膨脹土路塹全封閉基床結(jié)構(gòu)型式及其動力模型試驗

楊果林， 王亮亮,2

(1. 中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075；2. 中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院， 江蘇 徐州 221008)

隨著鐵路列車速度不斷提高，列車運行的平穩(wěn)性、安全性和舒適性受軌下基礎(chǔ)的支撐剛度、動力穩(wěn)定性、動靜變形特點等的影響愈加顯著。 1961年Filippov[1]首次對移動列車-軌道-地基系統(tǒng)的振動特性進行了研究，隨后一些學者建立了各種軌道-地基系統(tǒng)模型[2-5]，研究軌下基礎(chǔ)的動力響應(yīng)。這些理論分析模型均假定軌下基礎(chǔ)是各向同性的彈性連續(xù)介質(zhì)，與實際基床填料的離散性、各向異性特點不符，使得研究結(jié)果精度受到限制。為研究道砟顆粒之間的相互作用，Suiker等[6]分析了剛性基礎(chǔ)上的離散體的動力響應(yīng)；隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，Galvín[7]利用邊界元法(BEM)建立了三維模型，對高速移動荷載引起的地面振動進行了模擬分析；Hall[8]利用有限元法建立模型，通過使材料剪切模量不斷衰減研究剪應(yīng)變的變化；Oscarsson[9]進行了基于隨機模型的研究工作。上述研究工作從不同角度分析了列車速度與基礎(chǔ)動力響應(yīng)之間的關(guān)系，推動了高速鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷發(fā)展。

翟婉明等[10]運用車輛-軌道耦合動力學理論,首次研究了軌道結(jié)構(gòu)各部件剛度對列車走行性能的影響規(guī)律；赫丹、向俊等[11-12]對板式軌道的動力響應(yīng)進行了理論分析。研究表明，列車-板式軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)隨線路不平順性幅值的增大而增大，動力響應(yīng)增大加快軌道板疲勞破壞[13]，增加對路基的沖擊動力響應(yīng)，使路基狀況進一步惡化[14]?；彩锹坊惺芰熊噭恿ψ饔米铒@著的部分，基床的長期動力穩(wěn)定性是保證列車高速平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。張千里等[15]根據(jù)基床中的應(yīng)力傳播和變形特點，提出了采用應(yīng)變控制進行基床結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法；劉曉紅等[16]從動強度和動變形兩方面研究了基床的長期動力穩(wěn)定性；邊學成等[17]通過理論和模型試驗，對基床和地基各部分產(chǎn)生的累積變形特征和比例進行了研究，結(jié)果表明路基長期變形中基床部分占的比例很小，長期沉降主要來自地基土體，地基沉降與上覆荷載大小，特別是循環(huán)動力荷載作用強度有關(guān)。由于鐵路沿線地形地貌、水文地質(zhì)、巖(土)體分布等復雜多變，不同地基土抵抗循環(huán)動力荷載作用的能力不同，如果采用統(tǒng)一的基床結(jié)構(gòu)，既不經(jīng)濟也不具備技術(shù)可行性[15]。因此，必須針對具體的工程地質(zhì)條件進行相應(yīng)的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計。

新建云桂鐵路南寧-百色段存在大量膨脹土(巖)路基，部分區(qū)段地基膨脹土成堅硬狀態(tài)，承載力較高。采用有效的治理措施，充分利用膨脹土的高承載力，減小基床換填厚度，具有重要的經(jīng)濟意義。目前膨脹土處治方法主要有膨脹土改良[18]、非膨脹土包邊[19]、換填和土工布隔水[20]等。上述方法在膨脹土公路路基和邊坡處治中應(yīng)用較廣，效果良好。鐵路列車荷載大、運行密度高，特別是高速鐵路對線路的工后變形要求嚴格，現(xiàn)有方法是否可以有效的進行膨脹土高速鐵路基床處治尚有待進一步研究。本文結(jié)合高速鐵路基床動力響應(yīng)特點、國內(nèi)外基床結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗、既有線南昆鐵路基床病害調(diào)研結(jié)果以及膨脹土特性等，開展新型膨脹土路塹全封閉基床結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，在室內(nèi)進行足尺模型激振試驗，獲取新型基床結(jié)構(gòu)的動力態(tài)特性。

1 全封閉基床結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 基本思路

(1) 根據(jù)Boussinesq理論計算的基床中動應(yīng)力分布規(guī)律和基床表層受力特點[13-15]，決定基床表層采用0.7 m厚的級配碎石；

(2) 防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)計研發(fā)；

(3) 確定防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)置位置和基床底層厚度。

1.2 防排水結(jié)構(gòu)層需要解決的主要問題

(1) 具有良好的隔水效果；

(2) 具有足夠的剛度和抗裂性。因為造成基底膨脹土產(chǎn)生膨脹變形的水分并非完全是來自地表水和降雨，還有氣候環(huán)境變化引起的區(qū)域土體含水率波動，后者誘發(fā)的脹縮變形具有幅度小、不均勻性、周期長等特點，因此應(yīng)在基底上方設(shè)置具有一定剛度的結(jié)構(gòu)層來協(xié)調(diào)基底膨脹土的不均勻小幅脹縮變形，同時結(jié)構(gòu)層還需要具備一定的變形能力，避免開裂；

(3) 防水層與接觸柱以及其他線路附屬結(jié)構(gòu)物的接觸縫處理。

按照上述要求，在廣泛調(diào)研和大量室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，研發(fā)了改性水泥基半剛性防水復合材料，其基本成分為膠凝組分、彈性組分、河砂(細度模數(shù)2.6)、膨脹土(最大顆粒不大于15 mm)，材料的基本力學參數(shù)見表1。

表1 防水材料基本力學性質(zhì)

1.3 防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)置位置

研究表明，當基床表層的剛度達到一定值后，再進一步增大時對路基的整體支撐剛度影響不大，而增加基床底層剛度能明顯改善路基面的支撐剛度[21]。所以，考慮半剛性防排水層作為基床底層的一部分。半剛性防排水結(jié)構(gòu)層能夠增加線路的平順性和整體性，減小輪軌沖擊力，降低基床中的動應(yīng)力[22]。因此，將半剛性防排水結(jié)構(gòu)層布置于基床表層底面。

1.4 防排水層下基床底層厚度確定

根據(jù)文獻[23]條文說明第4.3.1，列車設(shè)計軸重取200 kN，路基設(shè)計動應(yīng)力幅值為98.8 kPa，按動應(yīng)力與自重應(yīng)力比取0.2 m為基床厚度，經(jīng)計算基床厚度約為2.0 m，其中基床表層0.7 m，基床底層1.3 m。根據(jù)Odemark模量與厚度當量假定，將0.2 m厚的半剛性防排水結(jié)構(gòu)層換算成等效基床底層厚度[15]

( 1 )

式中：E為半剛性防排水結(jié)構(gòu)層模量；E0為基床底層的模量，按E0=0.23K30計算[15]，基床底層填料按改良細粒土考慮，K30取110 kPa。

經(jīng)式( 1 )換算后，相當于0.7 m厚的基床底層。防排水結(jié)構(gòu)層下基床底層厚度設(shè)置為0.6 m。

2 模型試驗簡介

根據(jù)高速鐵路雙線路塹基床的對稱性，取其一側(cè)在中南大學高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室內(nèi)進行1∶1足尺路基模型試驗。模型箱為鋼結(jié)構(gòu)長方形箱體，長×寬×高為9.2 m×2 m×4.6 m。地基土為取自云桂高鐵中強膨脹土路塹工點的膨脹土，其基本力學指標見表2。路基填筑均按照文獻[23]的要求建設(shè)完成，模型具體尺寸及元器件布置圖見圖1。采用MTS伺服激振器模擬列車荷載，激振頻率采用時速250 km/h時列車的基頻[24]4 Hz，在干燥服役環(huán)境下共激振100萬次，動軸力幅值[23]為380 kN，按正弦波形加載。監(jiān)測元器件列表見表3。

表2 膨脹土基本物理性質(zhì)

含水率/%密度/(g·cm-3)土粒比重液限/%塑限/%自由膨脹率/%14．21．9～2．11．843．520．569．0～77．2

表3 監(jiān)測元器件一覽表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 動應(yīng)力變化規(guī)律

圖2為基床橫斷面上不同位置動應(yīng)力時程曲線。從圖2可知，基床表層表面的動應(yīng)力波動性較小，防排水結(jié)構(gòu)層下方動應(yīng)力波動性明顯增大，隨著深度的增加，動應(yīng)力在激振過程中的波動幅度也進一步增大；基床表層表面最大動應(yīng)力位于鋼軌正下方，動應(yīng)力變化區(qū)間為20.04～24.85 kPa；中線側(cè)1.7 m外基床動應(yīng)力基本小于5 kPa，基床受激振荷載影響的主要區(qū)域為中線位置至中線側(cè)1.7 m。

對中線位置和鋼軌正下方各監(jiān)測點的動應(yīng)力進行數(shù)理統(tǒng)計，利用統(tǒng)計均值分析動應(yīng)力沿深度的衰減規(guī)律，見圖3。由圖3可知，隨著深度增加，動應(yīng)力呈指數(shù)型衰減，衰減規(guī)律與文獻[25-26]的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相似，基床表層范圍內(nèi)動應(yīng)力的衰減幅度明顯小于后者；防排水結(jié)構(gòu)層和基床表層范圍內(nèi)動應(yīng)力的衰減系數(shù)為57.8%～63.4%；基床底層底面位置(即路基面下1.5 m深處)動應(yīng)力衰減為基床表面的38.4%～41.3%。

3.2 基床振動速度變化規(guī)律

圖4為基床不同位置的振動速度與振動次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖4可知，半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對基床不同位置振動速度波動性的影響與動應(yīng)力相似，防排水層上方振動速度在激振全過程中的整體波動性小，下方波動性增大；最大振動速度位于基床表層表面鋼軌正下方，振動速度變化區(qū)間為8.84～10.94 mm/s，防排水結(jié)構(gòu)層下方振動速度衰減為6.60～8.38 mm/s，減小約19.12%；中線位置基床表面下2.21 m深處振動速度衰減為1.72～3.15 mm/s。

圖5為基床中線、鋼軌正下方和中線側(cè)1.7 m位置振動速度沿深度的衰減曲線。由圖5可知，3個位置豎直剖面上振動速度沿深度的衰減曲線相似，振動速度衰減梯度沿深度的增加而增大，呈二次曲線型。

3.3 振動加速度變化規(guī)律

圖6為基床不同位置的加速度隨振動次數(shù)的變化曲線。由圖6可知，基床范圍內(nèi)各監(jiān)測點加速度在激振初期有小幅波動，20萬次以后基本保持穩(wěn)定。

對基床中線、鋼軌正下方和中線側(cè)1.7 m位置等3個豎向剖面上的振動加速度穩(wěn)定階段監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，繪制加速度沿深度方向的衰減曲線，見圖7。由圖7可知，與振動速度沿深度的衰減規(guī)律相似，振動加速度隨深度增加而逐漸減小，衰減梯度隨深度的增加而增大，其中基床表層 (含0.2 m防排水結(jié)構(gòu)層)、基床底層、基底0.7 m厚膨脹土中加速度衰減量分別為0.02、0.04、0.05 m/s2；衰減曲線呈二次曲線型。

3.4 基床表面動變形

利用Coinv DASP V10軟件中的波形全程微積分轉(zhuǎn)換模塊對速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全程積分轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的動變形。圖8為基床表層表面不同位置處的動變形。由圖8可知，振動初期基床表面動變形變化幅大，主要是基床在激振荷載作用下產(chǎn)生壓縮變形、填料顆粒位置調(diào)整以及監(jiān)測元器件與基床變形耦合等造成的；隨著振動次數(shù)的增加，約10萬次以后，基床表面動變形逐漸趨于穩(wěn)定；最大動變形位于鋼軌正下方，約0.38 mm，小于國內(nèi)外高速鐵路路基面實測動變形值1 mm。

4 結(jié)論

(1) 半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對動應(yīng)力沿深度的衰減規(guī)律具有一定影響，動應(yīng)力沿深度呈指數(shù)型衰減。

(2) 半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對振動速度和振動加速度的衰減規(guī)律有顯著影響。隨著深度的增加，振動速度和振動加速度衰減梯度逐漸增大，衰減曲線均呈二次曲線型。

(3) 鋪設(shè)半剛性防排水結(jié)構(gòu)層能有效降低基床表面動應(yīng)力、振動速度和振動加速度的波動性，增加線路的平順性。

(4) 在干燥服役環(huán)境下，新型全封閉基床結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)能夠滿足高速鐵路對基床各向動力指標的要求，驗證了基床結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。

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