基底脱空条件下重载铁路隧道铺底结构疲劳性能试验研究

2021-11-13王风刘聪彭立敏雷明锋施成华

铁道科学与工程学报 2021年10期

王风，刘聪，彭立敏，雷明锋,4，施成华

(1.朔黄铁路发展有限责任公司，北京 100000；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；3.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌 330105；4.重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南长沙 410075)

货运列车“重载化”是大幅提升铁路运输效能，降低运输成本的有效途径。美国、澳大利亚等国都在争相发展本国的重载铁路技术。我国铁路部门也在加快推进既有线改造及新建重载铁路布局[1]。然而，工程实际表明，随着列车轴重的提升和运营时间的延长，重载铁路隧道基底病害出现了快速发展的趋势。如朔黄铁路长梁山、水泉湾、大坪等多座隧道相继出现了基底病害问题，其中长梁山隧道病害段重车线一侧的最大沉降达1.5 cm[2]；大秦铁路茶坞工务段内共39座隧道，便有13座产生了基底病害[3]，病害率占比达1/3，特别是该线路上的摩天岭隧道、军都山隧道病害问题尤为严重，普遍存在基底脱空、沉降及翻浆冒泥等病害，最大基底脱空达15 cm，导致了严重晃车问题[4]。为此，广大工程技术人员针对重载铁路隧道基底病害的类型分布、形成原因、力学机理和整治措施等问题开展了系列研究工作。薛继连[5]采用数值模拟的方法，研究了基底欠密实条件下重载铁路隧道仰拱填充层的力学特性，指出：当基底不密实或存在脱空时，隧道底部结构应力激增；30 t轴重列车作用下隧道底部结构将产生疲劳破坏。ZHANG等[6]通过数值分析指出，当基底存在脱空时，列车动力荷载引起隧道底部结构的位移及最大主应力将显著增大，特别是当空洞宽度大于2 m时，100 a内隧道底部结构会产生疲劳破坏。刘宁等[7]基于数值模拟结果和Miner线性累积损伤理论，分析了隧道底部结构的疲劳寿命，认为当脱空宽度达1 m时，底部仰拱结构的疲劳寿命无法满足100 a设计使用要求。丁祖德等[8]通过研究也指出：当隧道基底脱空宽达1.2 m时，列车动载会使结构直接破坏。总之，隧道基底病害(尤其是脱空)的存在，将显著恶化隧道底部结构受力，降低结构使用寿命，对行车安全威胁极大。而我国重载铁路隧道行车密度大、天窗时间短、维修作业空间小，进一步给病害的探明和处治造成了不利影响。这就要求对重载铁路隧道基底病害的形成机理和发展规律要有清晰的认识，并及时分析和掌握重载铁路隧道服役状态，为既有线路的重载化改造或重载线路的运营安全评价提供理论依据。本文在既有研究成果[9-12]的基础上，设计可模拟隧道基底脱空病害的试验装置与方案，进而开展基底脱空条件下隧道铺底结构疲劳性能试验，探明脱空条件下隧道铺底结构的疲劳性能。

1 隧道基底脱空疲劳试验方案设计

1.1 隧道基底脱空模拟装置

隧道基底脱空的力学本质是隧道底部结构缺乏足够的支撑，进而使得隧道底部结构在动力荷载作用下，形成局部集中力学响应，从而加大了隧道底部结构的损伤概率。为此，本文通过将隧道基底围岩视为一系列等刚度弹簧，并通过局部位置弹簧的“取消”来模拟基底脱空病害。由此，可得到针对隧道铺底结构设计的脱空条件下隧道铺底结构疲劳试验模拟装置如图1(a)，同时考虑到基底富水条件，整个装置均置于已敞口玻璃缸内，如图1(b)。

考虑到试验条件，本次试验试件设计为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体素混凝土试块，材料配比如表1。空洞宽度按300 mm考虑，对称布置。

表1 混凝土材料配合比Table 1 Mixture ratio of concrete kg/m3

1.2 加载设备

本文试验重点考察脱空条件下，隧道底部结构在列车动载作用下的疲劳性能，试验过程中，采用SDT-50动三轴试验机进行加载(如图2)，该设备的基本性能参数为最大负荷：50 kN，加载频率：0～10 Hz，位移精度：±0.5%，负荷精度：±0.5%。

图2 疲劳试验荷载谱Fig.2 Fatigue load

1.3 力学指标测试

试验测试指标主要包括试件底部跨中应变及挠度，如图1(a)。其中，跨中动应变采用黏贴应变片(长80 mm，(120±1)Ω，应变极限为2 000×10−6)和动态应变仪测取，采样频率为50 Hz，数据精度保留小数点后2位；跨中挠度通过提取SDT-50加载系统作动器的竖向位移获得。试验中，当试件中部产生突然断裂，停止试验，记录加载次数作为试件的疲劳寿命。

1.4 加载方案与试验工况

既有研究表明，结构疲劳性能受最大拉应力σmax及材料弯拉极限强度ft等因素的影响。为同时反映上述2个指标对结构疲劳性能的影响，当前普遍的做法是引入“应力水平S”这一变量，并认为列车通过时，结构产生最大应力σmax时所对应的试验荷载为最大疲劳荷载Fmax。于是，最大应力水平Smax可定义为：

式中：ft为材料的弯拉极限强度；Ft为材料的弯拉极限荷载。

进一步，结合静力试验得到的试件破坏时对应峰值荷载(均值为5.54 kN)，可确定试验用循环荷载谱，如图2。同时，值得说明的是，本试验中仅考虑列车动载的影响，未考虑围岩压力静载的影响。荷载通过SDT-50对试件施加，频率为4 Hz。实际加载过程中，为避免作动器头与试件分离而产生的附加冲击作用，试验加载过程中设定最小荷载为恒定值0.1 kN。

1.5 试验工况

根据研究目的以及试件弯拉强度静载试验结果，即隧道基底脱空条件下，列车轴重对隧道铺底结构的疲劳性能影响，拟定试验工况及其对应的最大试验荷载值如表2。同时，考虑混凝土为脆性材料，试验结果离散性较大，每种工况均开展3个试件的平行试验。为对比研究富水和脱空2个因素对时间疲劳性能的影响，试验中一并开展了无水和无脱空的对照试验。

表2 试验工况Table 2 Tests conditions

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏特征

图3分别为无水和富水条件下(4种工况)铺底试件发生疲劳破坏后的形态。从中观察可得，试件的疲劳破坏部位均接近试件底面中心，为受拉区突然断裂的脆性破坏。断裂前，试件表面无肉眼可见裂缝及明显变形，表明试件的损伤是内部微孔洞及微裂纹等初始缺陷逐步发展、累积、最终破坏的过程。

图3 试件破坏特征Fig.3 Failure characteristics of the specimen

2.2 无水条件下试件疲劳性能演化

无水条件下试件的拉应变、挠度演化曲线如图4和图5，图中，εmax，εmin为各试验工况得到的最大、最小拉应变值；dmax，dmin为各试验工况得到的最大、最小挠度值。从中分析可知：

图4 无水条件下试件疲劳试验应变演化曲线Fig.4 Strain evolution curves of fatigue test under anhydrous condition

图5 无水条件下试件疲劳试验挠度演化曲线Fig.5 Deflection evolution curves of fatigue test under anhydrous condition

1)基底脱空条件下试件拉应变均呈现“倒S型”3阶段发展规律，而无脱空试件应变演化为2阶段发展。试件疲劳寿命随着荷载水平的增大而减小，初始应变越大，疲劳寿命也越小。

2)无脱空试件的承载能力及疲劳性能明显优于有脱空试件。无脱空试件在加载120万次后仍未破坏，但随着加载次数的增长，无脱空试件的应变逐渐趋于不收敛，表现出持续缓慢增加，可以预计无脱空试件最终也将产生开裂。

3)与拉应变演化曲线相似，试件的挠度同样呈现3阶段“倒S型”演化趋势。试件疲劳寿命会随着荷载水平及初始挠度的增大而减小，但是挠度演化曲线第Ⅰ阶段与第Ⅲ阶段的斜率较大，比应变演化曲线更陡峭。同时无脱空铺底试件初始挠度显著大于有脱空试件的初始挠度，这是由于该挠度不仅包含了试件跨中的相对挠度，还包括了弹簧压缩量。

2.3 富水条件下试件疲劳性能演化

图6给出了富水条件下试件的最大拉应变、跨中挠度演化曲线。从中分析可知：

图6 富水条件下铺底试件疲劳行为演化Fig.6 Fatigue behavior evolution curves of the tunnel bottoum structure specimen under water-rich conditions

1)试件拉应变及挠度均呈现3阶段“倒S型”发展规律，且应变演化曲线比挠度演化曲线更光滑，各阶段之间的过渡曲线更为连续。

2)试件疲劳寿命同样会随着荷载水平的增大而减小，初始应变(挠度)越大，疲劳寿命也越小。

3 脱空条件下隧道铺底结构疲劳寿命演化曲线

通过前述试验结果的分析，可整理得到各工况条件下铺底结构试件疲劳寿命S-lgN曲线，如式(2)与图7。

图7 脱空条件下隧道铺底疲劳寿命曲线Fig.7 Fatigue life curves of tunnel bottoum structure under cavitation condition

式中：N为疲劳寿命；Smax为最大荷载水平；Smax∈[0.60,0.90]，为修正后的决定系数。

分析可知：

1)与无脱空试件相比，隧道基底脱空病害降低了铺底结构的疲劳破坏次数。

2)相同应力水平下，富水条件下试件的疲劳破坏次数低于无水条件下试件的疲劳破坏次数；且随着应力水平的升高，富水环境试件疲劳破坏次数下降的比例也越大。例如，应力水平同为0.6时，富水环境试件的疲劳破坏次数为无水环境试件的88%左右，而当应力水平达到0.9时，富水环境试件的疲劳破坏次数仅为无水环境试件的17%。可见，地下水的存在将显著降低隧道底部结构的疲劳性能。