床表層采用級配碎石填筑，基床底層采用A、B組填料填筑;基床下路基本體填筑泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土，路基設(shè)計橫斷面見圖1。泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土，填筑時將弱—強風(fēng)化物進(jìn)行破碎，然后摻入20%的粗砂拌勻，其物理力學(xué)特性指標(biāo)如下:Cc=1.9，Cu=26.3，最大粒徑 ＜60 mm，黏粒含量(＜0.075 mm)約20%;最優(yōu)含水量8.5%，最大干密度1.96 g/cm3;干濕循環(huán)擊實五次后黏粒含量增加約7%;當(dāng)壓實度0.92時，CBR平均值約11%，壓縮模量約36 MPa，垂直滲透系數(shù)約3.2×10－5cm/s［3］。

圖1 泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土路基設(shè)計橫斷面(單位:m)

1.2 測試元件及測試方法

在施工過程中，在測試斷面預(yù)埋設(shè)各種動力參數(shù)測試元件，并通過保護(hù)管道將導(dǎo)線牽入設(shè)置于路基坡腳的儲藏箱。元件埋設(shè)于武廣高鐵上行方向左線鐵路的右軌下方，沿路基不同深度布置，依次于基床表層頂面、基床底層頂面、基床底層底面、基床底層底面以下2.0 m，分別布置應(yīng)變式土壓力盒、拾振器、加速度計等動參數(shù)測試元件，主要測試元件的參數(shù)見表1。測試斷面元件布置見圖2。動態(tài)信號采集儀采用INV306型智能信號采集處理分析儀，配套DASP工程版軟件使用，共同構(gòu)成信號采集與分析系統(tǒng)。測試時，運營列車為CRH3型動車組，由6節(jié)動車與2節(jié)拖車組成。CRH3型動車組主要車輛參數(shù)為:轉(zhuǎn)向架固定軸距長2.5 m，頭尾車長25.7 m，中間6節(jié)車長皆為25 m，前后輪距約4.2 m，整列動車組長204.9 m，軸重不大于14 t。

表1 動參數(shù)測試元件性能

2 軟巖改良土動參數(shù)測試結(jié)果分析

2.1 動應(yīng)力測試結(jié)果分析

通過實車高速運行時路基各部位的實測動參數(shù)，研究分析軟巖改良土填筑路基的動響應(yīng)參數(shù)分布規(guī)律。在武廣高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，共采集了21趟CRH3型動車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時的動參數(shù)。分別對列車在左線軌道(埋設(shè)元件的軌道)和在右線軌道運行時采集的動應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2和圖3、圖4。

圖2 泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土路基動力測試斷面元件布置

由采集數(shù)據(jù)分析可知:本線行車時，基床表層最大動應(yīng)力為31.90 kPa，平均值為23.96 kPa;隨著距基床頂面距離的增加，動應(yīng)力逐步衰減，到基床表層底面時動應(yīng)力衰減約45%，到基床底層底面時，動應(yīng)力衰減約78%。同一位置不同車次時的動應(yīng)力差異主要由列車車速差異造成。鄰線行車時，基床表層最大動應(yīng)力為21.92 kPa，平均值為15.71 kPa;表明高速列車運行時，在基床范圍內(nèi)，兩線列車動應(yīng)力的疊加效應(yīng)較明顯，因此提高高速鐵路路基基床的強度和剛度是十分有必要的。

表2 CRH3型動車以300 km/m以上速度行駛時________軟巖物理改良土路基動應(yīng)力統(tǒng)計

圖3 本線行車時路基動土壓力隨深度的變化曲線

總體來講，CRH3型動車組以300 km/m以上速度行駛時，泥質(zhì)粉砂巖物理改良土路基整體動應(yīng)力較小，小于秦沈客運專線所測的200 km及以下時速列車運行時的基床動應(yīng)力［4］。這一方面是由于CRH3型動車組軸重相對較輕，另外也表明軟巖物理改良土填筑路基的平順性、剛度和整個軌道系統(tǒng)匹配良好。

圖4 鄰線行車時路基動土壓力隨深度的變化曲線

2.2 振動加速度分析

CRH3型動車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時的加速度測試結(jié)果見表3和圖5、圖6。

表3 CRH3型動車以300 km/m以上速度行駛時_______軟巖物理改良土路基加速度統(tǒng)計

由采集數(shù)據(jù)分析可知:在本線行車狀況下，泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化混合物物理改良土試驗段路基最大振動加速度出現(xiàn)在基床表層頂面，最大值達(dá)15.353 m/s2，平均值為9.477 m/s2，大部分?jǐn)?shù)值均小于11 m/s2。隨著距基床頂面距離的增加，振動加速度幅值急劇衰減，到基床表層底面時振動加速度衰減約86%，到基床底層底面時，振動加速度已經(jīng)非常小，衰減率達(dá)97%。鄰線行車所測數(shù)值表明，鄰線行車時，基床的振動加速度疊加效應(yīng)很小，約為本線的4%。

圖5 本線行車時路基加速度隨深度的變化曲線

圖6 鄰線行車時路基加速度隨深度的變化曲線

2.3 振動位移分析

CRH3型動車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時的振動位移測試結(jié)果見表4和圖7、圖8。

表4 CRH3型動車以300 km/m以上速度行駛時軟巖_______________物理改良土路基動位移統(tǒng)計

圖7 本線行車時路基動位移隨深度的變化曲線

由采集數(shù)據(jù)分析可知:在本線行車狀況下，泥質(zhì)粉砂巖強—弱風(fēng)化混合物物理改良土路基基床表層頂面動位移最大值為0.121 mm，均值為0.097 mm;基床表層底面動位移最大值為0.022 mm，均值為0.018 mm。隨著距基床頂面距離的增加，動位移迅速衰減，到基床表層底面時動位移衰減約83%，到基床底層底面時，動位移已經(jīng)非常小，衰減率達(dá)96%。鄰線行車所測數(shù)值表明，鄰線行車時，基床的動位移疊加效應(yīng)中等，約為本線行車時的1/3。

圖8 鄰線行車時路基動位移隨深度的變化曲線

3 結(jié)論

通過對武廣高鐵泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物物理改良土在CRH3型動車組以300 km/m以上高速運行時的動參數(shù)測試和分析，可得出以下結(jié)論:

①CRH3型動車組高速運行時，泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化混合物物理改良土路基實測基床表面動應(yīng)力均值為23.96 kPa，振動加速度均值為9.477 m/s2，動位移均值為0.097 mm。

②CRH3型動車組高速運行時，隨距路基基床頂面的距離增加，軟巖物理改良土填筑路基的動應(yīng)力衰減較慢，其影響范圍較深，可達(dá)基床頂面下約5 m;振動加速度和動位移衰減劇烈，主要影響范圍為基床表層，對基床以下路基本體的影響甚微。

③在保證軟巖物理改良土的粒徑級配、壓實度情況下，可以將軟巖物理改良土用作高速鐵路路基本體填料，其填筑的路基整體動力特性穩(wěn)定，并和其上的路基基床、軌道系統(tǒng)形成良好的動力特性匹配。

［1］ 鐵道第三勘察設(shè)計院，鐵道第四勘察設(shè)計院．鐵建設(shè)［2004］157號 京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［2］ 鐵道科學(xué)研究院．鐵建設(shè)函［2005］754號 客運專線無砟軌道鐵路設(shè)計指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［3］ 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司．武廣高速鐵路軟巖改良土填料現(xiàn)場填筑成套技術(shù)試驗研究總報告［R］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2009

［4］ 孫常新，梁波，楊泉．秦沈客運專線路基動應(yīng)力響應(yīng)分析［J］．蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2003(4):110-112