水泥改良膨胀土重载铁路路基填料的可靠性研究

商拥辉，徐林荣，蔡 雨，陈钊锋

(1.黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000； 2.中南大学土木工程学院，长沙 410075； 3.高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙 410075)

引言

重载铁路具有轴重大、输送能力强、经济效益高等显著特点[1-2]，自20世纪20年代首次在美国出现后，目前已广布于俄罗斯、澳大利亚、巴西、印度、南非、中国等国家[3]。随着运输技术的不断提高，世界重载铁路协会先后于1986年、1994年和2005年3次对重载铁路做了最新的定义，要求轴重>27 t，运输能力>8 000万t，使得重载铁路运输又提高到了一个新高度[4]。西方部分国家重载铁路轴重在20世纪70年代已达30 t，例如：巴西卡拉亚斯铁路和南非OREX铁路轴重为30 t，澳大利亚的纽曼山铁路轴重达37.5 t[5]。我国目前重载铁路轴重仅为23 t和25 t，与世界重载铁路轴重30 t及以上水平存在差距[6]。2015年1月13日，满载1.2万t煤炭J55081次试验列车在瓦日铁路郑州铁路局管段的长子南至平顺站顺利完成重载综合实验，这标志着继高原铁路、高速铁路之后，我国30 t轴重重载铁路综合技术实现重大突破。

相比普通铁路和高速铁路，重载铁路因更大的列车轴重致使路基承受更大动应力[7]，对线路运营期路基稳定提出更高要求。填料在静载作用下能保持稳定，但在车辆动载循环作用下，其强度将逐渐降低，变形随之发展，导致线路的使用功能降低甚至破坏[8]。因此，重载铁路路基填料要同时满足静态指标与动态指标要求。路基的动力稳定性取决于路基填料的临界动应力与路基中实际动应力的大小关系，即可以通过临界动应力法对重载铁路路基的稳定性进行评估[9]。杨果林等[10]借助该法评价了武广高铁红黏土路堑基床的长期动力稳定性，王永和等[11]评价了武广高铁泥质粉砂岩改良土路基的长期动力稳定性。

填料临界动应力主要借助室内动三轴试验进行获取。蒋关鲁等[11]、冷伍明等[12]研究表明：填料(土)累积应变曲线随振次发展分为三类，稳定型曲线、临界型曲线和破坏型曲线。介于稳定型与破坏型之间临界型曲线表明填料(土)处于稳定与破坏临界状态，该曲线对应的动应力幅值成为填料“临界动应力”。可见，临界动应力不是一个固定值，而是一个区间值。针对临界动应力影响因素问题，唐益群等[13]研究认为固结偏应力越大土体的临界动应力越大；孙明智[14]发现干湿循环作用会降低土体临界动应力；刘晓红[15]建议选取临界动应力范围低限值用于路基设计；冷伍明等[12]结合重载铁路荷载特性探究了基床表层粗颗粒填料饱和临界动应力100～200 kPa。上述研究成果为开展重载铁路水泥改良膨胀土临界动应力研究提供良好基础。

路基应力水平主要借助数值模拟、模型试验和现场测试获取。吕文强[16]借助ABAQUS建立列车-轨道-基床数值模型，得出轴重25～35 t路基面动应力幅值范围76.92～101.47 kPa，动变形幅值范围1.992～2.68 mm；肖世伟等[17]借助FLAC3D建立列车-轨道-基床三维数值模型，总结列车时速120 km轴重25～40 t列车运行时，路基面竖向动应力范围74.60～119.37 kPa。数值模型建立在诸多假设基础上，测试分析是目前最可靠分析途径。聂如松等[18]、陈乐求等[19]及屈畅姿等[20]借助室内路基足尺模型试验，测试时速80 km轴重23，25，28 t和30 t列车激振时，基床表层表面动应力最大值依次为56，64，74 kPa和90 kPa；轴重25～30 t枕顶面动位移1.5～2.4 mm，大于基床表层表面动位移0.13～0.26 mm。即便足尺模型也难模拟地基的无限域，现场行车试验是研究路基动态特性最直接、可靠方法。铁科院于2013年7月对朔黄线进行现场实车测试数据表明：轴重23～25 t列车运行路基面产生的动应力幅值110.1～117.7 kPa；轴重27 t和30 t列车运行路基面产生的动应力最大值分别为119.3 kPa和123.0 kPa。目前，针对重载铁路水泥改良膨胀土路基动力特性测试研究相对较弱。

为对上述存在问题进行研究，依托蒙华重载铁路水泥改良膨胀土路基工程背景，首先借助室内动三轴试验获取水泥掺量3%～5%改良膨胀土的临界动应力，然后借助现场激振试验获取重载铁路水泥改良膨胀土路基动力水平，进而从动力学角度探究了水泥改良膨胀土用作重载铁路路基填料的可靠性。

1 水泥掺量3%～5%改良膨胀土临界动应力

1.1 试验概述

试验土样来自蒙华重载铁路三荆试验段南阳邓州工点大山寨取土场，属中膨胀土，掺入水泥改良后工程性质变化见表1。

试验选择素膨胀土、水泥掺量3%和5%膨胀土进行动力特性试验。试样在最优含水率条件下重型击实制成，按95%压实度控制干密度，试样养护时间28 d。试样为直径39.1 mm，高度为80 mm的圆柱体。试样制备按照TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》和SL237—1999《土工试验规程》严格执行。

试验采用不排水条件，振动次数在试验过程中某一级荷载作用下试样变形随加载时间收敛为标准，在试验过程中确定。动荷作用下土样的破坏标准尚没有统一认识，本次试验采用GB/T50269—2015《地基动力特性测试规范》的推荐值，即当弹性应变和塑性应变之和ε=5%，认为试样破坏。本次试验主要内容见表2。

表1 膨胀土掺入水泥性质变化(平均值)

表2 动三轴试验内容

1.2 临界动应力分析

根据不同试验条件，对重塑膨胀土素土及水泥改良膨胀土进行了疲劳试验，绘制了不同试验条件下的εp-lgN曲线，并由累积应变发展类型来判断临界动应力的取值范围。受篇幅限制，仅提供部分试验条件下的重塑膨胀土素土、水泥掺量3%和5%改良膨胀土的εp-lgN曲线(图1)。

图1 不同土样εp-lgN曲线(f=1 Hz)

由图1可知：水泥改良土累积应变随振次发展趋向类型与重塑素膨胀土类似，均存在稳定、临界和破坏型曲线。由此可以判断不同试验条件下水泥改良膨胀土临界动应力，具体见表3。

由表3可知：重塑素膨胀土的临界动应力为21.6～34.9 kPa，平均值28.25 kPa；水泥掺量3%改良膨胀土临界动应力范围为148.8～233.1 kPa，平均值190.95 kPa；水泥掺量5%改良膨胀土临界动应力范围为145.6～249.7 kPa，平均值197.65 kPa；水泥掺量3%和5%改良膨胀土临界动应力平均值，分别是重塑素膨胀土6.8倍和7.0倍。即相比重塑素膨胀土而言，膨胀土掺入水泥改良后临界动应力相应提高了5～6倍。临界动应力随水泥掺量和围压增加增幅较多，而随频率增大有微弱减少趋势。

表3 不同试验条件下水泥改良膨胀土临界动应力汇总

2 重载铁路水泥改良膨胀土路基动力水平

2.1 试验概述

以蒙华重载铁路DK948+245断面为例，基床表层(厚0.6 m)路基填料为细角砾A组填料，基床底层(厚1.9 m)路基填料为5%水泥改良膨胀土，基床底层以下路堤为3%水泥改良膨胀土。结合现场开展激振试验获取该断面动应力水平。

元件位置：左线轨道中心位置，在基床表层顶面、基床表层顶面以下0.6 m、基床底层顶面以下0.9 m、基床底层底面以下1 m、基床底层底面以下1 m和2 m处，各设置1处动应力、动加速度传感器。在左线轨道中心偏移0.5，1.5 m处位置，分别在基床表层底面、基床底层底面，各设置2处动应力、动加速度传感器。

测试仪器型号：动应力采用JMYJ-1503m电阻式动土压力盒测试；加速度采用CA-YD-117压电式加速度传感器测试；数据采集系统采用60通道IMC采集仪；选取同济大学自主开发研制ZBS60型变频、变矩式振动机模拟重载铁路列车荷载。试验过程照片如图2所示。

图2 试验现场

2.2 路基动力水平分析

图3为现场测试不同荷载工况动应力及其衰减曲线沿路基深度变化规律。

图3 测试动应力沿路基深度变化及衰减曲线

由图3可知：重载铁路客车运行条件下，轴重21 t时速120～200 km列车产生路基面最大动应力81.61～99.16 kPa，衰减至基床表层底面(0.6 m)动应力为48.31～59.21 kPa，衰减至基床底层底面(2.5 m)动应力为16.12～19.11 kPa；重载铁路货车运行条件下，时速120 km轴重25～30 t列车产生路基面最大动应力为98.92～118.46 kPa，衰减至基床表层底面(0.6 m)动应力为58.12～71.45 kPa，衰减至基床底层底面(2.5 m)动应力为21.86～25.52 kPa。测试说明，路基动力水平主要受轴重影响。

动力影响深度是铁路路基设计重要指标。通过对比动应力与静应力探讨动力影响深度(影响深度=动静比>0.2)。由表4可知：时速120 km轴重21 t客车行驶下，路基深度2.5 m处动静应力比>0.2，路基深度3.5 m处动静应力比<0.2，说明动力影响深度2.5～3.5 m(大于基床厚度2.5 m)；时速120 km轴重25 t和30 t货车行驶下，路基深度3.5 m处动静应力之比>0.2，路基深度4.5 m处动静应力之比<0.2，说明动力影响深度3.5～4.5 m(大于基床厚度2.5 m)。

表4 路基不同深处动应力与静应力汇总(v=120 km/h)

3 动力角度评估水泥改良土填料可靠性

结合上述试验与测试数据，借助临界动应力法对填料可靠性评估，详见表5。基床表层A组粗颗粒填料临界动应力参考文献[12]选取。

表5 路基长期动力稳定性评估(v=120 km/h)

由表5可知：蒙华重载铁路三荆段水泥改良膨胀土路基动力稳定性满足要求，说明水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层与以下路基填料可靠性满足要求。

4 结论

依托蒙华重载铁路三荆段水泥改良膨胀土路基工程背景，结合室内试验、现场测试，对水泥改良膨胀土临界动应力与其用作重载铁路路基填料的可靠性进行研究，主要结论如下。

(1)水泥掺量3%和5%改良膨胀土临界动应力分别为148.8～233.1 kPa和145.6～249.7 kPa，大于重塑素膨胀土临界动应力(21.6～34.9 kPa)，前者平均值为后者6～7倍，说明膨胀土掺入水泥动刚度改善显著；水泥改良膨胀土临界动应力主要受围压影响，两者基本呈线性增长关系。

(2)轴重21 t时速120～200 km列车运行路面动应力幅值81.61～99.16 kPa，时速120 km轴重25～30t列车运行路面动应力幅值98.92～118.46 kPa；列车产生动应力沿路基深度逐渐衰减，在基床表层与底层范围内衰减可达40%和80%；结合动静应力比可知，重载铁路运营期列车动力影响深度3.5～4.5 m，大于基床设计厚度2.5 m。

(3)水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作基床底层与底层以下路堤填料后，运营期重载铁路路基实际动应力水平远小于相应位置填料临界动应力，说明水泥掺量5%和3%改良膨胀土用作重载铁路基填料可靠性满足要求。

重载铁路的路基动力问题相对复杂，水泥改良土目前在重载铁路中应用案例较少，文中结合室内试验、现场测试进行了探究，整理出大量宝贵数据。考虑干湿循环(降雨环境)影响路基动力响应程度，后期可对该问题进一步分析。