半剛性防水層對基床動(dòng)力特性影響的模型試驗(yàn)

王亮亮，楊果林

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

水是引發(fā)膨脹土地區(qū)鐵路基床病害的重要因素[1]，建立完備的防排水系統(tǒng)[2]，隔斷地表水進(jìn)入基床的途徑，是維持基床長期穩(wěn)定和減少病害發(fā)生的關(guān)鍵。但造成膨脹土地區(qū)鐵路基床病害的水分并非完全來自于地表[3]，呂海波等[4]研究發(fā)現(xiàn)：受環(huán)境氣候、初始含水率[5]、吸力[6]、裂縫數(shù)量和分布情況[7]、膨脹等級[8]等的影響，基底膨脹土?xí)a(chǎn)生季節(jié)性脹縮變形，這類變形具有強(qiáng)度弱、周期長、不均勻性等特點(diǎn)，易產(chǎn)生脹縮變形差，使基床路拱破壞，降低基床排水能力，從而引發(fā)基床病害。因此，膨脹土地區(qū)鐵路基床防排水結(jié)構(gòu)不僅要有良好的隔水效果，還應(yīng)有一定的剛度來協(xié)調(diào)基底膨脹土由于氣候環(huán)境變化而產(chǎn)生的不均勻變形，確保線路的平順性。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合云桂鐵路膨脹土地段的建設(shè)需求，自主研發(fā)了新型半剛性防排水結(jié)構(gòu)層，對膨脹土路段基床進(jìn)行全封閉防水處理。研究表明基床結(jié)構(gòu)變化對列車走行性能[9]和路基的動(dòng)力響應(yīng)[10]具有顯著影響，為此，國內(nèi)外研究人員對不同基床形式的動(dòng)力特性開展了大量研究，Hu等[11?12]通過對動(dòng)應(yīng)力在土質(zhì)路基中分布規(guī)律的研究，結(jié)合基床填料和地基土在長期動(dòng)荷載作用下的疲勞變形特性，提出采用臨界動(dòng)剪應(yīng)變法評判土質(zhì)路基長期動(dòng)力穩(wěn)定性的方法，劉曉紅等[13]在此基礎(chǔ)上對武廣客運(yùn)專線紅黏土路基的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，為減小基床換填厚度提供了理論支持；張千里等[14]對層狀基床結(jié)構(gòu)的應(yīng)變控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明基床結(jié)構(gòu)各部分的剛度和應(yīng)變水平變化對基床的累積變形具有顯著影響；肖宏等[15]對無砟軌道樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的動(dòng)力特性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，研究表明樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠有效的改善地基面的動(dòng)力作用。在此，本文作者通過對鋪設(shè)有半剛性防排水層的2種不同厚度基床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了室內(nèi)足尺模型激振試驗(yàn)，研究半剛性防排水結(jié)構(gòu)層和基床厚度變化對全封閉基床結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。

1 全封閉基床結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)

試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室的MTS加載系統(tǒng)上進(jìn)行，加載頻率采用250 km/h時(shí)列車的基頻[16]4 Hz，動(dòng)軸力[17]為380 kN，按正弦波形加載，厚基床和薄基床各激振100萬次。

根據(jù)高速鐵路雙線基床的對稱性，取其一側(cè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，模型箱為長方形鋼結(jié)構(gòu)箱體，長×寬×高為9.2 m×2.0 m×4.6 m。防排水結(jié)構(gòu)層基本力學(xué)參數(shù)見表1，地基膨脹土物理指標(biāo)見表2。路基采用人工夯實(shí)，按照鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求建設(shè)完成。

(1) 厚基床：基床底層1.3 m(含防排水結(jié)構(gòu)層0.2 m)+基床表層0.7 m，模型具體尺寸及元器件布置圖如圖1(a)所示；(2) 薄基床：基床底層0.8 m(含防排水結(jié)構(gòu)層0.2 m)+基床表層0.7 m，模型具體尺寸及元器件布置圖如圖1(b)所示。

表1 防排水結(jié)構(gòu)層基本力學(xué)性質(zhì)Table 1 Main mechanic indexes of waterproof structure layer

表2 膨脹土基本物理性質(zhì)Table 2 Main physical indexes of swelling soil

圖1 基床模型尺寸及元器件布置圖(單位：m)Fig.1 Model dimensions and layout for measuring points

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律

圖2所示為厚、薄2種基床橫斷面上動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律。經(jīng)分析可知：(1) 基床厚度變化對橫斷面水平方向上動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律影響不大，兩種基床形式下軌道正下方(即中線位置和鋼軌正下方)的動(dòng)應(yīng)力均明顯大于其他監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力；(2) 厚基床表面最大動(dòng)應(yīng)力為 39.8 kPa，薄基床表面最大動(dòng)應(yīng)力為 41.0 kPa，基床厚度變化引起的最大動(dòng)應(yīng)力增長率為3.01%；(3) 2種基床形式下中線側(cè)1.7 m及以外各監(jiān)測點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力均迅速降低，動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)區(qū)間為 2.01～5.93 kPa，與基床厚度變化關(guān)系不大。

動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減規(guī)律反映了全封閉基床結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力傳遞機(jī)制，為分析鋪設(shè)半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對動(dòng)應(yīng)力衰減規(guī)律的影響，對模型試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖 3。由于實(shí)測動(dòng)應(yīng)力絕對值具有離散性，難以對比分析，而采用動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)沿深度的分布規(guī)律比較合理[18]，圖4所示為2種基床厚度下動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力理論計(jì)算衰減系數(shù)的關(guān)系。經(jīng)分析可知：(1) 薄基床的半剛性防排水結(jié)構(gòu)層位于基床表層底面，即路基面下0.7 m位置，防水層底面的動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)為 43.4%，而理論計(jì)算的動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)約為60.0%，減小16.6%；(2) 厚基床的防排水結(jié)構(gòu)層位于路基面下1.2 m，防排水層底面的動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)為 14.2%，理論計(jì)算動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)約為33.0%，減小18.8%。由此可知：鋪設(shè)半剛性防排水結(jié)構(gòu)層后改變了基床內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的衰減規(guī)律，使防水層下方的動(dòng)應(yīng)力大幅減小，試驗(yàn)結(jié)果可為基床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 基床橫斷面上動(dòng)應(yīng)力分布曲線Fig.2 Distribution curves of dynamic stress on cross-section

圖3 動(dòng)應(yīng)力沿深度衰減曲線Fig.3 Dynamic stress attenuation curves

圖4 動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)沿深度的分布規(guī)律Fig.4 Dynamic stress attenuation coefficient curves

2.2 基床速度變化規(guī)律

對2組試驗(yàn)中速度計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同基床厚度時(shí)全封閉基床結(jié)構(gòu)中速度在橫斷面上的分布規(guī)律，見圖5。由圖5可得：(1) 與動(dòng)應(yīng)力在橫斷面上的分布規(guī)律相似，基床厚度變化對橫斷面水平方向上振動(dòng)速度的分布規(guī)律影響不大，軌道正下方(含中線位置和鋼軌正下方)的振動(dòng)速度均為最大，中線側(cè)1.7 m以外各監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)速度均迅速降低；(2) 厚基床最大振動(dòng)速度位于基床表層底面中線位置，最大振動(dòng)速度為6.70 mm/s；薄基床最大振動(dòng)速度位于基床表層表面鋼軌正下方，最大振動(dòng)速度為9.34 mm/s。

圖6所示為2種基床厚度對應(yīng)的振動(dòng)速度沿深度衰減曲線。由圖 6可知：(1) 厚基床最大振動(dòng)速度不是位于基床表面，而是位于基床表面下0.7 m，即基床表層底面，振動(dòng)速度沿深度不是減小，而是先呈現(xiàn)小幅增大，之后再隨深度的增加而逐漸減小，且速度衰減梯度隨深度的增加而逐漸增大；(2) 薄基床振動(dòng)速度沿深度方向的衰減規(guī)律與厚基床不同，振動(dòng)速度自基床表面起，沿深度增大而逐漸減小，沒有出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但速度衰減梯度隨深度的增加而逐漸增大，這點(diǎn)與厚基床振動(dòng)速度的衰減規(guī)律相同；(3)2種基床厚度下，振動(dòng)速度衰減曲線均可用二次多項(xiàng)式v=Az2+Bz+C擬合(其中：v為振動(dòng)速度；z為深度，m；A，B和C為擬合參數(shù))，擬合結(jié)果見表3。

圖5 基床橫斷面上速度分布曲線Fig.5 Distribution curves of velocity on cross-section

圖6 速度沿深度衰減曲線Fig.6 Velocity attenuation curves

表3 速度(v)衰減曲線擬合方程Table 3 Equations of velocity attenuation curves

2.3 加速度變化規(guī)律

圖7所示為厚、薄2種基床橫斷面上振動(dòng)加速度的分布規(guī)律。由圖 7可得：(1) 厚基床最大振動(dòng)加速度位于基床表面中線位置，最大振動(dòng)加速度為 0.18 m/s2，中線側(cè)1.7 m以外基床各位置的振動(dòng)加速度較小，變化區(qū)間為0.01～0.03 m/s2；(2) 薄基床最大振動(dòng)加速度同樣位于基床表面中線位置，最大振動(dòng)加速度為0.20 m/s2，基床厚度減小后，引起基床表面最大振動(dòng)加速度增大11.11%，中線側(cè)1.7 m以外基床各位置的振動(dòng)加速度較小，變化區(qū)間為0.01～0.04 m/s2；(3) 對比兩種基床厚度時(shí)中線側(cè)1.7 m以外的加速度波動(dòng)區(qū)間，不難發(fā)現(xiàn)，基床厚度變化對中線側(cè)1.7 m以外基床的振動(dòng)加速度大小基本沒有影響。

圖8所示為2種基床厚度對應(yīng)的振動(dòng)加速度沿深度的衰減曲線。由圖8可知：基床厚度對振動(dòng)加速度沿深度的衰減規(guī)律存在明顯影響，厚基床時(shí)振動(dòng)加速度的衰減梯度隨深度增加而逐漸減小，而薄基床時(shí)振動(dòng)加速衰減梯度隨深度的增加而逐漸增大；兩種厚度基床形式下振動(dòng)加速度的衰減曲線均可用二次多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果見表4。

圖7 基床橫斷面上加速度分布曲線Fig.7 Distribution curves of acceleration on cross-section

圖8 加速度沿深度衰減曲線Fig.8 Acceleration attenuation curves

表4 加速度(a)衰減曲線擬合方程Table 4 Equations of acceleration attenuation curves

3 討論

(1) 我國有碴軌道基床主要采用動(dòng)強(qiáng)度作為控制指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即由移動(dòng)列車荷載在路基中激發(fā)的動(dòng)應(yīng)力小于路基土臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí)，路基將不產(chǎn)生永久累積變形，從而保證路基的長期動(dòng)力穩(wěn)定性[13]，所以掌握動(dòng)應(yīng)力在路基中的衰減規(guī)律是路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。近年來，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，對鐵路路基的動(dòng)應(yīng)力傳遞規(guī)律進(jìn)行了大量現(xiàn)場測試，但現(xiàn)場測試受機(jī)車車型、元器件埋設(shè)情況、路基填料種類及密實(shí)度等因素的影響，測試數(shù)據(jù)離散性較大，為此，文獻(xiàn)[14]對不同線路上的大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果表明實(shí)測數(shù)據(jù)基本上圍繞Boussinesq理論計(jì)算動(dòng)應(yīng)力曲線波動(dòng)。由圖4可知：鋪設(shè)半剛性防水層后動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減速率與理論計(jì)算值相比明顯加快，因此，可對擬采用半剛性防水層區(qū)段(膨脹土)的鐵路基床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證防水效果的同時(shí)減小基床厚度，減少工程造價(jià)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2) 文獻(xiàn)[19]對國內(nèi)外鐵路路基中振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的實(shí)測分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并在調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合武廣客運(yùn)專線現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了深入分析，結(jié)果表明路基中振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的衰減曲線基本呈指數(shù)型。由圖6和圖8可知：鋪設(shè)半剛性防水層后，基床中振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的衰減規(guī)律發(fā)生了變化，防水層以上基床內(nèi)的振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度沿深度衰減速度較慢，原因是模型試驗(yàn)中激振產(chǎn)生的振動(dòng)波在向下傳播過程中遇到半剛性防排水結(jié)構(gòu)層時(shí)，在接觸界面發(fā)生反射，導(dǎo)致激振波在道砟與半剛性防排水層界面之間多重反射和疊加，使得波動(dòng)能量很大程度上被限制在基床范圍內(nèi)，引起基床范圍內(nèi)各位置振動(dòng)能量不同幅度的增大，這對防水層上方基床部分的振動(dòng)穩(wěn)定性是不利的。

因此，在采用半剛性全封閉防排水基床時(shí)可以適當(dāng)減小基床底層厚度，但要求半剛性防排水層上方填料必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié)論

(1) 半剛性防排水結(jié)構(gòu)層改變了動(dòng)應(yīng)力沿基床深度的衰減規(guī)律，使防水層下動(dòng)應(yīng)力大幅度減小。半剛性防水層底面動(dòng)應(yīng)力和理論計(jì)算值相比，減少16.9%～18.8%。

(2) 鋪設(shè)半剛性防水層后，振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度沿深度成二次曲線性衰減，防水層上方基床內(nèi)二者的衰減速度較慢。

(3) 2種基床厚度下中線側(cè)1.7 m以外各點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度監(jiān)測結(jié)果均較小，且與基床厚度變化關(guān)系不大，所以在分析鋪設(shè)半剛性防水層的全封閉基床長期動(dòng)力穩(wěn)定性時(shí)，主要考慮軌道中線至中線側(cè)1.7 m范圍內(nèi)的基床長期穩(wěn)定性。

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