35～40 t軸重重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性

李泰灃，韓自力，蔡德鉤，陳 鋒，李中國，張 棟，葉志超

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081； 3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100080)

近年來，重載鐵路運輸技術(shù)發(fā)展迅速，其中美國、澳大利亞等國在重載運輸技術(shù)方面占有世界性的主導(dǎo)地位，其鐵路基床研究設(shè)計水平達到了一個新的高度。我國在30 t軸重重載鐵路技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，已成功建成國內(nèi)首條30 t軸重重載瓦日鐵路，但目前我國尚無成熟的35～40 t軸重軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。為了滿足重載鐵路“走出去”的需求，推進重載鐵路技術(shù)國際化，有必要開展35～40 t軸重下軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，進一步認識大軸重(35～40 t)列車荷載作用下路基結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力傳遞規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動態(tài)響應(yīng)等特性[1-3]。

本文通過實尺模型試驗、室內(nèi)力學(xué)試驗及理論分析相結(jié)合的方法，針對提出的適用于35～40 t軸重重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)架構(gòu)方案，驗證其力學(xué)可行性，并對輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞規(guī)律及受力變形關(guān)系進行研究。

1 輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性試驗

優(yōu)選并制備濕密度800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土，分別測定養(yǎng)護7,28 d的抗壓強度[4-5]。其中，輕質(zhì)混凝土7 d抗壓強度為1.55 MPa,大于0.8 MPa，28 d抗壓強度為2.63 MPa,大于1.5 MPa，符合TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》、CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》等的規(guī)定，滿足重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

2 重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)

輕質(zhì)混凝土具有較為優(yōu)良的耐久性、隔熱性及環(huán)保性，適合用作重載鐵路路橋過渡段；因其質(zhì)量較輕且具有較高的剛度，可以有效控制過渡段的沉降變形及解決應(yīng)力分配不均勻的問題，從而解決路橋過渡段的差異沉降及填料不易壓實的工程難題[6-7]。新型重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計斷面如圖1所示。

圖1 新型重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面

3 室內(nèi)實尺模型試驗

實尺模型試驗所用重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)(如圖2所示)的輕質(zhì)混凝土層厚1 m，替代部分路基本體及基床底層。為了保護級配碎石層(厚0.2 m)對輕質(zhì)混凝土的侵蝕作用，減緩應(yīng)力集中效應(yīng)，在二者之間增設(shè)0.2 m的砂墊層,砂墊層內(nèi)設(shè)復(fù)合土工膜，以增強路基結(jié)構(gòu)的整體抗?jié)B性能。級配碎石層上覆 0.45 m 厚的道砟。采用重載鐵路專用軌道結(jié)構(gòu)形式。

圖2 試驗所用重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)(單位：m)

實尺模型試驗著重測試輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)在35～40 t動力荷載作用下的應(yīng)力分布、受力傳遞規(guī)律、動力響應(yīng)特性及受力變形特征。

采用大型脈沖疲勞試驗機進行實尺模型試驗，運用加載梁對軌道結(jié)構(gòu)施加動力荷載，以模擬列車動荷載[8-10]。為了確定輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，先對整體結(jié)構(gòu)逐級施加25～45 t軸重的靜態(tài)應(yīng)力，確定受力變形無明顯異常后對試驗結(jié)構(gòu)(自然干燥條件)逐級施加30，35，40，45 t軸重且頻率為5 Hz的動力荷載。最后對浸水條件下的輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)分別施加35，40 t軸重動力荷載各200萬次，以驗證該結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性及抗?jié)B性能。室內(nèi)實尺模型試驗加載方案見表1。

表1 室內(nèi)實尺模型試驗加載方案

脈沖疲勞試驗機的最大動試驗力為500 kN，頻率為2～5 Hz。模型試驗槽尺寸為6.8 m(長)×5 m(寬)×3.3 m(深)。動土壓力盒、壓力分布傳感器、沉降觀測標+線性可變差動變壓器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)動態(tài)變形傳感器布置參見圖2。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 靜力加載試驗

對試驗結(jié)構(gòu)依次加載25，27，30，35，40，45 t軸重荷載，各部位沉降情況見圖3?？芍?，隨著靜荷載的增加，各部位整體沉降呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。豎向沉降隨深度增加逐步減小，45 t軸重條件下豎向沉降由路基表面鋼軌正下方的0.85 mm逐步減小為輕質(zhì)混凝土底面的0.20 mm。不同軸重下各部位沉降發(fā)展趨勢基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，累積變形較??；隨軸重的增加各部位差異沉降呈現(xiàn)微弱增長。

圖3 25～45 t軸重靜力加載時各部位沉降

級配碎石和砂墊層壓縮變形較為明顯，25 t軸重條件下級配碎石和砂墊層的壓縮變形約為0.32 mm;45 t軸重條件下級配碎石和砂墊層的壓縮變形約為0.50 mm，較25 t條件增幅約為55%。輕質(zhì)混凝土自身的壓縮變形較小，且隨荷載增大壓縮變形基本穩(wěn)定在0.12 mm左右，說明該結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性和抵抗壓縮變形的能力。

4.2 動力加載試驗

本次試驗著重分析35，40 t軸重動力加載條件下，輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的受力變形特征。對試驗結(jié)構(gòu)逐級施加5 Hz動力荷載，其中自然干燥條件下35，40 t軸重分別施加200，360萬次。

4.2.1 豎向壓力

30～40 t軸重動力加載時各部位的豎向壓力及壓力分布見圖4、圖5?？芍?，各層豎向壓力隨外荷載的增加呈現(xiàn)線性規(guī)律，同等荷載條件下豎向壓力的大小取決于該點所處的位置，符合應(yīng)力傳遞規(guī)律。

圖4 30～45 t軸重動力加載時各部位豎向壓力情況

圖5 30～45 t軸重動力加載時各部位豎向壓力分布

輕質(zhì)混凝土表面2種不同類型傳感器的土壓力對比見表2?？芍?，在同等作用條件下壓力分布傳感器的數(shù)值是相同位置處土壓力盒測得壓力值的1.34～1.45倍。這是由土壓力盒自身剛度較大導(dǎo)致的，因此間接證明了壓力分布傳感器柔性編織材料可以更為準確地測量土體內(nèi)部的壓力分布情況。

表2 輕質(zhì)混凝土表面2種不同類型傳感器的土壓力對比

4.2.2 豎向壓力傳遞規(guī)律

35 t軸重動力加載時不同部位的豎向壓力及應(yīng)力傳遞路徑見圖6?？芍?，軌枕中心處的豎向壓力與上述情況呈現(xiàn)相同規(guī)律，豎向深度相差0.4 m，壓力差穩(wěn)定在5 kPa左右，間接解釋了豎向壓力傳遞符合力學(xué)基本原理。其中TY8,TY4剛好處在45°擴散角的邊緣，因此豎向壓力接近最小值；由于TY8,TY3處于同一等壓線上，所以數(shù)值較為接近，可間接解釋軌道下方一定范圍內(nèi)豎向應(yīng)力呈現(xiàn)“圓弧狀”分布。同樣處于等壓線上的TY5較TY7豎向壓力增大1.0～1.5倍，間接證明了兩軌之間豎向壓力存在應(yīng)力疊加，疊加后的壓力傳遞路徑呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，即軌下應(yīng)力較為集中，兩軌中間應(yīng)力疊加，豎向應(yīng)力隨著擴散廣度及深度增加逐漸降低。

圖6 35 t軸重動力加載時不同部位的豎向壓力及應(yīng)力傳遞路徑(單位：m)

35 t軸重動力加載時，輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)級配碎石表面連續(xù)3根軌枕的壓力分布情況見圖7?？芍?，豎向壓力沿縱向逐步降低，基本呈現(xiàn)線性規(guī)律。

不同軸重動力加載時級配碎石表面相應(yīng)軌枕下方及相鄰軌枕下方豎向壓力見表3?？芍诟骷壓奢d條件下，相鄰軌枕的豎向壓力呈現(xiàn)相同分布規(guī)律，即第2根軌枕級配碎石表面豎向壓力為加載軌枕(中心枕)級配碎石表面的0.72倍左右，第3根軌枕豎向壓力為加載軌枕(中心枕)級配碎石表面的0.53倍左右，且豎向壓力與施加荷載呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。與橫向傳遞規(guī)律類似，沿線路縱向的豎向壓力傳遞規(guī)律也存在應(yīng)力集中和疊加現(xiàn)象。

圖7 35 t軸重動力加載時級配碎石表面壓力分布

表3 不同軸重動力加載時級配碎石表面豎向壓力 kPa

5 結(jié)論及建議

1)在25～45 t靜荷載條件下，輕質(zhì)混凝土自身的壓縮變形較小，基本穩(wěn)定在0.12 mm左右，說明輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)具有較強的抵抗壓縮變形的能力。

2)濕密度為800 kg /m3的輕質(zhì)混凝土具有較高的抗壓強度和良好的力學(xué)穩(wěn)定性，適用于對變形要求較為嚴格的特殊鐵路路基區(qū)段及路橋過渡段?？梢杂行Ы档透鹘Y(jié)構(gòu)體間的差異沉降，并提供足夠的承載力。

3)沿線路橫向與縱向豎向應(yīng)力傳遞規(guī)律類似，存在應(yīng)力集中和疊加現(xiàn)象。