季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路新型防凍脹路基力學(xué)特性研究

宋宏芳， 劉曉賀， 李佰林

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044； 2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

凍土產(chǎn)生的凍脹融沉現(xiàn)象對鐵路路基工程的影響重大。對于多年凍土，由于其厚層地下冰埋藏較淺，受地面活動影響較大，較易發(fā)生融化現(xiàn)象，而厚層地下冰融化產(chǎn)生的土體融沉是導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基變形和破壞的重要因素。多年凍土地區(qū)使用保溫法對凍土路基進(jìn)行保護(hù)可以有效防止多年凍土融化，改變進(jìn)入多年凍土內(nèi)部的熱周轉(zhuǎn)量，減弱路基的修建造成的熱積累發(fā)展趨勢，延緩多年凍土地區(qū)路基變形和破壞[1]。對于季節(jié)性凍土，防凍脹問題也是路基設(shè)計(jì)、施工的難點(diǎn)。目前，季節(jié)性凍土區(qū)路基修筑時，已采取了限制路堤高度，改良路基填料，設(shè)置隔水、排水設(shè)施，修筑保溫護(hù)道等措施來應(yīng)對溫度的季節(jié)性變化產(chǎn)生的凍脹現(xiàn)象[2]。但對已投入運(yùn)營的鐵路路基病害進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍土地區(qū)現(xiàn)有的防凍脹措施并不一定能滿足鐵路運(yùn)輸?shù)囊?。因此，針對路基防凍脹填料的改良、路基保溫措施等減弱凍脹對路基影響的關(guān)鍵問題研究迫在眉睫[3]。

路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究較早、使用效果也較為顯著的如德國鐵路路基設(shè)置的防凍脹路基墊層、法國的砂礫石層、日本的瀝青混凝土保護(hù)層等[4]。針對保溫措施的研究，許建[5]、田亞護(hù)等[6]均提出在路基結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)一定厚度保溫材料進(jìn)行凍脹防護(hù)的措施，但針對保溫層引起的路基剛度降低使變形能力不足等問題并未提出較為簡單、可行的施工方法；針對非凍脹敏感性填料的研究，主要集中在粗粒土、級配碎石、水泥穩(wěn)定碎石等的級配、滲透性、壓實(shí)度等指標(biāo)[7-8]；或改性填料的強(qiáng)度、剛度、變形等以評估其適用性及工程性能[9-10]。為防止填料自身的脆性、改善溫濕度引起的裂縫等問題，一些學(xué)者采用加鋪土工格柵、摻加纖維等方式減少并抑制基層填料裂縫的產(chǎn)生[11-12]。

此外，鐵路、公路結(jié)構(gòu)層的力學(xué)特性及作用機(jī)制亦是目前學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。主要涉及公路路基面層力學(xué)特性的研究，包括基層厚度對路面豎向變形、承載能力、壓縮拉伸特性等的影響[13-15]，還提出改善柔性瀝青路面與半剛性基層間連接強(qiáng)度的措施，并通過層間剪切強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[16]。

季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基基床表層填料應(yīng)具備高強(qiáng)度、剛度，良好的穩(wěn)定性、耐久性、抗凍性等特質(zhì)，目前廣泛應(yīng)用于建筑外墻保溫、軟弱地基處理、邊坡回填、橋臺填土等，具有良好保溫、高強(qiáng)度等特性的泡沫混凝土材料[17-19]，以及明顯改善其脆性大、吸水率高等缺陷的纖維改性泡沫混凝土[20-21]，均在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了較為理想的效果。鑒于材料的優(yōu)越特性及與季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路填料性質(zhì)的相符性，研究其作為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料的適用性十分必要。

本文對新型土工材料——玄武巖纖維泡沫混凝土在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路無砟軌道路基防凍脹結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，在室內(nèi)試驗(yàn)測試泡沫混凝土摻加玄武巖纖維后的基本物理力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過有限元建立級配碎石基床、玄武巖纖維泡沫混凝土基床、玄武巖纖維泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基結(jié)構(gòu)，施加ZK活載進(jìn)行靜力特性分析，致力于研究其應(yīng)用的可行性，為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基防凍脹基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 材料特性試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

通過普通泡沫混凝土與玄武巖纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的基本物性試驗(yàn)，測定不同密度下兩者的導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率等物理性能和抗壓強(qiáng)度、回彈模量等力學(xué)參數(shù)，研究纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的保溫隔熱及受力特性。

1.1.1 試驗(yàn)材料

制備泡沫混凝土試樣的發(fā)泡劑采用廣東冠生土木工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的表面活性高分子發(fā)泡劑；水泥采用河北金隅鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P·O52.5水泥，初凝時間146 min，終凝時間為196 min。

纖維泡沫混凝土所用纖維為江蘇康達(dá)夫新材料科技有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，選定纖維長度為6、9、12、15 mm。

1.1.2 試驗(yàn)裝置

發(fā)泡機(jī)采用型號為ZB-0.13/8的直聯(lián)式空氣壓縮機(jī)，排氣量為0.13 m3/min，排氣壓力為0.8 MPa。

導(dǎo)熱系數(shù)測試采用QTM-500測試儀。

抗壓強(qiáng)度測定選用TZA-300型電液式抗壓機(jī)，提供最大試驗(yàn)壓力300 kN。

采用GP-TH-800D高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，為泡沫混凝土抗凍性提供±20 ℃的溫度環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)所摻纖維長度及含量(占水泥質(zhì)量百分比)，設(shè)定下述試樣組進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)研究，見表1。

表1 物理力學(xué)試驗(yàn)試樣組

參照文獻(xiàn)[22]進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率、干密度、抗壓強(qiáng)度的測試，其中導(dǎo)熱系數(shù)采用每組3個150 mm ×150 mm ×150 mm試塊，吸水率、干密度和抗壓強(qiáng)度測試為每組3個100 mm ×100 mm ×100 mm試塊，澆筑試模24 h后脫模并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，測試結(jié)果均取3個試塊的算術(shù)平均值分析。

參照文獻(xiàn)[23]對泡沫混凝土耐久性試驗(yàn)的要求，將每組3個100 mm ×100 mm ×100 mm試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下到達(dá)齡期之前4 d放入水中浸泡，到達(dá)齡期后放入-20 ℃環(huán)境低溫冷凍4 h，取出浸入20 ℃水中4 h，循環(huán)25次后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，以測定試塊的凍融循環(huán)耐久性。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 基本物性試驗(yàn)結(jié)果

泡沫混凝土、纖維泡沫混凝土保溫材料的物性試驗(yàn)結(jié)果，見圖1。

由圖1可知：導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維占水泥質(zhì)量百分比的增加呈震蕩減小趨勢，隨摻加纖維長度改變無明顯變化趨勢，纖維含量為0.1%、長度為9、15 mm的試塊導(dǎo)熱系數(shù)較低，保溫性較好；吸水率隨纖維占水泥質(zhì)量百分比增加呈波動變化，纖維含量0.05%、長度為9 mm時，吸水率較低；試塊干密度在纖維摻加量0.1%時出現(xiàn)低點(diǎn)，纖維長度9、12、15 mm的泡沫混凝土干密度基本一致。

1.3.2 力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2.1 抗壓強(qiáng)度

玄武巖纖維泡沫混凝土不同纖維含量和長度試塊的抗壓強(qiáng)度曲線，見圖2。

由圖2可知，隨纖維含量增加，試塊抗壓強(qiáng)度震蕩增加，且纖維長度為6、9 mm試塊增加幅度優(yōu)于12、15 mm試塊。

1.3.2.2 彈性模量

纖維摻加量為0.1%、纖維長度為9 mm的纖維泡沫混凝土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3。

由圖3可知，材料表現(xiàn)為脆性材料，其壓應(yīng)力達(dá)到一定極值后回落。結(jié)合上述曲線，采用應(yīng)力-應(yīng)變彈性階段應(yīng)力與軸向應(yīng)變增量之比作為纖維泡沫混凝土的彈性模量[13]，經(jīng)計(jì)算，纖維摻量為0.1%、長度為9 mm的纖維泡沫混凝土彈性模量約為533 MPa。

1.3.3 凍融耐久性試驗(yàn)結(jié)果

利用每組3個試塊凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)同齡期試塊抗壓強(qiáng)度平均值之比計(jì)算殘留強(qiáng)度比，不同組試塊殘留強(qiáng)度比的變化曲線見圖4。

根據(jù)圖4曲線可以看出，試塊的殘留強(qiáng)度比均小于1.0，即凍融養(yǎng)護(hù)使得所有試塊抗壓強(qiáng)度降低；隨摻加纖維含量的增加，試塊殘留強(qiáng)度比增大，即凍融養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度的降低隨摻加纖維量的增加而逐漸改善，在0.05%～0.1%范圍內(nèi)較佳；纖維含量0.1%且纖維長度9 mm的試塊凍融養(yǎng)護(hù)條件的抗壓強(qiáng)度為7.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度為8.0 MPa，強(qiáng)度變化最小。

2 路基結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

為研究纖維泡沫混凝土對路基結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，結(jié)合上述試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際路基斷面，選定纖維摻量為0.1%、纖維長度為9 mm的纖維泡沫混凝土作為保溫強(qiáng)化層、基床表層的路基與季節(jié)性凍土區(qū)級配碎石基床表層路基結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行力學(xué)特性計(jì)算。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算方案

采用通用有限元軟件ANSYS，選取季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路哈爾濱—大連客運(yùn)專線典型單線路基斷面進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。分別針對現(xiàn)場實(shí)際級配碎石路基、纖維泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基、纖維泡沫混凝土基床表層路基結(jié)構(gòu)模型，見圖5，施加ZK活載進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算。

2.1.2 模型參數(shù)及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場、資料、規(guī)范等選定模型軌上結(jié)構(gòu)及軌下基礎(chǔ)的計(jì)算力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)輪軌分擔(dān)比及路基受力與縱向長度無關(guān)，選取軌道板模型的計(jì)算長度為6 450 mm，扣件間距640 mm，共10個扣件，滿足扣件分擔(dān)比。

選用梁單元CHN60模擬鋼軌，鋼軌間距1 435 mm，其密度為7 800 kg/m3，泊松比0.28，彈性模量2.1×105MPa；選用彈簧單元模擬扣件系統(tǒng)，彈簧剛度為60 kN/mm，阻尼系數(shù)為5×104N·s/m；選定實(shí)體單元模擬軌下基礎(chǔ)路基結(jié)構(gòu)，其相關(guān)選材、尺寸、材料參數(shù)見表2。

表2 路基結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

為保證計(jì)算模型的精度，有限元計(jì)算時采取季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路實(shí)際路基受力邊界，即路基底施加固定約束，路基及鋼軌橫斷面約束其縱向水平位移。

2.1.3 模型建立及驗(yàn)證

級配碎石基床路基結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型，見圖6。

相關(guān)文獻(xiàn)[24-25]及本文級配碎石路基結(jié)構(gòu)各層頂面位移值見表3，可有效驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性、可靠性。

表3 路基結(jié)構(gòu)頂面最大位移 mm

2.2 結(jié)果分析2.2.1 層間剪切應(yīng)力分析

選取級配碎石路基模型剪切應(yīng)力最大扣件處的橫向位置，各路基基床表層頂面、基床底層頂水平剪切應(yīng)力沿路基橫斷面的變化曲線，見圖7。

計(jì)算結(jié)果表明，保溫強(qiáng)化層的鋪設(shè)有效減小了路基基床表層頂面剪切應(yīng)力的最大值；纖維泡沫混凝土路基與級配碎石路基基床表層頂剪切應(yīng)力最大值分別為：44.206、37.907 kPa。纖維泡沫混凝土路基的基床底層頂面剪切應(yīng)力最大值較級配碎石路基小，分別為5.986、7.159 kPa。由圖7可知，認(rèn)為纖維泡沫混凝土路基可有效吸收輪載引起的剪切應(yīng)力，保證路基結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，作為基床表層填料具有一定的可行性。

2.2.2 豎向應(yīng)力分析

由圖9、圖10可知，模型中部位置處各路基基床表層頂、底面豎向應(yīng)力變化曲線。

計(jì)算結(jié)果表明，在路基中心位置，纖維泡沫混凝土路基基床表層頂面豎向應(yīng)力較小，扣件作用位置，級配碎石路基、保溫強(qiáng)化層路基、纖維泡沫混凝土路基基床表層豎向應(yīng)力分別為19.798、23.723、22.852 kPa。纖維泡沫混凝土路基基床表層底部豎向應(yīng)力較小，沿橫截面向邊坡延伸，保溫強(qiáng)化層路基基床表層底豎向應(yīng)力成為三者較小。綜上所述，無論是纖維泡沫混凝土材料作為基床表層填料，或是作為保溫強(qiáng)化層鋪設(shè)于級配碎石表層之上，均可在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力。

2.2.3 豎向位移分析

由圖11、圖12可知，模型中部位置各路基基床表層頂面、基床表層底面的豎向位移沿路基橫斷面變化的曲線。

計(jì)算結(jié)果表明，級配碎石路基、保溫強(qiáng)化層路基、纖維泡沫混凝土路基基床頂面豎向位移分別為1.507、1.523、1.462 mm，均滿足相關(guān)規(guī)范中對基床表層變形量的要求，且三者變形量相差不大?；脖韺拥酌孀畲筘Q向位移分別為1.458、1.388、1.357 mm。由圖11、圖12可知，保溫強(qiáng)化層路基與纖維泡沫混凝土路基均具備顯著抵抗變形的能力。

3 討論

通過對纖維泡沫混凝土的物理力學(xué)特性、耐久性及變形特性的研究，可知纖維的摻加有效改善了泡沫混凝土的保溫性能，使得其強(qiáng)度增加、抗凍融耐久性增強(qiáng)。由此，將纖維泡沫混凝土作為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基保溫強(qiáng)化層具有理論可行性。

本文有限元計(jì)算基于纖維泡沫混凝土全鋪于基床表層表面，若想達(dá)到較為理想地保溫效果，泡沫混凝土厚度、鋪設(shè)方式及位置對路基溫度場、應(yīng)力場分布的影響等問題仍值得深入研究。

針對纖維泡沫混凝土材料作為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基基床表層填料的研究不盡完善，通過仿真分析確定其可行，仍需通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為新型保溫材料在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的使用中提供可行的技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

論文利用相關(guān)試驗(yàn)及有限元計(jì)算等方式，分析了纖維泡沫混凝土作為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基保溫強(qiáng)化層、基床表層的可行性，主要得到如下重要結(jié)論：

(1) 纖維的摻入有效改善了泡沫混凝土的保溫性能、強(qiáng)度特性、抗凍融耐久性、變形特性，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)效益，推薦玄武巖纖維摻入量為0.1%、長度為9 mm。

(2) 將纖維泡沫混凝土鋪設(shè)于基床表層上部時，有效降低了基床表層頂面的最大剪應(yīng)力值，說明纖維泡沫混凝土作為偏柔性材料可有效吸收輪載引起的剪切應(yīng)力，降低軌下基礎(chǔ)各層間的滑移破壞，促使路基結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

(3) 纖維泡沫混凝土作為基床表層填料，不僅可降低凍脹，還可有效減小基床底層頂面的豎向應(yīng)力、豎向位移，具有較強(qiáng)的抵抗變形的能力。