高速铁路新型路基材料的动响应减振研究

周 平， 王志杰， 张家瑞， 徐海岩， 赵启超， 刘川昆

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室 土木工程学院，成都 610031)

高速铁路新型路基材料的动响应减振研究

周 平， 王志杰， 张家瑞， 徐海岩， 赵启超， 刘川昆

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室 土木工程学院，成都 610031)

泡沫轻质土在公路路基上应用广泛，但尚未在高速铁路路基上应用。提出一种泡沫轻质土的高速铁路新型减振路基材料。通过对其密度，强度，应力应变特性进行深入探究，结合单轴压缩试验，研究不同养护龄期下的泡沫轻质土湿密度对抗压强度的影响。采用有限元软件建立传统材料和新型材料下的高速铁路路基模型，通过室内试验和资料调研得到材料参数，梁-弹性半空间模型模拟列车移动荷载，并将泡沫轻质土与传统路基材料在高速铁路路基上应用时分别产生的动响应进行对比研究。结果表明，泡沫轻质土的抗压强度与湿密度之间具有良好的相关性，抗压强度随着养护龄期的增长而增大，且早期增长较快，后期增速逐渐降低。相对于传统路基，新型路基基床表层、基床填土和地基基础的动应力都有一定程度的减弱，其中基床表层和基床填土的减振能力最为明显，消减幅度分别为3.75 kPa和2 kPa，地基基础相对减振0.78 kPa。但在基床底层减振方面，传统路基材料反而比新型路基材料在基床底层上减振3.5 kPa，故不建议将新型材料应用于基床底层。综上，泡沫轻质土在高速铁路路基领域具备很大的发展潜力，研究成果可为高速铁路路基的进一步减振研究提供参考。

路基；泡沫轻质土；湿密度；动应力；减振

早在上世纪，日本在工程填土领域上开始应用了新型轻质土材料，特别在高速公路交通领域，日本在建设横滨市内的公路桥维修工程中首次将其作为填充材料进行施工，并在后期的监测中发现效果良好[1]。由此日本将其作为工程材料领域中一大突破，并且将其大量运用在公路路基等相关领域[2]。而我国由于引进泡沫轻质土技术的时间较晚，并且消化吸收较慢，技术不成熟，材料本身经济性不如传统路基材料等原因，泡沫轻质土在国内发展相对迟缓，近些年才在相关工程领域推广[3-4]，目前在北京，广州，上海等城市的公路，机场等工程领域得到应用。

国内外学者对泡沫轻质土也进行了相关研究，Yasuhara等[5]得出泡沫轻质土具有密度小、压缩模量大的特点，可以减小地基沉降，也能降低路基自身沉降，为工程沉降提供了新的途径。盛斌[6]在特殊公路段施工中运用了泡沫水泥轻质土，对公路的桥头、路基、扩幅等进行研究，得到效果良好。邵建惠等[7]结合工程验证泡沫轻质土在工程桥头地基处理中的适用性。刘元炜等[8-9]主要将泡沫轻质土运用在公路路基等领域，但在高速铁路路基应用上基本空白。

高速铁路速度快，振动力大，动车平稳快速运行对高速路基提出更高的要求[10]。本文通过理论分析，模型试验以及数值模拟研究以泡沫轻质土为主的高速铁路新型路基材料减振能力，以期为高速铁路的快速发展提供理论参考。

1 泡沫轻质土的特性

1.1 密度特性

泡沫轻质土的表观密度，与其它建筑材料如混凝土相比，一方面显示出较明显的轻质性，另一方面，可根据工程需要在大范围内进行调整。试验和实际工程常用的密度范围为400～1 300 kg/m3。

表1 表观密度比较

1.2 强度特性

图1为气泡率与抗压强度试验，泡沫轻质土的抗压强度随着气泡率的增加而逐渐降低，但气泡率相同的条件下，其强度随着砂的含有率越大反而越低。所以配合比对泡沫轻质土的强度影响较大，在今后工程领域里的泡沫轻质土的运用需要对配合比进行调试。

图1 气泡含有率与抗压强度关系

1.3 应力应变特性

图2为泡沫轻质土的应变与应力关系，由图可得到，在脆性破坏前，应力与应变呈现较好的线弹性关系，效果良好。在破坏阶段，由于内部气孔被挤压轴压力急剧下降，下降到一定位置趋势变缓慢，是由于内部气孔压缩完后变成整体。从图中也可以看出整体泡沫轻质土的无侧限破坏特性主要为脆性破坏。

图2 轴应变与轴应力关系

2 单轴压缩试验研究

2.1 工况和试验结果

上文可得到配合比对泡沫轻质土的强度影响较大，本文探究不同养护龄期下湿密度的差异对泡轻质土抗压性能的影响。

本文采用微机控制电子万能试验机，对湿密度分别为400 kg/m3，700 kg/m3和1 000 kg/m3的复合发泡剂泡沫轻质混凝土试样进行室内单轴压缩试验。为了尽量减小外部环境因素差异对结果的影响，对同一密度的试样采用一次性浇筑完成，浇筑完成后，需人工振捣均匀，使浆液均匀填充到模具的各个角落，并防止浆液中存在过大的气泡，将一层塑料薄膜覆盖在材料表面。试件静置于实验室中24 h后，刮除模具外面残余的泡沫混凝土，脱去模具并移动至标准养护室进行规定龄期，确保不同密度的试样在相同条件下养护。

分别对其3 d，7 d，14 d，28 d 的试样进行单轴压缩试验，其中每组试验有3个试样，为减少误差，取其平均值作为结果。工况设置和试验结果如表2和3所示。

表2 工况设置

表3 不同养护龄期的试验结果

2.2 试验分析

图3为泡沫轻质混凝土抗压强度与养护龄期的关系曲线。从图中的趋势可以得出湿密度越大，养护后的抗压强度越大，1 000 kg/m3的抗压强度比700 kg/m3高一倍多。不同湿密度泡沫轻质混凝土试样的抗压强度随着养护龄期的增长而增大，且早期增长较快，后期增速逐渐降低。由于养护龄期越长，泡沫轻质土里面的间隙越坚固，不易受到挤压破坏，整体效果好。泡沫混凝土在破坏前一段时间，由于轻质土里含有大量空隙，空隙与空隙之间存在一部分的应力，可抵抗一部分负荷，延长破坏时间。屈服后的试样没有发生完全破坏而是保持一个完整的整体，还能承担一定的负荷，它对荷载具有一定的缓冲作用。湿密度较低的试样在进行单轴压缩试验时，试样破坏的时间较早，内部间隙互相连接不够紧质，受到微小荷载容易发生多处裂缝，裂缝与裂缝形成破坏的节理，从而导致受荷初期整体失稳状态。

图3 抗压强度与养护龄期的关系曲线

3 动应力性能对比分析

高速铁路对路基提出很高的要求：刚度大、强度高、耐久性和稳定性好、不易变形、纵向变化均匀或变化缓慢[11]。目前泡沫轻质土在高速铁路路基上的应用空白。若泡沫轻质土在高速铁路路基的研究与应用，将会成为提高高速铁路路基抗振强度的一大重要举措，为研究高速铁路路基新型材料提供思路。

3.1 三维有限元模型及计算参数

3.1.1 模型的结构形式

高速铁路轨道结构主要有有砟轨道和无砟轨道两种类型[12]。有砟轨道是铁路的传统结构，具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点[13]。但是，有砟轨道在列车荷载反复作用下轨道残余变形累积很快，且沿轨道纵向分布不均匀，导致轨道高低不平顺，维护工作量显著增加，我国在高速铁路里大都采用无砟轨道。

本文有限元模型以普通板式无砟轨道为原型进行分析计算。路基动力数值模拟模型的尺寸参考《京沪高速铁路设计暂行规定》中单线标准高速铁路5 m高路堤路基断面图，确定有限元仿真路基横断面尺寸。

对于路基系统，采用有限元方法进行分析时，应截取一个合理的范围建立有限元模型。同时考虑到计算成本，经过试算比较，在保证计算精度的前提下，本文路基长度取为48 m，网格划分后如图4所示。模型两横断面约束z向位移，左右两地基纵断面约束x向位移，地基底面采用全约束。考虑到钢轨、扣件、轨道板、砂浆垫层和支承层等上部结构对荷载起到分配作用，因此建立出轨道等上部结构。

图4 有限元网格划分图

3.1.2 计算参数

对于传统的高速铁路无砟轨道土质路基，基床表层采用合理级配的硬质碎石道砟或级配砂砾石层，基床底层为换填A，B填料层，将路基及以下结构视为弹塑性材料，路基各层和地基采用摩尔—库伦材料模型[14]。

对于本文所研究的高速铁路新型路基，参考室内试验数据和调研资料，选取轨道-路基结构各部分材料的计算参数。

相关数值计算的主要参数见表4。

表4 计算参数

3.1.3 移动荷载模拟

轨道板、CA砂浆层、混凝土承载层、路基各层及地基采用三维实体单元SOLID45单元模拟；钢轨采用BEAM188梁单元模拟，将钢轨与轨道板之间的扣件和轨下胶垫系统视为弹簧一阻尼结构，采用弹簧一阻尼单元COMBIN14来模拟，钢轨单元作为连续梁通过弹簧一阻尼单元支撑在轨道板实体单元上[15]。扣件和轨下胶垫系统的等效刚度为6×107N/m，阻尼系数为2.5×104N·s/m。

3.1.4 荷载作用方式

由于研究的主要对象是路基结构，故不考虑轨道不平顺、车轮偏心、扁疤等各种复杂因素引起的列车荷载的变化，将车轮荷载简化为匀速移动恒力[16]，构建梁-弹性半空间模型，如图5和图6所示。将轴重为170 kN、运行速度为350 km/h 的列车移动荷载作用于有限元模型，如图7所示。

图5 梁-弹性半空间模型示意图

图6 模拟移动荷载示意图

图7 移动荷载模拟

3.2 高速铁路路基动响应分析

3.2.1 传统路基动力响应分析

通过有限元计算，可以得到路基的应力云图，如图8所示。

(a)(b)

图8 传统路基材料基床表层和底层横截面应力云图

Fig.8 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in traditional subgrade material

由图8可知，在接近荷载作用处的位置，单元应力较大，选取各位置的单元，可以得到传统路基材料的基床表层、基床底层、基床填土和地基基础的等效应力时程曲线，如图9～图13所示。由结果可知，基床表层动应力在整个高速铁路路基中峰值最大，最大峰值可达到20.68 kPa，其次为基床底层、基床填土以及地基基础。高速铁路荷载引起的路基动应力主要以压应力为主的循坏应力，在荷载作用范围一定的条件下，应力随着路基深度的增大而减小，不同的路基位置所引起的动应力变化规律不同，特别是在路基的不同深处，应力峰值出现时间有明显的差异，但其总体表现较为一致，动应力数值演变从低处一直到达一定峰值，而后一直下降到稳定在一定数值附近。

图9 传统路基基床表层

图10 传统路基基床底层

图11 传统路基基床填土

图12 传统路基地基基础

3.2.2 泡沫轻质土新型路基动力响应分析

通过有限元计算，可以得到路基的应力云图，如图14所示。

图13 传统路基材料的动应力时程曲线

(a)(b)

图14 新型路基材料基床表层和底层横截面应力云图

Fig.14 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in new-type subgrade

由图可知，在接近荷载作用处的位置，单元应力较大，选取各位置的单元，可以得到新型路基材料的基床表层、基床底层、基床填土和地基基础的等效应力时程曲线，如图15～图19所示。由于泡沫轻质土材料的特殊性，泡沫轻质土作为高速铁路路基上的基床底层的动应力分布规律与基床表层的相似，峰值最高相差1.11 kPa。基床填土和地基基础的动应力变化与传统路基上的变化规律类似，随着路基的深度不断变大，动应力影响范围以及强度不断减小，故基床填土和地基基础的峰值均小于基床表层和基础地层。

图15 新型路基基床表层

图16 新型路基基床底层

图17 新型路基基床填土

图18 新型路基地基基础

图19 新型路基材料的动应力时程曲线

3.3 动应力对比分析

对两种路基模型综合分析，对比两种路基在基床表层、基床底层、基床填土和地基基础的动应力时程曲线，如图20～图23所示。由图可知，新型路基相对于传统路基，其基床表层、基床填土和地基基础的动应力都有一定程度的减弱，其中基床表层和基床填土的减振能力最为明显，消减幅度分别为3.75 kPa和2 kPa，地基基础相对减振增加0.78 kPa。由此可得到新型路基材料在基床表层、填土以及基础上相对于传统路基动应力要弱些，抗振动力能力强。但在基床底层中，泡沫轻质土新型路基材料相对传统路基材料的动应力影响大，抗振能力差，传统路基材料反而比新型路基材料在基床底层上减振3.5 kPa。基床上部由基床底层和基床表层组成，是铁路路基的关键部位，应具有较大的刚度和强度，以承受长期重复的列车动荷载作用。由表4计算参数可得到，表层厚度为0.7 m，底层厚度为2.3 m。在基床底层位置上，传统路基材料的弹性模量为120 MPa，而通过试验得到的泡沫轻质土的弹性模量比传统路基的要大，并且由于基床底层整体厚度大，整体刚度强，所以动应力相对比传统路基材料要大，减振能力相对没有优势。因此，采用泡沫轻质土作为基床表层、填土以及地基基础的新型填料，能够有效改善路基在高速列车荷载下的力学响应，该种材料在高速铁路路基领域具备很大的发展潜力，但不建议其在基床底层的应用。

图20 基床表层动应力对比时程曲线

Fig.20 Comparative time travel curve in dynamic stress of the surface layer of subgrade bed

图21 基床底层动应力对比时程曲线

Fig.21 Comparative time travel curve in dynamic stress of the substrate layer of subgrade bed

图22 基床填土动应力对比时程曲线

Fig.22 Comparative time travel curve in dynamic stress of the filling of subgrade bed

图23 地基基础动应力对比时程曲线

Fig.23 Comparative time travel curve in dynamic stress of the foundation of subgrade bed

3.4 减振吸能机理分析

图24为新型路基材料相对传统路基材料的抗振能力。由结果可以明显得到除基床底层外，新型路基材料在路基基床表层、填土以及路基基础上表现出较强的抗振能力。由此可得到新型泡沫轻质土在路基大部分位置上表现出良好的抗振效果，尤其在基床表层和填土上效果较好，抗振能力达到3.75 kPa和2 kPa。从抗振能力效果上也可反馈出该泡沫新型材料在高速铁路路基领域具备很大的发展潜力。

图24 减振能力

从室内试验可以看出湿密度越大，其承受的负荷越大，所以泡沫轻质土的湿密度影响着其抗压强度，在实际工程中应考虑到承受荷载和成本之间的关系。泡沫轻质土抗压强度与湿密度之间具有良好的相关性。即在组成、配比和制备工艺相同的前提下，泡沫混凝土抗压强度与湿密度基本是一一对应。通过改变泡沫混凝土湿密度，进而控制泡沫混凝土绝干密度，从而达到控制泡沫混凝土抗压强度的目的。

内部机理如图25所示，泡沫混凝土高速铁路新型路基材料由于内部空隙内壁形成网状结构，整体结构提供拉拔荷载，且增大混凝土振动时的拉完压极限强度。内部空隙不仅起到抗压强度，还有效分散集中荷载，承载面积变大，吸能能力提高。正式因为泡沫轻质土有许多孔壁较薄的微小蜂窝状气孔，气孔的孔壁厚度小于气孔的直径，在发生荷载应力作用下，气孔发生坍塌而导致破坏，但在破坏的过程中，发生了较大的变形而吸收了大量的能量。气孔的孔壁塑性变形主要用于吸收应力波的挤压能量。在挤压粉碎时能够吸收振动动能，虽然泡沫轻质土的强度较低，但其整体性好，能在荷载作用下整体不易破坏的特点，可以有效分散集中荷载，承载面积大大提高，总吸能性能不断提高。在静定压力作用下试样体积压缩明显，但屈服后的试样没有发生整体破坏而是保持一个完整的整体，这表明研制得到的泡沫混凝土具有良好的变形能力与延性，并且在破坏后，泡沫轻质土能够起到动力振动缓冲作用。

图25 内部机理

4 结 论

提出一种新型高速铁路路基材料，进行了理论分析，室内试验和数值模拟，得到以下结论：

(1) 对泡沫轻质土的密度特性、强度特性和应力应变特性进行研究，泡沫轻质土在基础力学性能优于普通混凝土，尤其表现为轻质高强。

(2) 试验表明，湿密度越大，养护后的抗压强度越大，1 000 kg/m3的抗压强度比700 kg/m3高一倍多。不同湿密度泡沫轻质混凝土试样的抗压强度随着养护龄期的增长而增大，且早期增长较快，后期增速逐渐降低。由于养护龄期越长，泡沫轻质土里面的间隙越坚固，不易受到挤压破坏，整体效果好，具有一定地抗振的作用。

(3) 新型路基相对于传统路基，其基床表层、基床填土和地基基础的动应力都有一定程度的减弱，其中基床表层和基床填土的减振能力最为明显，消减幅度分别为3.75 kPa和2 kPa，地基基础相对减振增加0.78 kPa。新型路基材料在基床表层、填土以及基础上相对于传统路基动应力要小，抗振动力能力强。但在基床底层中，泡沫轻质土新型路基材料相对传统路基材料的动应力影响大，抗振能力差，传统路基材料反而比新型路基材料在基床底层上减振3.5 kPa。

(4) 从机理上分析可得到泡沫混凝土高速铁路新型路基材料内部空隙薄壁形成网状结构，整体结构提供拉拔荷载，且增大混凝土振动时的拉完压极限强度。内部空隙不仅起到抗压强度，还有效分散集中荷载，承载面积变大，在发生荷载应力作用下，气孔发生坍塌而导致破坏，发生较大的变形而吸收了大量的能量。

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Vibration reduction effects of new-type roadbed material of high-speed railway

ZHOU Ping, WANG Zhijie, ZHANG Jiarui, XU Haiyan, ZHAO Qichao, LIU Chuankun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Foam light soil is widely applied in highway subgrade, but not in high speed railway subgrade. Here, a new-type anti-vibration roadbed material of foam light soil was proposed to be applied in high speed railway subgrade. The influences of wet density of foam light soil on its compressive strength were studied under different curing periods through deeply studying its density, strength and stress-strain characteristics combined with its uniaxial compression tests. The traditional and new-type high speed railway subgrade models were established by using FE software, the material parameters were obtained with laboratory tests and data investigation. The train moving loads were simulated with a beam-elastic half-space model, and a comparative study was conducted for dynamic responses of foam light soil and traditional roadbed material applied in high speed railway subgrade, respectively. The results showed that there is a good correlation between wet density and compressive strength of foam light soil; foam light soil’s compressive strength increases with increase in its curing period, its compressive strength increasing rate is larger firstly, then smaller; compared with those of the traditional subgrade, dynamic stresses of surface layer, filling, and foundation of the new type subgrade decrease to a certain extent, the vibration reduction capabilities of surface layer and filling of the new type subgrade are bigger obviously, their vibration reduction amplitudes are 3.75 kPa and 2 kPa, respectively, the vibration reduction amplitude of the subgrade foundation is 0.78 kPa; but, the vibration reduction amplitude of the traditional roadbed is bigger than that of the new-type one by 3.5 kPa, so foam light soil is not recommended to be applied in the bottom layer of subgrade; generally speaking, foam light soil has a great potential in the field of high speed railway subgrade, the results can provide a reference for studying the further vibration reduction of high-speed railway subgrade.

subgrade; foam light soil; wet density; dynamic stress; vibration reduction

铁道部科技研究开发计划重大课题(2009GB20-B)；中央高校基本科研业务专项资金(SWJTU11ZT33)；教育部创新团队发展计划(IRT0955)；交通运输部西部科技(2013318J13340)

2016-03-09 修改稿收到日期：2016-05-25

周平 男，硕士，1991年生

王志杰 男，硕士，教授，1964年生

U213

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.13.036