高速鐵路泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

摘 要：【目的】通過進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究高速鐵路工程中泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的可行性?！痉椒ā繉⒉糠只驳讓永门菽炷翝仓舆M(jìn)行替代澆筑大比例模型，通過施加靜荷載及等頻、等幅的動荷載測試泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)的長期靜、動力穩(wěn)定性能?！窘Y(jié)果】①路基基床表層高度一致時，靜載作用下隨著測點(diǎn)與加載點(diǎn)水平、豎直距離的增大，測點(diǎn)處附加應(yīng)力值不斷減小，且在穿過泡沫混凝土層時應(yīng)力降幅顯著。②隨著測點(diǎn)深度的不斷增加，動應(yīng)力衰減系數(shù)減小，動應(yīng)力值不斷降低。級配碎石層及泡沫混凝土層均存在顯著的耗能作用，且級配碎石層對動應(yīng)力的耗散程度高于泡沫混凝土A、B組填料層。③當(dāng)級配碎石層厚度分別為0.5 m和0.7 m時，在循環(huán)動應(yīng)力加卸載作用下泡沫混凝土層累積變形分別占整體累積沉降的3.18%和3.80%，泡沫混凝土作為整體澆筑填料不產(chǎn)生較大的塑性變形，變形主要由級配碎石層產(chǎn)生?！窘Y(jié)論】荷載作用下泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)具備良好的減力、耗能及抗變形性能。研究成果可為今后類似工程提供試驗(yàn)參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；泡沫混凝土；路基結(jié)構(gòu)；附加應(yīng)力；動應(yīng)力；累積沉降量

中圖分類號：U213" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.015

Experimental Study on the Stability Performance of Foamed Concrete Subgrade Structure in High-Speed Railway

Abstract： [Purposes] In order to explore the feasibility of foamed concrete subgrade structure in high speed railway engineering， laboratory model test method was established to make the test. [Methods] The foam concrete layer is used to replace the large scale model for part of the foundation bed， and the long-term static and dynamic stability of the foamed concrete subgrade structure is tested by applying static load and constant frequency and amplitude dynamic load. [Findings]①When the surface height of the subgrade is the same， the additional stress at the measuring point decreases with the increase of horizontal and vertical distance between the measuring point and the loading point under static load， and the stress decreases significantly when passing through the foamed concrete layer. ②The attenuation coefficient of dynamic stress decreases and the value of dynamic stress decreases with the increasing depth of measuring point. Both graded gravel layer and foamed concrete layer have significant energy dissipation effect， and the degree of dissipation to dynamic stress of graded gravel layer is higher than that of foamed concrete layer than that of group A and B packing layer. ③When the thickness of graded gravel layer is 0.5 m and 0.7 m， the cumulative deformation of foamed concrete layer under cyclic dynamic stress loading and unloading accounts for 3.18% and 3.80% of the total cumulative settlement， respectively. Foamed concrete as a whole packing does not produce large plastic deformation， the deformation is mainly caused by graded gravel layer. [Conclusions] The foamed concrete subgrade structure under load has good performance of reducing force， energy dissipation and deformation resistance. The research results can be used as reference for similar engineering upgrading test parameters in the future.

Keywords： high-speed railroad; foamed concrete; subgrade structure; additional stress; dynamic stress; cumulative settlement

0 引言

對既有京滬高速鐵路進(jìn)行幫寬填筑時，不僅要控制幫填部分的工后沉降，還要嚴(yán)格控制既有路基沉降，保證既有京滬高鐵的運(yùn)營速度和運(yùn)營安全。采用常規(guī)的地基處理和路基填筑法，路基填筑荷載大，在既有路基內(nèi)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，容易造成既有路基發(fā)生沉降［1-3］。同時常規(guī)地基處理方法使用的施工設(shè)備尺寸較大，對既有線安全運(yùn)營構(gòu)成了一定的威脅，施工擾動也是造成既有路基沉降的因素之一［4-5］，因此常規(guī)的幫填方法難以保證既有線路的正常運(yùn)營及運(yùn)營安全。

為解決上述問題，需要研究新路基填筑材料和新路基結(jié)構(gòu)，其中輕質(zhì)填料用于路基填筑為解決這一問題提供了新的思路，是路基工程領(lǐng)域研究的新方向。以泡沫混凝土為代表的輕質(zhì)材料具有表觀密度低、強(qiáng)度高、便于施工等特點(diǎn)，作為幫寬路基填料應(yīng)用時可有效減輕對既有路基的側(cè)向和豎向荷載，有效控制既有路基的變形［6-7］。由于氣泡混合泡沫混凝土具有重度比一般土體小，而強(qiáng)度和變形特性可以達(dá)到甚至超過良好的土體，固化后的材料自立性好，便于施工，施工單價比EPS便宜一半以上等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于軟基上的路堤填筑、道路加寬及臺背填土等，可減輕施加于軟基的附加應(yīng)力，抑制軟基的破壞和沉降，從根本上解決線路軟基路堤中的填挖方路堤、新舊路堤及路堤與結(jié)構(gòu)物之間的差異沉降問題，減少地下結(jié)構(gòu)物所承受的土壓力，提高結(jié)構(gòu)物的使用壽命。近些年，泡沫混凝土技術(shù)是軟基處理最有效的方法之一。同時鐵路路基在應(yīng)用過程中會受到各種荷載（靜載、動載）的反復(fù)作用［8-10］，這對路基自身的長期安全穩(wěn)定性存在極大的影響，因此探究路基在荷載作用下的穩(wěn)定性對鐵路安全性意義重大。

本研究通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式將鐵路部分基床底層利用泡沫混凝土澆筑層進(jìn)行替代，對模型施加靜、動荷載，分析靜、動荷載下模型的應(yīng)力、位移及累積沉降等參數(shù)變化規(guī)律。研究成果可為泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)在高速鐵路中的長期安全應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該模型試驗(yàn)中所澆筑的模型試件如圖1所示。單組模型從下至上包括三層（表層、中層及底層），所澆筑的三組模型中僅上表層高度不一致（0.4、0.5和0.7 m），其余部分保持不變。其中表層為魯南高速鐵路過程現(xiàn)場所使用的級配碎石，中層為現(xiàn)場澆筑厚度為1 m的泡沫混凝土層，底層為A、B組填料，澆筑厚度為0.6 m，為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，三組模型所使用的原材料均保持一致。基于等比原則，試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度、寬度及高度分別取1.4、5.1 和2.0 m，在模型最上端布設(shè)混凝土加載板以施加均布載荷，其中加載板的長度、寬度及厚度分別取1、3.1和0.3 m。為了更契合工程現(xiàn)場環(huán)境，利用剛性土擋墻作為路基側(cè)方邊界條件，并在其內(nèi)側(cè)表面涂抹凡士林來模擬潤滑層。模型底部通過布設(shè)軟木板及聚苯乙烯板組合件建立耗能層，選用最優(yōu)含水率及優(yōu)質(zhì)的級配曲線碎石對A、B組填料層及級配碎石層進(jìn)行填筑，填筑振蕩壓實(shí)后對各性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，以滿足試驗(yàn)要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)加載方案

本次試驗(yàn)過程所采用的設(shè)備包括加載裝置系統(tǒng)及采集裝置系統(tǒng)，加載裝置為北京佛力公司所生成的液壓循環(huán)加載儀，可實(shí)現(xiàn)靜載、動載的反復(fù)施加。信號采集裝置為TST5916動態(tài)信號采集分析儀，其可實(shí)現(xiàn)多信號變速率采集，自身具備濾波、除雜、優(yōu)化等功能，所采集的數(shù)據(jù)多，精度高。試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

根據(jù)多處高速鐵路現(xiàn)場測試結(jié)果可知，軌道路基處表層應(yīng)力測量值在9.5～20.0 kPa之間，因此本次試驗(yàn)選用加載幅值為20.0 kPa，加載頻率為5 Hz。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知軌道路基在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時等同于列車至少循環(huán)通過200萬次，此次加載最終所選用循環(huán)加載次數(shù)為200萬次。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜力特性

當(dāng)基床表層（級配碎石層）高度分別為0.4、0.5 和0.7 m時，測點(diǎn)位置處靜態(tài)加載附加應(yīng)力值與橫向變形間的關(guān)系如圖3所示，附加應(yīng)力隨豎向深度變化如圖4所示。

由圖3可知，當(dāng)基床表層高度為0.4 m時，加載板中心位置方向不同位置處的附加應(yīng)力不同，其中級配碎石底部、泡沫混凝土底部及A、B組填料底部處附加應(yīng)力分別為9.45、8.47、8.18 kPa，加載板邊界位置正下方三個位置處附加應(yīng)力分別為8.79、6.40 、6.39 kPa，模型邊界位置正下方三個位置處附加應(yīng)力分別為0.52、4.42、5.02 kPa?；A(chǔ)板中心位置、基礎(chǔ)板邊界位置隨著測點(diǎn)位置與加載位置間距離的增大，測點(diǎn)處附加應(yīng)力值不斷減小，而模型邊界位置處級配碎石底部附加應(yīng)力最小。當(dāng)基床表層高度為0.5、0.7 m時，級配碎石底部對應(yīng)基礎(chǔ)板中心位置、基礎(chǔ)板邊界位置和模型邊界位置處附加應(yīng)力分別為9.24、8.20、0.80 kPa和8.89、7.39、1.39 kPa，基床表層高度的增大使得加載板范圍內(nèi)的豎向附加應(yīng)力值減小，而加載板范圍外的豎向附加應(yīng)力值增大。

由圖4可知，當(dāng)基床表層高度保持一致時，豎向深度的增大使得測點(diǎn)附加應(yīng)力降低，且表層高度0.2 m范圍內(nèi)應(yīng)力值變化不明顯，應(yīng)力在穿過泡沫混凝土層后降幅明顯。究其原因是混凝土基礎(chǔ)板與碎石間存在一定的剛度差距，在兩者的接觸面混凝土板產(chǎn)生部分變形使力重新分布，從而在邊界位置產(chǎn)生較大的豎向力。隨著碎石層厚度的增加應(yīng)力重新產(chǎn)生調(diào)整，使得碎石層下方應(yīng)力衰減明顯。泡沫混凝土層作為剛性板，使得附加應(yīng)力在此層衰減更為明顯。

2.2 動應(yīng)力分析

當(dāng)基床表層（級配碎石層）高度分別為0.4、0.5 和0.7 m時，測點(diǎn)位置動應(yīng)力值與加載次數(shù)的關(guān)系如圖5所示，動應(yīng)力衰減系數(shù)與深度關(guān)系如圖6所示。

由圖5可知，基床表層高度及加載次數(shù)的不同均使級配碎石內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生重分布，各測點(diǎn)在加載次數(shù)前期產(chǎn)生明顯變化，隨著加載次數(shù)的不斷增大，各測點(diǎn)應(yīng)力均逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。具體表現(xiàn)形式如下：測點(diǎn)1#處隨著加載次數(shù)的增加，測點(diǎn)處動應(yīng)力值整體呈降低趨勢；測點(diǎn)2#、3#處應(yīng)力呈先小幅上升后趨于穩(wěn)定變化的趨勢；測點(diǎn)4#、5#、6#、7#處應(yīng)力值基本保持不變。在基床表層高度為0.4、0.5和0.7 m時，基床表層內(nèi)部動應(yīng)力值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時所對應(yīng)的加載次數(shù)分別為70、90、100萬次，動應(yīng)力在級配碎石層內(nèi)部變化較為明顯，在泡沫混凝土層及A、B組填料層內(nèi)變化不明顯。

隨著測點(diǎn)深度的增加，動應(yīng)力呈不斷衰減變化趨勢，這是由于填料自身的對應(yīng)力傳播的阻尼、分散作用所致。將不同級配碎石層動應(yīng)力與深度進(jìn)行歸一化處理，得到動應(yīng)力衰減系數(shù)與測點(diǎn)深度間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著測點(diǎn)深度的不斷增加，動應(yīng)力衰減系數(shù)減小，動應(yīng)力值不斷降低。對于不同填料層其衰減速率不一致，其中基床表層高度為4 、0.5 和0.7 m時，級配碎石層底部動應(yīng)力衰減系數(shù)分別為62.4%、54.6%、46.5%，泡沫混凝土層底部動應(yīng)力衰減系數(shù)分別為40.4%、33.9%、26.5%，級配碎石層及泡沫混凝土層均存在明顯的耗能作用，且級配碎石層對動應(yīng)力的耗散程度高于泡沫混凝土層，也高于A、B組填料層。

2.3 累積沉降變化規(guī)律

高鐵運(yùn)行過程中高速鐵路路基基床會不可避免地產(chǎn)生變形沉降，沉降量的大小關(guān)乎鐵路的維修成本與安全，因此對此次模擬試驗(yàn)各測點(diǎn)累積沉降量進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)基床表層（級配碎石層）高度分別為0.4、0.5和0.7 m時，各位置累積沉降值與加載次數(shù)關(guān)系曲線如圖7所示，各位置累積沉降速率與加載次數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示。

結(jié)合圖7、8可知，三組模型中各測點(diǎn)的累積沉降量及累積沉降速率變化規(guī)律保持一致，在荷載循環(huán)作用70萬次前，各測點(diǎn)累積沉降量及累積沉降速率最大，隨著循環(huán)荷載的繼續(xù)作用，各測點(diǎn)沉降量增幅明顯降低，在加載至200萬次時各測點(diǎn)變形均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)基床表層高度（級配碎石層厚度）為0.4 m時，各測點(diǎn)累積變形穩(wěn)定時對應(yīng)級配碎石層、泡沫混凝土層及A、B組填料層累積變形量分別為0.52、0.03、0.135 mm，各填料層占模型整體變形量的75.91%、4.42%、19.67%，泡沫混凝土層在循環(huán)荷載作用下沉降變形量最小。當(dāng)基床表層高度（級配碎石層厚度）為0.5 m時，各測點(diǎn)累積變形穩(wěn)定時對應(yīng)級配碎石層、泡沫混凝土層及A、B組填料層累積變形量分別為0.62、0.025、0.14 mm，各填料層占模型整體變形量的78.98%、3.18%、17.83%；當(dāng)基床表層高度（級配碎石層厚度）為0.4 m時，各測點(diǎn)累積變形穩(wěn)定時對應(yīng)級配碎石層、泡沫混凝土層及A、B組填料層累積變形量分別為0.74、0.034、0.12 mm，各填料層分別占模型整體變形量的82.77%、3.80%、13.42%，級配碎石層厚度的增加使得模型整體沉降量增大，且級配碎石層沉降變形量占比最大，而泡沫混凝土層沉降變形量始終是最小的。由此可知，在上部動應(yīng)力作用下，級配碎石作為基床填料會產(chǎn)生較大的變形，而泡沫混凝土作為填料會極大減小基床的沉降變形量，則采用泡沫混凝土代替部分級配碎石作為基床填料將極大減小路基基床沉降量，保證鐵路路基基床的安全性。

3 結(jié)論

①路基基床表層高度一致時，靜載作用下隨著測點(diǎn)與加載點(diǎn)水平、豎直距離的增大，測點(diǎn)處附加應(yīng)力值不斷減小，且在穿過泡沫混凝土層時應(yīng)力降幅明顯。

②測點(diǎn)深度的增加使得測點(diǎn)處動應(yīng)力衰減系數(shù)減小，動應(yīng)力值不斷降低。級配碎石層及泡沫混凝土層均存在明顯的耗能作用，且級配碎石層對動應(yīng)力的耗散程度高于泡沫混凝土層，也高于A、B組填料層。

③泡沫混凝土作為整體澆筑填料，在上部動應(yīng)力的作用下，未產(chǎn)生較大的塑性變形，變形主要由級配碎石層產(chǎn)生，因此荷載作用下泡沫混凝土路基結(jié)構(gòu)具備良好的減力、耗能及抗變形性能。

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