高速铁路模块式加筋土挡墙动态行为分析

黄作明

摘 要：文章以实际工程为例，开展了加筋土挡墙现场激振试验，对加筋土挡墙路基结构进行了系统的研究，深入认识模块式加筋土挡墙结构的动态行为，总结模块式加筋土挡墙路基内部的加速度、动位移、动应力的分布规律，以为高速铁路模块式加筋土挡墙设计和施工提供重要的数据来源。

关键词：高速铁路 模块式加筋土挡墙 现场激振试验

1.挡墙工点概况

加筋土挡墙试验段里程位于荣成站DK315+885～DK316+179.36断面两侧，左、右侧DK315+885～DK316+101段采用模块式加筋土挡墙。模块式预制块尺寸為0.5×0.3×0.3m，模块采用C30混凝土预制，坡率为1：0.05。

DK315+913右侧断面：挡墙高度为7.95m；自基础顶面以上铺设28层格栅，其中自下而上1～3层格栅型号是HDPE170R单向格栅，长8.0m，层间距0.3m；4～28层格栅型号是HDPE130R单向格栅，长8.0～10.5m，层间距0.3m。

2.试验加载方案设计

2.1激振设备的选择

试验采用原位激振试验系统（DTS-1），由电气系统、传动系统、激振器、振动架、油路循环和信号检测等组成，利用两传动轴以一样的速度反向转动在水平方向产生的合力为零的原理，在垂直方向上产生的合力是即为激振力。

2.2激振频率的确定

移动列车荷载通过钢轨、轨枕将动荷载传递至路基的表面，列车荷载产生的正弦式基频对路基面影响最大，故本次试验应用正弦波加载。青荣城际铁路设计时速为250km·h-1。有研究表明路基内部的动力时程曲线峰值与转向架是相对应的，但随着荷载向下的传递，荷载的影响相互叠加，路基内的动应力时程曲线一个周期与前后两车的相邻转向架长度相对应，试验时取激振频率为13Hz。

2.3激振荷载的确定

（1）道床内部应力分布

根据我国高铁规范中给出了时速200～250km·h-1正线有砟轨道铺设Ⅲ型混凝土轨枕，每根轨枕长2.6m，底面宽度为0.32m。

（2）路基面设计应力幅值

根据《高速铁路工程测量规范》（TB 10601-2009），动应力幅值计算见式（1）。

（3）激振设备混凝土板设计

为了满足上述路基面的设计动应力，综合考虑激振设备的稳定性、激振器的加载参数、现场设备的吊装及混凝土板中的构造筋的铺设等因素，最终拟定混凝土块的尺寸为2.6×2.6×0.3m。

（4）路基面实际动应力参数

在确定激振设备及混凝土配重后，现场实际取值计算得试验系统总静重为1 5 0. 8 9k N。对应加载频率1 3 H z，最大激振力为30.50k N，施加到路基面上的最大动应力为8 0. 6 2 k P a，最小动应力为5 3 . 5 0 k P a，动应力幅值13.56kPa。本试验激振位置在加筋体的顶面，其设计上部还有基床强化层和道砟。

3.试验结果及分析

3.1动应力分析

动应力能反映出列车通过时加筋土挡墙路基内部的动力作用大小，体现出列车动荷载在加筋体内部的传递机制，影响路基的稳定性和永久变形大小。

（1）竖向动土应力随激振次数变化分析。①随激振次数的增加靠近激振点附近的动压力有微小的波动，中下部竖向动土压力值大小无明显变化，挡墙在长期循环荷载作用下表现出了较好的稳定性、适应性。②挡墙内部各层的竖向动土压力存在一定的差异，上部受波动较大施工时要加强挡墙上部的施工质量，提高挡墙加筋填料的压实度，提高挡墙整体刚度，保证挡墙在较高的动力下保持稳定。

（2）水平动土应力随激振次数变化分析。①加筋土挡墙路基内部水平动土压力随加载次数的增加而略有减小并趋于稳定，原因是挡墙的面板因振动发生了背离土体的移动，使水平动土压力部分得到释放，随着激振次数的增加筋材与土体之间的相互作用也进一步增强，加筋体逐渐达到密实，刚度逐渐增加，整体性趋于稳定，水平动土压力保持不变。②实测最大水平动土压力位于墙高6m处，其值约为4.96kPa，约占顶面最大竖向动土压力的7.0%，面板实际受到的水平动土压力已经很小，说明筋材的铺设给路基提供了一定的侧向约束，承担了部分墙面板受到的水平动土压力，由于筋材与土体形成复合体使动力向下的扩散角变大，影响深度减小，造成挡墙上部受水平动应力较大。

（3）竖向动土压力沿墙高的衰减。①加筋挡墙内部的竖向动土压力在挡墙内部距离激振顶面深度2.4m范围内衰减较快，2.4m以下竖向动土压力衰减缓慢。②在加筋挡墙路基内部距激振荷载作用点下2.4m处，竖向动土压力衰减了78～81%，说明筋材与土体之间的摩擦、嵌固作用消耗了大部分动应力，同时加筋体的形成使路基的承载面积变大，弱化了剪切作用力，均化了动应力，使动应力传播深度减小衰减速率变慢。

（4）水平动土压力沿墙高的衰减。墙背处水平动土压力基本呈线性衰减，从挡墙路基深2.4～3.6m处水平动土压力衰减了约54%，表明加筋挡墙在中上部墙背处水平动土压力较大，是较容易发生挡墙面板破坏的位置。

3.2加速度分析

路基内部的振动加速度的大小是评价振动荷载对路基结构及上部轨道结构破坏作用的重要参数，振动加速度随加载次数的变化规律描绘了加筋土挡墙路基的稳定性。

（1）加速度随加载次数的变化分析。随加载次数的增加加速度响应大小无明显波动，加筋土挡墙路基内部振动加速度均<5m·s-2，这是由于随着激振次数的增加，筋材与土体之间的摩擦和嵌固作用增强，本身刚度较大的加筋体刚度进一步增加，挡墙整体性增强，随着加筋体刚度的增加加速度响应会减小，加筋体挡墙的本身刚度较大，在200万次激振荷载作用下表现出了良好的长期动力稳定性。

（2）加速度沿墙高的衰减规律。①竖向加速度峰值沿墙高呈指数型衰减，且上部衰减速率大于挡墙路基下部。这是由于加筋体的几何效应与材料的阻尼作用使动态响应逐渐减弱，同时挡墙刚度随深度增加逐渐增大，刚度增加使挡墙下部加速度响应变小。②从数值上来看在墙深1.8m以上竖向加速度基本呈线性衰减，衰减率为59～66%，衰减速率较快；墙深1.8m以下衰减速率变缓。这是由于筋材的存在使路基的整体增强，在动载作用下，颗粒重分布得到阻止，土体承载范围变大，加速度值表现出衰减且衰减速率较大。

3.3动位移分析

动位移大小能反映路基系统的振动剧烈程度和路基的弹塑性变形的变化情况。

（1）动位移随加载次数的变化。随激振次数的增加挡墙路基内部的竖向动变形没有明显的变化，只在靠近激振点处有稍许的波动，但动位移变化值不大，表明在激振200万次后，加筋土挡墙路基仍处于弹性工作状态。

（2）动位移沿墙高的衰减。①挡墙路基内部动变形沿路基深度大致呈指数型衰减，并且衰减速率逐渐变缓。从数值来看，路基深1.8m处动位移衰減了63～65%，加筋体上部单位深度衰减率较为明显，随着路基深度的逐渐增加，各层的净衰减率逐渐减小。②墙背处动弹性变形呈现先增大后减小的规律，且随激振次数的增加动弹性变形值有减小的趋势，这是由于动载作用前期，墙面板后的加筋土体与面板的相互耦合作用产生微小变形，随着激振次数的增加模块式面板的刚度大、筋材与土体相互作用，较好的限制了动变形并趋于稳定。

4.结束语

综上所述，加筋土挡墙作为一种结构路基形式首次在高铁上应用，不论是从动特性还是工后沉降变形角度，均能满足动力稳定性要求。该工程工后路基顶面的单点沉降计测得沉降最大值在15mm左右，能满足《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）中关于有砟轨道对沉降的要求，即满足

参考文献：

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