水泥改良膨脹土重載鐵路路基填料的可靠性研究

商擁輝，徐林榮，蔡 雨，陳釗鋒

(1.黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南駐馬店 463000； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075； 3.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙 410075)

引言

重載鐵路具有軸重大、輸送能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高等顯著特點(diǎn)[1-2]，自20世紀(jì)20年代首次在美國出現(xiàn)后，目前已廣布于俄羅斯、澳大利亞、巴西、印度、南非、中國等國家[3]。隨著運(yùn)輸技術(shù)的不斷提高，世界重載鐵路協(xié)會先后于1986年、1994年和2005年3次對重載鐵路做了最新的定義，要求軸重>27 t，運(yùn)輸能力>8 000萬t，使得重載鐵路運(yùn)輸又提高到了一個新高度[4]。西方部分國家重載鐵路軸重在20世紀(jì)70年代已達(dá)30 t，例如：巴西卡拉亞斯鐵路和南非OREX鐵路軸重為30 t，澳大利亞的紐曼山鐵路軸重達(dá)37.5 t[5]。我國目前重載鐵路軸重僅為23 t和25 t，與世界重載鐵路軸重30 t及以上水平存在差距[6]。2015年1月13日，滿載1.2萬t煤炭J55081次試驗(yàn)列車在瓦日鐵路鄭州鐵路局管段的長子南至平順站順利完成重載綜合實(shí)驗(yàn)，這標(biāo)志著繼高原鐵路、高速鐵路之后，我國30 t軸重重載鐵路綜合技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破。

相比普通鐵路和高速鐵路，重載鐵路因更大的列車軸重致使路基承受更大動應(yīng)力[7]，對線路運(yùn)營期路基穩(wěn)定提出更高要求。填料在靜載作用下能保持穩(wěn)定，但在車輛動載循環(huán)作用下，其強(qiáng)度將逐漸降低，變形隨之發(fā)展，導(dǎo)致線路的使用功能降低甚至破壞[8]。因此，重載鐵路路基填料要同時滿足靜態(tài)指標(biāo)與動態(tài)指標(biāo)要求。路基的動力穩(wěn)定性取決于路基填料的臨界動應(yīng)力與路基中實(shí)際動應(yīng)力的大小關(guān)系，即可以通過臨界動應(yīng)力法對重載鐵路路基的穩(wěn)定性進(jìn)行評估[9]。楊果林等[10]借助該法評價了武廣高鐵紅黏土路塹基床的長期動力穩(wěn)定性，王永和等[11]評價了武廣高鐵泥質(zhì)粉砂巖改良土路基的長期動力穩(wěn)定性。

填料臨界動應(yīng)力主要借助室內(nèi)動三軸試驗(yàn)進(jìn)行獲取。蔣關(guān)魯?shù)萚11]、冷伍明等[12]研究表明：填料(土)累積應(yīng)變曲線隨振次發(fā)展分為三類，穩(wěn)定型曲線、臨界型曲線和破壞型曲線。介于穩(wěn)定型與破壞型之間臨界型曲線表明填料(土)處于穩(wěn)定與破壞臨界狀態(tài)，該曲線對應(yīng)的動應(yīng)力幅值成為填料“臨界動應(yīng)力”?？梢?，臨界動應(yīng)力不是一個固定值，而是一個區(qū)間值。針對臨界動應(yīng)力影響因素問題，唐益群等[13]研究認(rèn)為固結(jié)偏應(yīng)力越大土體的臨界動應(yīng)力越大；孫明智[14]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用會降低土體臨界動應(yīng)力；劉曉紅[15]建議選取臨界動應(yīng)力范圍低限值用于路基設(shè)計(jì)；冷伍明等[12]結(jié)合重載鐵路荷載特性探究了基床表層粗顆粒填料飽和臨界動應(yīng)力100～200 kPa。上述研究成果為開展重載鐵路水泥改良膨脹土臨界動應(yīng)力研究提供良好基礎(chǔ)。

路基應(yīng)力水平主要借助數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測試獲取。呂文強(qiáng)[16]借助ABAQUS建立列車-軌道-基床數(shù)值模型，得出軸重25～35 t路基面動應(yīng)力幅值范圍76.92～101.47 kPa，動變形幅值范圍1.992～2.68 mm；肖世偉等[17]借助FLAC3D建立列車-軌道-基床三維數(shù)值模型，總結(jié)列車時速120 km軸重25～40 t列車運(yùn)行時，路基面豎向動應(yīng)力范圍74.60～119.37 kPa。數(shù)值模型建立在諸多假設(shè)基礎(chǔ)上，測試分析是目前最可靠分析途徑。聶如松等[18]、陳樂求等[19]及屈暢姿等[20]借助室內(nèi)路基足尺模型試驗(yàn)，測試時速80 km軸重23，25，28 t和30 t列車激振時，基床表層表面動應(yīng)力最大值依次為56，64，74 kPa和90 kPa；軸重25～30 t枕頂面動位移1.5～2.4 mm，大于基床表層表面動位移0.13～0.26 mm。即便足尺模型也難模擬地基的無限域，現(xiàn)場行車試驗(yàn)是研究路基動態(tài)特性最直接、可靠方法。鐵科院于2013年7月對朔黃線進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)車測試數(shù)據(jù)表明：軸重23～25 t列車運(yùn)行路基面產(chǎn)生的動應(yīng)力幅值110.1～117.7 kPa；軸重27 t和30 t列車運(yùn)行路基面產(chǎn)生的動應(yīng)力最大值分別為119.3 kPa和123.0 kPa。目前，針對重載鐵路水泥改良膨脹土路基動力特性測試研究相對較弱。

為對上述存在問題進(jìn)行研究，依托蒙華重載鐵路水泥改良膨脹土路基工程背景，首先借助室內(nèi)動三軸試驗(yàn)獲取水泥摻量3%～5%改良膨脹土的臨界動應(yīng)力，然后借助現(xiàn)場激振試驗(yàn)獲取重載鐵路水泥改良膨脹土路基動力水平，進(jìn)而從動力學(xué)角度探究了水泥改良膨脹土用作重載鐵路路基填料的可靠性。

1 水泥摻量3%～5%改良膨脹土臨界動應(yīng)力

1.1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)土樣來自蒙華重載鐵路三荊試驗(yàn)段南陽鄧州工點(diǎn)大山寨取土場，屬中膨脹土，摻入水泥改良后工程性質(zhì)變化見表1。

試驗(yàn)選擇素膨脹土、水泥摻量3%和5%膨脹土進(jìn)行動力特性試驗(yàn)。試樣在最優(yōu)含水率條件下重型擊實(shí)制成，按95%壓實(shí)度控制干密度，試樣養(yǎng)護(hù)時間28 d。試樣為直徑39.1 mm，高度為80 mm的圓柱體。試樣制備按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》和SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》嚴(yán)格執(zhí)行。

試驗(yàn)采用不排水條件，振動次數(shù)在試驗(yàn)過程中某一級荷載作用下試樣變形隨加載時間收斂為標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)過程中確定。動荷作用下土樣的破壞標(biāo)準(zhǔn)尚沒有統(tǒng)一認(rèn)識，本次試驗(yàn)采用GB/T50269—2015《地基動力特性測試規(guī)范》的推薦值，即當(dāng)彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和ε=5%，認(rèn)為試樣破壞。本次試驗(yàn)主要內(nèi)容見表2。

表1 膨脹土摻入水泥性質(zhì)變化(平均值)

表2 動三軸試驗(yàn)內(nèi)容

1.2 臨界動應(yīng)力分析

根據(jù)不同試驗(yàn)條件，對重塑膨脹土素土及水泥改良膨脹土進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，繪制了不同試驗(yàn)條件下的εp-lgN曲線，并由累積應(yīng)變發(fā)展類型來判斷臨界動應(yīng)力的取值范圍。受篇幅限制，僅提供部分試驗(yàn)條件下的重塑膨脹土素土、水泥摻量3%和5%改良膨脹土的εp-lgN曲線(圖1)。

圖1 不同土樣εp-lgN曲線(f=1 Hz)

由圖1可知：水泥改良土累積應(yīng)變隨振次發(fā)展趨向類型與重塑素膨脹土類似，均存在穩(wěn)定、臨界和破壞型曲線。由此可以判斷不同試驗(yàn)條件下水泥改良膨脹土臨界動應(yīng)力，具體見表3。

由表3可知：重塑素膨脹土的臨界動應(yīng)力為21.6～34.9 kPa，平均值28.25 kPa；水泥摻量3%改良膨脹土臨界動應(yīng)力范圍為148.8～233.1 kPa，平均值190.95 kPa；水泥摻量5%改良膨脹土臨界動應(yīng)力范圍為145.6～249.7 kPa，平均值197.65 kPa；水泥摻量3%和5%改良膨脹土臨界動應(yīng)力平均值，分別是重塑素膨脹土6.8倍和7.0倍。即相比重塑素膨脹土而言，膨脹土摻入水泥改良后臨界動應(yīng)力相應(yīng)提高了5～6倍。臨界動應(yīng)力隨水泥摻量和圍壓增加增幅較多，而隨頻率增大有微弱減少趨勢。

表3 不同試驗(yàn)條件下水泥改良膨脹土臨界動應(yīng)力匯總

2 重載鐵路水泥改良膨脹土路基動力水平

2.1 試驗(yàn)概述

以蒙華重載鐵路DK948+245斷面為例，基床表層(厚0.6 m)路基填料為細(xì)角礫A組填料，基床底層(厚1.9 m)路基填料為5%水泥改良膨脹土，基床底層以下路堤為3%水泥改良膨脹土。結(jié)合現(xiàn)場開展激振試驗(yàn)獲取該斷面動應(yīng)力水平。

元件位置：左線軌道中心位置，在基床表層頂面、基床表層頂面以下0.6 m、基床底層頂面以下0.9 m、基床底層底面以下1 m、基床底層底面以下1 m和2 m處，各設(shè)置1處動應(yīng)力、動加速度傳感器。在左線軌道中心偏移0.5，1.5 m處位置，分別在基床表層底面、基床底層底面，各設(shè)置2處動應(yīng)力、動加速度傳感器。

測試儀器型號：動應(yīng)力采用JMYJ-1503m電阻式動土壓力盒測試；加速度采用CA-YD-117壓電式加速度傳感器測試；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用60通道IMC采集儀；選取同濟(jì)大學(xué)自主開發(fā)研制ZBS60型變頻、變矩式振動機(jī)模擬重載鐵路列車荷載。試驗(yàn)過程照片如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場

2.2 路基動力水平分析

圖3為現(xiàn)場測試不同荷載工況動應(yīng)力及其衰減曲線沿路基深度變化規(guī)律。

圖3 測試動應(yīng)力沿路基深度變化及衰減曲線

由圖3可知：重載鐵路客車運(yùn)行條件下，軸重21 t時速120～200 km列車產(chǎn)生路基面最大動應(yīng)力81.61～99.16 kPa，衰減至基床表層底面(0.6 m)動應(yīng)力為48.31～59.21 kPa，衰減至基床底層底面(2.5 m)動應(yīng)力為16.12～19.11 kPa；重載鐵路貨車運(yùn)行條件下，時速120 km軸重25～30 t列車產(chǎn)生路基面最大動應(yīng)力為98.92～118.46 kPa，衰減至基床表層底面(0.6 m)動應(yīng)力為58.12～71.45 kPa，衰減至基床底層底面(2.5 m)動應(yīng)力為21.86～25.52 kPa。測試說明，路基動力水平主要受軸重影響。

動力影響深度是鐵路路基設(shè)計(jì)重要指標(biāo)。通過對比動應(yīng)力與靜應(yīng)力探討動力影響深度(影響深度=動靜比>0.2)。由表4可知：時速120 km軸重21 t客車行駛下，路基深度2.5 m處動靜應(yīng)力比>0.2，路基深度3.5 m處動靜應(yīng)力比<0.2，說明動力影響深度2.5～3.5 m(大于基床厚度2.5 m)；時速120 km軸重25 t和30 t貨車行駛下，路基深度3.5 m處動靜應(yīng)力之比>0.2，路基深度4.5 m處動靜應(yīng)力之比<0.2，說明動力影響深度3.5～4.5 m(大于基床厚度2.5 m)。

表4 路基不同深處動應(yīng)力與靜應(yīng)力匯總(v=120 km/h)

3 動力角度評估水泥改良土填料可靠性

結(jié)合上述試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)，借助臨界動應(yīng)力法對填料可靠性評估，詳見表5?；脖韺覣組粗顆粒填料臨界動應(yīng)力參考文獻(xiàn)[12]選取。

表5 路基長期動力穩(wěn)定性評估(v=120 km/h)

由表5可知：蒙華重載鐵路三荊段水泥改良膨脹土路基動力穩(wěn)定性滿足要求，說明水泥摻量5%和3%改良膨脹土分別用作重載鐵路基床底層與以下路基填料可靠性滿足要求。

4 結(jié)論

依托蒙華重載鐵路三荊段水泥改良膨脹土路基工程背景，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場測試，對水泥改良膨脹土臨界動應(yīng)力與其用作重載鐵路路基填料的可靠性進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

(1)水泥摻量3%和5%改良膨脹土臨界動應(yīng)力分別為148.8～233.1 kPa和145.6～249.7 kPa，大于重塑素膨脹土臨界動應(yīng)力(21.6～34.9 kPa)，前者平均值為后者6～7倍，說明膨脹土摻入水泥動剛度改善顯著；水泥改良膨脹土臨界動應(yīng)力主要受圍壓影響，兩者基本呈線性增長關(guān)系。

(2)軸重21 t時速120～200 km列車運(yùn)行路面動應(yīng)力幅值81.61～99.16 kPa，時速120 km軸重25～30t列車運(yùn)行路面動應(yīng)力幅值98.92～118.46 kPa；列車產(chǎn)生動應(yīng)力沿路基深度逐漸衰減，在基床表層與底層范圍內(nèi)衰減可達(dá)40%和80%；結(jié)合動靜應(yīng)力比可知，重載鐵路運(yùn)營期列車動力影響深度3.5～4.5 m，大于基床設(shè)計(jì)厚度2.5 m。

(3)水泥摻量5%和3%改良膨脹土分別用作基床底層與底層以下路堤填料后，運(yùn)營期重載鐵路路基實(shí)際動應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于相應(yīng)位置填料臨界動應(yīng)力，說明水泥摻量5%和3%改良膨脹土用作重載鐵路基填料可靠性滿足要求。

重載鐵路的路基動力問題相對復(fù)雜，水泥改良土目前在重載鐵路中應(yīng)用案例較少，文中結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場測試進(jìn)行了探究，整理出大量寶貴數(shù)據(jù)?？紤]干濕循環(huán)(降雨環(huán)境)影響路基動力響應(yīng)程度，后期可對該問題進(jìn)一步分析。