膨胀土路堑全封闭基床结构型式及其动力模型试验

杨果林， 王亮亮,2

(1. 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院， 江苏 徐州 221008)

随着铁路列车速度不断提高，列车运行的平稳性、安全性和舒适性受轨下基础的支撑刚度、动力稳定性、动静变形特点等的影响愈加显著。 1961年Filippov[1]首次对移动列车-轨道-地基系统的振动特性进行了研究，随后一些学者建立了各种轨道-地基系统模型[2-5]，研究轨下基础的动力响应。这些理论分析模型均假定轨下基础是各向同性的弹性连续介质，与实际基床填料的离散性、各向异性特点不符，使得研究结果精度受到限制。为研究道砟颗粒之间的相互作用，Suiker等[6]分析了刚性基础上的离散体的动力响应；随着数值模拟技术的发展，Galvín[7]利用边界元法(BEM)建立了三维模型，对高速移动荷载引起的地面振动进行了模拟分析；Hall[8]利用有限元法建立模型，通过使材料剪切模量不断衰减研究剪应变的变化；Oscarsson[9]进行了基于随机模型的研究工作。上述研究工作从不同角度分析了列车速度与基础动力响应之间的关系，推动了高速铁路基床结构设计的不断发展。

翟婉明等[10]运用车辆-轨道耦合动力学理论,首次研究了轨道结构各部件刚度对列车走行性能的影响规律；赫丹、向俊等[11-12]对板式轨道的动力响应进行了理论分析。研究表明，列车-板式轨道系统的动力响应随线路不平顺性幅值的增大而增大，动力响应增大加快轨道板疲劳破坏[13]，增加对路基的冲击动力响应，使路基状况进一步恶化[14]。基床是路基中受列车动力作用最显著的部分，基床的长期动力稳定性是保证列车高速平稳运行的关键。张千里等[15]根据基床中的应力传播和变形特点，提出了采用应变控制进行基床结构设计的方法；刘晓红等[16]从动强度和动变形两方面研究了基床的长期动力稳定性；边学成等[17]通过理论和模型试验，对基床和地基各部分产生的累积变形特征和比例进行了研究，结果表明路基长期变形中基床部分占的比例很小，长期沉降主要来自地基土体，地基沉降与上覆荷载大小，特别是循环动力荷载作用强度有关。由于铁路沿线地形地貌、水文地质、岩(土)体分布等复杂多变，不同地基土抵抗循环动力荷载作用的能力不同，如果采用统一的基床结构，既不经济也不具备技术可行性[15]。因此，必须针对具体的工程地质条件进行相应的基床结构设计。

新建云桂铁路南宁-百色段存在大量膨胀土(岩)路基，部分区段地基膨胀土成坚硬状态，承载力较高。采用有效的治理措施，充分利用膨胀土的高承载力，减小基床换填厚度，具有重要的经济意义。目前膨胀土处治方法主要有膨胀土改良[18]、非膨胀土包边[19]、换填和土工布隔水[20]等。上述方法在膨胀土公路路基和边坡处治中应用较广，效果良好。铁路列车荷载大、运行密度高，特别是高速铁路对线路的工后变形要求严格，现有方法是否可以有效的进行膨胀土高速铁路基床处治尚有待进一步研究。本文结合高速铁路基床动力响应特点、国内外基床结构设计经验、既有线南昆铁路基床病害调研结果以及膨胀土特性等，开展新型膨胀土路堑全封闭基床结构设计研究，在室内进行足尺模型激振试验，获取新型基床结构的动力态特性。

1 全封闭基床结构设计

1.1 基本思路

(1) 根据Boussinesq理论计算的基床中动应力分布规律和基床表层受力特点[13-15]，决定基床表层采用0.7 m厚的级配碎石；

(2) 防排水结构层设计研发；

(3) 确定防排水结构层设置位置和基床底层厚度。

1.2 防排水结构层需要解决的主要问题

(1) 具有良好的隔水效果；

(2) 具有足够的刚度和抗裂性。因为造成基底膨胀土产生膨胀变形的水分并非完全是来自地表水和降雨，还有气候环境变化引起的区域土体含水率波动，后者诱发的胀缩变形具有幅度小、不均匀性、周期长等特点，因此应在基底上方设置具有一定刚度的结构层来协调基底膨胀土的不均匀小幅胀缩变形，同时结构层还需要具备一定的变形能力，避免开裂；

(3) 防水层与接触柱以及其他线路附属结构物的接触缝处理。

按照上述要求，在广泛调研和大量室内试验的基础上，研发了改性水泥基半刚性防水复合材料，其基本成分为胶凝组分、弹性组分、河砂(细度模数2.6)、膨胀土(最大颗粒不大于15 mm)，材料的基本力学参数见表1。

表1 防水材料基本力学性质

1.3 防排水结构层设置位置

研究表明，当基床表层的刚度达到一定值后，再进一步增大时对路基的整体支撑刚度影响不大，而增加基床底层刚度能明显改善路基面的支撑刚度[21]。所以，考虑半刚性防排水层作为基床底层的一部分。半刚性防排水结构层能够增加线路的平顺性和整体性，减小轮轨冲击力，降低基床中的动应力[22]。因此，将半刚性防排水结构层布置于基床表层底面。

1.4 防排水层下基床底层厚度确定

根据文献[23]条文说明第4.3.1，列车设计轴重取200 kN，路基设计动应力幅值为98.8 kPa，按动应力与自重应力比取0.2 m为基床厚度，经计算基床厚度约为2.0 m，其中基床表层0.7 m，基床底层1.3 m。根据Odemark模量与厚度当量假定，将0.2 m厚的半刚性防排水结构层换算成等效基床底层厚度[15]

( 1 )

式中：E为半刚性防排水结构层模量；E0为基床底层的模量，按E0=0.23K30计算[15]，基床底层填料按改良细粒土考虑，K30取110 kPa。

经式( 1 )换算后，相当于0.7 m厚的基床底层。防排水结构层下基床底层厚度设置为0.6 m。

2 模型试验简介

根据高速铁路双线路堑基床的对称性，取其一侧在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室内进行1∶1足尺路基模型试验。模型箱为钢结构长方形箱体，长×宽×高为9.2 m×2 m×4.6 m。地基土为取自云桂高铁中强膨胀土路堑工点的膨胀土，其基本力学指标见表2。路基填筑均按照文献[23]的要求建设完成，模型具体尺寸及元器件布置图见图1。采用MTS伺服激振器模拟列车荷载，激振频率采用时速250 km/h时列车的基频[24]4 Hz，在干燥服役环境下共激振100万次，动轴力幅值[23]为380 kN，按正弦波形加载。监测元器件列表见表3。

表2 膨胀土基本物理性质

含水率/%密度/(g·cm-3)土粒比重液限/%塑限/%自由膨胀率/%14．21．9～2．11．843．520．569．0～77．2

表3 监测元器件一览表

3 试验结果分析

3.1 动应力变化规律

图2为基床横断面上不同位置动应力时程曲线。从图2可知，基床表层表面的动应力波动性较小，防排水结构层下方动应力波动性明显增大，随着深度的增加，动应力在激振过程中的波动幅度也进一步增大；基床表层表面最大动应力位于钢轨正下方，动应力变化区间为20.04～24.85 kPa；中线侧1.7 m外基床动应力基本小于5 kPa，基床受激振荷载影响的主要区域为中线位置至中线侧1.7 m。

对中线位置和钢轨正下方各监测点的动应力进行数理统计，利用统计均值分析动应力沿深度的衰减规律，见图3。由图3可知，随着深度增加，动应力呈指数型衰减，衰减规律与文献[25-26]的现场监测结果相似，基床表层范围内动应力的衰减幅度明显小于后者；防排水结构层和基床表层范围内动应力的衰减系数为57.8%～63.4%；基床底层底面位置(即路基面下1.5 m深处)动应力衰减为基床表面的38.4%～41.3%。

3.2 基床振动速度变化规律

图4为基床不同位置的振动速度与振动次数的关系曲线。由图4可知，半刚性防排水结构层对基床不同位置振动速度波动性的影响与动应力相似，防排水层上方振动速度在激振全过程中的整体波动性小，下方波动性增大；最大振动速度位于基床表层表面钢轨正下方，振动速度变化区间为8.84～10.94 mm/s，防排水结构层下方振动速度衰减为6.60～8.38 mm/s，减小约19.12%；中线位置基床表面下2.21 m深处振动速度衰减为1.72～3.15 mm/s。

图5为基床中线、钢轨正下方和中线侧1.7 m位置振动速度沿深度的衰减曲线。由图5可知，3个位置竖直剖面上振动速度沿深度的衰减曲线相似，振动速度衰减梯度沿深度的增加而增大，呈二次曲线型。

3.3 振动加速度变化规律

图6为基床不同位置的加速度随振动次数的变化曲线。由图6可知，基床范围内各监测点加速度在激振初期有小幅波动，20万次以后基本保持稳定。

对基床中线、钢轨正下方和中线侧1.7 m位置等3个竖向剖面上的振动加速度稳定阶段监测数据进行统计，绘制加速度沿深度方向的衰减曲线，见图7。由图7可知，与振动速度沿深度的衰减规律相似，振动加速度随深度增加而逐渐减小，衰减梯度随深度的增加而增大，其中基床表层 (含0.2 m防排水结构层)、基床底层、基底0.7 m厚膨胀土中加速度衰减量分别为0.02、0.04、0.05 m/s2；衰减曲线呈二次曲线型。

3.4 基床表面动变形

利用Coinv DASP V10软件中的波形全程微积分转换模块对速度监测数据进行全程积分转换，得到相应的动变形。图8为基床表层表面不同位置处的动变形。由图8可知，振动初期基床表面动变形变化幅大，主要是基床在激振荷载作用下产生压缩变形、填料颗粒位置调整以及监测元器件与基床变形耦合等造成的；随着振动次数的增加，约10万次以后，基床表面动变形逐渐趋于稳定；最大动变形位于钢轨正下方，约0.38 mm，小于国内外高速铁路路基面实测动变形值1 mm。

4 结论

(1) 半刚性防排水结构层对动应力沿深度的衰减规律具有一定影响，动应力沿深度呈指数型衰减。

(2) 半刚性防排水结构层对振动速度和振动加速度的衰减规律有显著影响。随着深度的增加，振动速度和振动加速度衰减梯度逐渐增大，衰减曲线均呈二次曲线型。

(3) 铺设半刚性防排水结构层能有效降低基床表面动应力、振动速度和振动加速度的波动性，增加线路的平顺性。

(4) 在干燥服役环境下，新型全封闭基床结构的动力响应能够满足高速铁路对基床各向动力指标的要求，验证了基床结构设计的合理性和可行性。

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