35～40 t軸重鐵路泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段力學(xué)特性試驗(yàn)研究

李泰灃 韓自力 陳鋒 馬戰(zhàn)國(guó) 李中國(guó) 張棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

近年來(lái)，重載運(yùn)輸成為世界鐵路發(fā)展的重要方向之一。從國(guó)外發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)膶?shí)踐來(lái)看，重載運(yùn)輸具有很好的經(jīng)濟(jì)性。一方面其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低；另一方面大軸重、高牽引重量重載運(yùn)輸可顯著提高機(jī)車車輛運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減少機(jī)車車輛數(shù)量，同時(shí)降低牽引能耗，降低機(jī)車車輛維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備占用時(shí)間。重載運(yùn)輸已成為大宗貨物最為經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)輸方式。目前澳大利亞FMG鐵路軸重已達(dá)40 t，美國(guó)重載鐵路貨車軸重大多集中在32.5～35.7 t，巴西淡水河谷重載鐵路軸重已達(dá)32.5 t以上。

重載鐵路路基容易發(fā)生路基開裂、下沉、翻漿冒泥、邊坡坍塌等病害，路基的破壞變形最終反映在軌道的變形破損上［1］，從而造成維修工作量加大，維修成本大大增加，軌道裝備壽命縮短，甚至危及運(yùn)營(yíng)行車安全。目前中國(guó)在30 t軸重新建鐵路技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已成功建成國(guó)內(nèi)首條軸重30 t重載鐵路——瓦日鐵路。為了滿足“一帶一路”國(guó)家倡議需求，緊跟世界步伐，有必要開展35～40 t軸重下路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研發(fā)工作。

1 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

泡沫輕質(zhì)土具有密度低、施工方便等特點(diǎn)［2-3］，其本身剛度大，具有分散荷載、減少沉降的作用，用于填筑重載鐵路過(guò)渡段，可以有效解決過(guò)渡段不易壓實(shí)和差異沉降的問(wèn)題。

為進(jìn)一步掌握重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及應(yīng)力傳遞規(guī)律，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所于2018年夏季在美國(guó)交通技術(shù)中心（TTCI）的加速試驗(yàn)線（FAST）大軸重環(huán)線（HTL）上東鐵橋（ESB）附近區(qū)段4到區(qū)段5之間，鋪設(shè)了長(zhǎng)20 m的泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段重載試驗(yàn)段（圖1）。

圖1 TTCI大軸重環(huán)線HTL試驗(yàn)線

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，于2019年秋季開展了TTCI實(shí)尺實(shí)車靜、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)及實(shí)車運(yùn)量考核試驗(yàn)（圖2），旨在驗(yàn)證新型泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性與合理性，為完善重載鐵路有砟軌道路基設(shè)計(jì)技術(shù)體系提供支撐。

圖2 輕質(zhì)土路基過(guò)渡段動(dòng)態(tài)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段分臺(tái)階鋪設(shè)，臺(tái)階高差0.8 m，最薄處不應(yīng)小于0.8 m，距泡沫輕質(zhì)土頂部0.1 m處設(shè)置金屬網(wǎng)。泡沫輕質(zhì)土每隔10 m左右及厚度變化處設(shè)置變形縫，縫寬2.0 cm，縫深0.2 m。泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)整體采用復(fù)合土工膜（HDPE）全包裹的形式，并在泡沫輕質(zhì)土頂面設(shè)置復(fù)合土工膜砂墊層［4］。泡沫輕質(zhì)土性能指標(biāo)見表1。泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

表1 泡沫輕質(zhì)土性能指標(biāo)

圖3 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段結(jié)構(gòu)示意

1.2 測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)的主要目的是獲得泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段在大軸重（35.0，37.5，40.0 t）實(shí)載列車動(dòng)力作用下的應(yīng)力傳遞規(guī)律和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。主要測(cè)試內(nèi)容包括：①泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)變形；②泡沫輕質(zhì)土路基壓縮變形和基底沉降以及路橋過(guò)渡段差異沉降；③泡沫輕質(zhì)土路基內(nèi)部含水率變化情況。試驗(yàn)用傳感器主要為壓力分布傳感器、動(dòng)土壓力盒、沉降板、動(dòng)位移傳感器、含水率傳感器。前期1～2 d采集1次測(cè)試值，中期5～10 d，后期15～30 d。

傳感器埋設(shè)如圖4所示。主要測(cè)試斷面的動(dòng)土壓力盒及動(dòng)位移傳感器布置見表2。

圖4 TTCI泡沫輕質(zhì)土傳感器布置

表2 傳感器編號(hào)及埋設(shè)位置

2 動(dòng)應(yīng)力測(cè)試情況分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力沿線路縱向分布規(guī)律

在相同測(cè)試條件下（行車速度64 km/h），各斷面結(jié)構(gòu)層的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表3。可知，軸重40 t時(shí)斷面2、斷面5泡沫輕質(zhì)土表面最大動(dòng)應(yīng)力分別約為141.61，91.43 kPa。由于斷面2為雙臺(tái)階設(shè)計(jì)，其綜合剛度較斷面5（單臺(tái)階）大，故動(dòng)應(yīng)力水平相對(duì)較高。從動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)可以看出，列車從斷面2行駛到斷面5，應(yīng)力衰減逐步明顯，符合路橋過(guò)渡段的基本功能要求。

表3 不同斷面泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.2 動(dòng)應(yīng)力沿豎直方向分布規(guī)律

根據(jù)AREMA規(guī)范中第1卷第2節(jié)中的規(guī)定，對(duì)于本測(cè)試條件下通行軸重40 t列車，底砟層最小設(shè)計(jì)厚度為38 cm，且道砟層和底砟層的綜合厚度不應(yīng)小于65 cm，以保證路基結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力［7-8］。本次重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段道砟層、級(jí)配碎石（底砟）層設(shè)計(jì)厚度分別為35，70 cm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

AREMA規(guī)范建議，級(jí)配碎石（底砟）表面承擔(dān)應(yīng)力不應(yīng)大于285.4 kPa，以滿足重載鐵路對(duì)于路基承載能力的設(shè)計(jì)要求。

由表3可知，在相同測(cè)試條件下（行車速度64 km/h）軸重40 t時(shí)，斷面2級(jí)配碎石（底砟）表面、泡沫輕質(zhì)土表面最大動(dòng)應(yīng)力分別為194.50，141.61 kPa左右，動(dòng)應(yīng)力水平滿足路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。對(duì)于輕質(zhì)土路基而言，深度每增加0.8 m其動(dòng)應(yīng)力水平降低約40 kPa。

2.3 列車軸重對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響

測(cè)試列車編組情況為2節(jié)6軸機(jī)車，后接15節(jié)重載車廂（35.0，37.5，40.0 t軸重列車各5節(jié)）。由表3可知，隨著列車軸重的降低動(dòng)應(yīng)力呈類線性遞減，泡沫輕質(zhì)土表面的動(dòng)應(yīng)力相對(duì)于級(jí)配碎石表面較小。列車軸重每降低2.5 t斷面2級(jí)配碎石表面、輕質(zhì)土表面動(dòng)應(yīng)力分別降低約10，3 kPa。隨深度的增加，列車軸重對(duì)輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力的影響逐步降低。

不同列車軸重條件下路基面實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)力與擬合最大動(dòng)應(yīng)力見表4?？芍?，路基面動(dòng)應(yīng)力與列車軸重間存在線性關(guān)系，可為今后我國(guó)重載鐵路的發(fā)展提供理論支撐和數(shù)據(jù)支持，也間接驗(yàn)證了本次試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的合理性、可靠性。

表4 不同列車軸重條件下路基面最大動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與擬合值

2.4 列車速度對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響

軸重40 t列車以不同行車速度通過(guò)測(cè)試斷面時(shí)，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段不同位置處的最大動(dòng)應(yīng)力見表5。可知，列車行車速度的提升對(duì)泡沫輕質(zhì)土表面動(dòng)應(yīng)力的改變影響較小，列車行車速度每提升16 km/h，級(jí)配碎石表面動(dòng)應(yīng)力提升7 kPa左右，泡沫輕質(zhì)土表面動(dòng)應(yīng)力提升5 kPa左右。

表5 不同行車速度時(shí)泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段最大動(dòng)應(yīng)力 kPa

3 動(dòng)位移測(cè)試情況分析

3.1 動(dòng)位移沿線路縱向分布規(guī)律

軸重40 t列車以速度32 km/h行駛時(shí)，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段相同深度處的動(dòng)位移見圖5?？芍?，斷面2（雙臺(tái)階）、斷面5（單臺(tái)階）泡沫輕質(zhì)土表面動(dòng)位移分別為0.6，0.5 mm，斷面2泡沫輕質(zhì)土表面動(dòng)位移較斷面5處大0.1 mm。

圖5 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移沿線路縱向分布情況

3.2 動(dòng)位移沿豎直方向分布規(guī)律

軸重40 t列車以速度32 km/h行駛時(shí)，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段不同斷面處的動(dòng)位移見圖6。可知，斷面2（雙臺(tái)階）泡沫輕質(zhì)土底面、表面的動(dòng)位移分別為0.35，0.56 mm，級(jí)配碎石表面動(dòng)位移為0.77 mm。深度每增加0.8 m，動(dòng)位移降低0.20 mm。

圖6 不同軸重條件下泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移

3.3 列車軸重對(duì)動(dòng)位移的影響

經(jīng)測(cè)試可知，隨著列車軸重的減小泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移逐步降低。軸重每降低2.5 t，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移降低0.06 mm。間接證明了泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)具有良好的抵抗動(dòng)位移的能力，可以滿足重載鐵路對(duì)于路橋過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)要求。

3.4 列車速度對(duì)動(dòng)位移的影響

軸重40 t列車以不同速度行駛時(shí)，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段不同斷面的動(dòng)位移見圖7。可知，當(dāng)列車行車速度每增加16 km/h，級(jí)配碎石表面動(dòng)位移增加0.2 mm，輕質(zhì)土表面動(dòng)位移增加約0.1 mm。

圖7 不同行車速度條件下泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移

4 現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)測(cè)試車輛（軸重）情況

長(zhǎng)期觀測(cè)的重載試驗(yàn)列車由3節(jié)車頭和110節(jié)重載車廂組成，每節(jié)車廂軸重為35.4 t，最大行車速度為64 km/h。每晚行車?yán)塾?jì)通過(guò)質(zhì)量約為2.0×106t，截至2019年10月底累計(jì)通過(guò)質(zhì)量約為154.2×106t。

沉降板分別埋設(shè)在泡沫輕質(zhì)土底面、泡沫輕質(zhì)土表面、級(jí)配碎石表面3個(gè)結(jié)構(gòu)面。泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段各結(jié)構(gòu)層平均沉降見圖8?？芍?，當(dāng)列車通過(guò)質(zhì)量為40×106～50×106t后，整體結(jié)構(gòu)沉降趨于穩(wěn)定；基底沉降基本在0.5 mm左右，泡沫輕質(zhì)土平均沉降穩(wěn)定在4.0 mm左右，后續(xù)累計(jì)通過(guò)質(zhì)量的增加對(duì)各層沉降無(wú)明顯影響，整體服役性能較好。

圖8 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段各結(jié)構(gòu)層平均沉降

泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)各臺(tái)階壓縮變形見圖9?？芍?，單臺(tái)階泡沫輕質(zhì)土壓縮變形在通過(guò)總質(zhì)量60×106t后穩(wěn)定在4.0mm左右，力學(xué)性能較好。

圖9 泡沫輕質(zhì)土各層壓縮變形情況

4.2 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段含水率情況

泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段含水率見圖10?？芍?，隨著通過(guò)質(zhì)量的增加輕質(zhì)土內(nèi)部含水率略有增大，與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和溫度變化有關(guān)。整體而言，斷面1含水率較斷面2處略大，其他測(cè)試位置無(wú)明顯異常，泡沫輕質(zhì)土路基整體服役性能良好。

圖10 泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段含水率

5 結(jié)論

1）泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)應(yīng)力水平滿足路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。路基深度每增加0.8 m，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)應(yīng)力降低約40 kPa。

2）列車軸重和列車行車速度對(duì)于輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)應(yīng)力影響較小。列車軸重每增加2.5 t，級(jí)配碎石表面動(dòng)應(yīng)力水平增加約10 kPa，泡沫輕質(zhì)土表面動(dòng)應(yīng)力增加約3 kPa；路基面最大動(dòng)應(yīng)力與列車軸重在數(shù)值上存在線性關(guān)系。

3）泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段動(dòng)位移對(duì)深度比較敏感，對(duì)列車行車速度相對(duì)敏感，對(duì)列車軸重較不敏感。

4）泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段整體力學(xué)性能較好。累計(jì)通過(guò)質(zhì)量40×106～50×106t后，泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段沉降趨于穩(wěn)定，基底沉降基本在0.5 mm，泡沫輕質(zhì)土平均沉降穩(wěn)定在4.0 mm，后續(xù)累計(jì)通過(guò)質(zhì)量的增加對(duì)各結(jié)構(gòu)層沉降無(wú)明顯影響。

5）隨累計(jì)通過(guò)質(zhì)量的增加泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段內(nèi)部含水率變化較小，整體結(jié)構(gòu)具有較好的服役性能，可以滿足重載鐵路對(duì)于路橋過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)要求。