公路下穿既有線新建泡沫輕質(zhì)土路涵過渡段動力響應(yīng)特性分析

劉彬彬，曾志姣，楊晨，盧洺宇，黃俊杰

(1.中鐵武漢勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430074；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

路涵過渡段作為鐵路線路的重要組成部分，具有使軌道的剛度逐漸變化，以及減小路基與橋涵剛性構(gòu)筑物間差異沉降的作用。如何有效控制橋涵與過渡段、過渡段與老路基剛度過渡和差異沉降，過渡段填料選擇是其設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。泡沫輕質(zhì)土是一種輕質(zhì)填筑材料，由水泥漿與一定比例細小的穩(wěn)定氣泡群混合，并經(jīng)充分混合攪拌形成流體，最終凝固成型[1]，其具有流動性好、施工便捷、質(zhì)量輕和強度較高等特點。目前，泡沫輕質(zhì)土已被廣泛應(yīng)用于公路路基拓寬和路橋過渡段填筑等工程，在公路新老路基差異沉降和過渡段沉降控制等方面取得了良好效果[2?7]。近年來，鑒于泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于公路路基工程中取得良好的技術(shù)和經(jīng)濟效果，泡沫輕質(zhì)土逐漸被引入鐵路路基工程中作為減載的換填材料。為了研究其在鐵路路基工程中路用性能及應(yīng)用結(jié)構(gòu)型式，國內(nèi)外學(xué)者開展了材料抗壓強度試驗、動三軸試驗、大比例模型試驗和現(xiàn)場測試等許多研究工作[8?14]。為了控制新建高速鐵路路基引起既有線路基的沉降變形，泡沫輕質(zhì)土在新建高速鐵路路基與既有高速鐵路路基幫接段和緊鄰段中作為新建路基減載換填材料得到了應(yīng)用[2]。然而，泡沫輕質(zhì)土用于鐵路路橋、路涵和路隧等過渡段的工程案例鮮見相關(guān)報道，無相關(guān)鐵路過渡段實際工程應(yīng)用研究。在武漢市李紙路下穿南環(huán)鐵路上行線及京南聯(lián)絡(luò)線工程中，涵洞兩側(cè)新建過渡段采用泡沫輕質(zhì)土進行填筑作為極少數(shù)先行試驗工程之一。依托該工程，開展鐵路泡沫輕質(zhì)土過渡段行車動態(tài)測試，分析其動力響應(yīng)特征，以探索泡沫輕質(zhì)土在鐵路過渡段中的適用性。

1 工程概況

武漢市李紙路以框架涵方式下穿南環(huán)鐵路上行線及京南聯(lián)絡(luò)線，鐵路線路為有砟軌道客貨共線鐵路，根據(jù)地勘資料和開挖作業(yè)面顯示，涵底為黏土，經(jīng)既有路基上部荷載作用，其已產(chǎn)生了相應(yīng)的固結(jié)，承載力特征值為280 kPa，厚度在1～3 m之間，黏土層以下依序為強風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化砂巖?？蚣芎黧w采用2孔框架地道橋形式，兩側(cè)既有路堤開挖成倒梯形，開挖邊坡坡率為1∶2?？蚣芎瓋蓚?cè)新建過渡段一般采用級配碎石填筑并對其進行注漿加固，根據(jù)類似工程實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，采用該方法新建的過渡段在恢復(fù)線路運營后往往會產(chǎn)生過大的差異沉降，后期需要開展多次墊道砟作業(yè)，才能保證線路的平順性；此外，該工程施工范圍內(nèi)民房較多、征地困難，存在施工作業(yè)面小等技術(shù)難題。因此，提出采用泡沫輕質(zhì)土填筑臺尾兩側(cè)基床表層以下的過渡段，以解決上述技術(shù)難題。該工程縱斷面設(shè)計圖和施工過程場景分別如圖1和圖2所示，本過渡段澆筑的泡沫輕質(zhì)土性能指標見表1。

表1 泡沫輕質(zhì)土性能指標Table 1 Performance index of foamed lightweight soil

圖1 縱斷面設(shè)計圖和監(jiān)測斷面位置示意圖Fig.1 Vertical section design drawing and position diagram of monitoring section

圖2 工程施工場景Fig.2 Project construction scene

2 現(xiàn)場動態(tài)測試方案

選取泡沫輕質(zhì)土過渡段范圍3個典型斷面，3個斷面分別距框架涵1.5，5.6和11.2 m，代表路涵過渡分界點、過渡段縱向上靠中間位置和普通路基與過渡段分界點，如圖1所示。在各測試斷面布置動態(tài)傳感器，包括在軌枕端部布置動態(tài)位移計、速度計和加速度計(如圖3所示)，以及在路基不同深度處埋設(shè)動土壓力盒，其中1-1測試斷面動態(tài)元器件布設(shè)示意圖如圖4所示。

圖3 軌枕端部安裝的動位移計、速度計和加速度計Fig.3 Vibration displacement meter，velocity meter，and accelerometer installed in the sleeper

圖4 1-1斷面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)示意圖Fig.4 Layout diagram of sensors in 1-1 test section

本線路運營客車為25型提速列車(YZ25T型客車)，車輛軸重為10.7 t，最大運營速度為160 km/h，由于行車測試期間現(xiàn)場處于特殊調(diào)度運營期，本次行車試驗測試的行車速度約為60 km/h。在列車通過時，進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集，分析既有鐵路新建泡沫輕質(zhì)土路涵過渡段動力響應(yīng)規(guī)律，評價泡沫輕質(zhì)土在路涵過渡段中的適用性。

3 測試結(jié)果分析

3.1 振動位移

振動位移是反映路基剛度大小的關(guān)鍵參數(shù)之一，路基的綜合剛度低，則變形大，較大的動變形將加劇軌道結(jié)構(gòu)與車輛的相互作用，路基面動變形最終會反映在軌面的動不平順上，直接影響列車通過速度以及行車安全和舒適性[12]。在現(xiàn)場行車作用下泡沫輕質(zhì)土過渡段各測試斷面軌枕豎向振動位移時程曲線如圖5所示。

圖5 行車作用下軌枕振動位移時程曲線Fig.5 Time history curves of vibration displacement of the sleeper under train driving action

列車在由土質(zhì)路基進入過渡段泡沫輕質(zhì)土填筑區(qū)域時，3-3監(jiān)測斷面軌枕最大振動位移為2.04 mm，列車通過泡沫輕質(zhì)土填筑區(qū)域中間位置時，2-2監(jiān)測斷面軌枕最大振動位移為0.95 mm，列車由泡沫輕質(zhì)土過渡段進入到涵洞段時，1-1監(jiān)測斷面軌枕最大振動位移為0.59 mm。顯然，列車由土質(zhì)路基經(jīng)過渡段至涵洞沿線路縱向方向上振動位移逐漸降低，起到了逐步過渡的效果，說明泡沫輕質(zhì)土過渡段實現(xiàn)了剛度的逐漸過渡，達到了由級配碎石填筑而成的傳統(tǒng)過渡段的相同效果。

3.2 振動加速度

振動的強弱程度也可用振動加速度來描述，在列車通過時泡沫輕質(zhì)土過渡段各測試斷面軌枕豎向振動加速度時程曲線如圖6所示。

圖6 行車作用下軌枕振動加速度時程曲線Fig.6 Time history curve of vibration acceleration of the sleeper under train driving action

列車由既有土質(zhì)路基進入新建過渡段泡沫輕質(zhì)土填筑區(qū)域再進入框架涵的過程中，3-3，2-2和1-1監(jiān)測斷面軌枕豎向振動加速度范圍分別為1.03～3.03 m/s2，0.18～0.66 m/s2和0.16～0.43 m/s2。相較于3-3斷面處軌枕振動加速度極值，2-2斷面處軌枕振動加速度極值減少了78%，1-1斷面處軌枕振動加速度極值減少了86%。由于泡沫輕質(zhì)土材料與普通土質(zhì)路基剛度相差較大，因此在3-3監(jiān)測斷面處由于剛度差而使得動力響應(yīng)增大，而過渡段范圍內(nèi)加速度差異較小，說明泡沫輕質(zhì)土作為新建過渡段填料使得路基結(jié)構(gòu)層形成了整體剛性結(jié)構(gòu)，有利于路基的動力穩(wěn)定性。

根據(jù)文獻[15]可知，時速為160～250 km/h列車通過采用級配碎石和碎石灰土填筑而成的路橋過渡段時，過渡段區(qū)域有砟軌道結(jié)構(gòu)下路基面振動加速度實測均值范圍為4.71～6.11 m/s2，極大值范圍為11.22～13.55 m/s2。本測試列車行車速度為60 km/h，小于文獻[15]中時速160 km/h，且現(xiàn)場測試前過渡段施工剛結(jié)束不久，軌道結(jié)構(gòu)經(jīng)過維修，平順度也較高，本測試測得泡沫輕質(zhì)土過渡段區(qū)域有砟軌道軌枕豎向振動加速度極大值小于文獻[15]中路基面最小均值和遠小于文獻[15]中路基面最大均值。

3.3 振動速度

振動速度是另一項反映振動強弱程度的指標，在列車通過時泡沫輕質(zhì)土過渡段各測試斷面軌枕豎向振動速度時程曲線如圖7所示。

圖7 行車作用下軌枕振動速度時程曲線Fig.7 Time history curve of vibration velocity of the sleeper under train driving action

由圖7可知，列車由既有土質(zhì)路基進入新建過渡段泡沫輕質(zhì)土填筑區(qū)域再進入框架涵的過程中，1-1，2-2和3-3監(jiān)測斷面軌枕最大振動速度幅值分別為9.33，5.82和13.3 mm/s。由于軌下基礎(chǔ)剛度變化對列車振動速度的影響較大，因而在土質(zhì)路基與泡沫輕質(zhì)土填筑路基過渡處，以及泡沫輕質(zhì)土與涵洞過渡處振動速度偏大。

3.4 動應(yīng)力

動應(yīng)力反映列車荷載對路基作用的大小，以動力波的形式通過上部軌道結(jié)構(gòu)傳到基床面，再向深度傳播，在傳播過程中由于介質(zhì)的阻尼作用吸收能量，則動應(yīng)力沿深度的增加呈現(xiàn)衰減的趨勢[12]。在列車通過泡沫輕質(zhì)土過渡段1-1測試斷面時，其基床表層頂面位置處動應(yīng)力時程曲線如圖8所示。

圖8 1-1斷面基床表層頂面位置處動應(yīng)力時程曲線Fig.8 Time history curve of dynamic stress at the top layer surface of subgrade ben in 1-1 test section

由圖8可知，動應(yīng)力時程圖呈現(xiàn)出由前后2節(jié)車廂相鄰轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的動應(yīng)力峰值構(gòu)成的“雙峰”現(xiàn)象，且動應(yīng)力最大峰值出現(xiàn)在時程圖首端，即列車的機車部位對路基產(chǎn)生的動應(yīng)力最大。1-1斷面位置基床表層為0.6 m厚級配碎石層，基床底層及以下部分采用泡沫輕質(zhì)土填筑，填筑高度為7.67 m，列車行駛經(jīng)過試驗段時，1-1斷面處最大動應(yīng)力沿深度衰減率如表2所示。由表2可知，與基床表層頂面相比，基床表層底面處最大動應(yīng)力衰減16%，路基底部處最大動應(yīng)力衰減了97.6%。

表2 1-1斷面處最大動應(yīng)力沿深度衰減率Table 2 Attenuation rate of maximum dynamic stress in 1-1 test section along subgrade depth

基床表層頂面及底面動應(yīng)力沿線路縱向衰減率如圖9所示。

圖9 最大動應(yīng)力沿線路縱向分布規(guī)律Fig.9 Distribution law of maximum dynamic stress along the longitudinal line

由此可知：1)沿線路縱向，相較于普通路基，過渡段范圍內(nèi)由于路基填充材料剛度逐漸增大，實測路基基床內(nèi)最大動應(yīng)力大于普通路基側(cè)。2)1-1，2-2和3-3斷面基床表層頂面最大動應(yīng)力分別為24.37，23.36和23.19 kPa，1-1，2-2和3-3斷面基床表層底面最大動應(yīng)力分別為20.73，19.85和19.52 kPa。在線路縱向上，基床表層頂面和基床表層底面最大動應(yīng)力遠離涵洞方向呈逐漸減小規(guī)律，衰減趨勢較為平緩，這反映動力響應(yīng)過渡均勻。在過渡段深度方向上，各斷面最大動應(yīng)力沿深度方向逐漸減小，1-1斷面處基床表層底面動應(yīng)力值約為基床表層頂面動應(yīng)力值的85%；2-2斷面處基床表層底面動應(yīng)力值約為基床表層頂面動應(yīng)力值的85%；3-3斷面處基床表層底面動應(yīng)力值約為基床表層動應(yīng)力值的84%，不同斷面處基床表層最大動應(yīng)力衰減趨勢與衰減速率基本一致。

根據(jù)SHI等[2,9,12]開展泡沫輕質(zhì)土動三軸試驗結(jié)果，可知濕密度為500～800 kg/m3之間的泡沫輕質(zhì)土動應(yīng)力閾值約為其抗壓強度的0.2～0.35倍。這說明按照最小值計算得到設(shè)計濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土動應(yīng)力閾值不小于0.4 MPa，該值遠大于行車測試得到基床表層頂面最大動應(yīng)力(該值為1-1斷面處24.37 kPa)，說明采用設(shè)計濕密度為700 kg/m的泡沫輕質(zhì)土作為過渡段基床底層及以下部分路基填料均能滿足靜動強度要求。

4 結(jié)論

1)時速為60 km/h的列車從土質(zhì)路基至涵洞方向行駛時，在泡沫輕質(zhì)土過渡段區(qū)間軌枕最大振動位移和加速度范圍分別在0.59～2.04 mm和0.43～3.03 m/s2，由土質(zhì)路基經(jīng)過渡段至涵洞方向均呈逐漸減小的規(guī)律，起到了逐步過渡的效果。

2)時速為60 km/h的列車從土質(zhì)路基向涵洞方向行駛時，在泡沫輕質(zhì)土過渡段范圍內(nèi)軌枕最大振動速度范圍在5.82～13.3 mm/s，在土質(zhì)路基與泡沫輕質(zhì)土過渡段界面處軌枕最大振動速度值最大，靠近泡沫輕質(zhì)土過渡段中部位置最小，而靠近涵洞背面位置相較于過渡段中部位置略有增大，分析認為在界面處基礎(chǔ)剛度變化所致。

3)在列車行車荷載作用下，基床表層頂面最大動應(yīng)力范圍在23.19～24.37 kPa，最大動應(yīng)力沿深度方向呈衰減規(guī)律，泡沫輕質(zhì)土路基底部動應(yīng)力值為0.55 kPa，說明采用設(shè)計濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土作為過渡段基床底層及以下區(qū)域填料能滿足靜動強度要求；基床表層頂面和基床表層底面最大動應(yīng)力遠離涵洞方向呈逐漸減小規(guī)律，衰減趨勢較為平緩，反映動力響應(yīng)過渡均勻。

綜合上述研究結(jié)果，相對于行車作用下過渡段動態(tài)響應(yīng)特征而言，采用泡沫輕質(zhì)土填筑既有鐵路增建橋涵工程而新建的路橋過渡段達到了由級配碎石和加筋土等常規(guī)路涵過渡段的處理效果。