气泡轻质土高铁拓宽路基性能离心模型试验研究

张 振，刘洪伟，叶观宝，饶烽瑞，戚得健

（同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系 / 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

0 引 言

随着我国经济和社会的高速发展，现有的交通基础设施已然不能满足日益增长的交通流量需求。为了解决这一问题，最常用的办法是对既有线路（公路、铁路）进行路基拓宽以增设复线[1-5]。然而，新旧路基结合部差异沉降控制一直是路基拓宽工程中关注的核心问题。

目前，主要采取两种方式来解决新旧路基之间的不均匀沉降：采用地基处理方法加固拓宽路堤下地基，以减小新建路基的变形[6-11]；采用轻质填料减少新建路堤自重，以减小地基的附加应力[12-13]。气泡轻质土是将预制泡沫与水泥浆均匀混合，亦可掺入其他骨料（如黏土和砂），后经浇筑养护形成的一种含有大量封闭气孔的轻质土工材料。因其自身具有轻质性、强度可调节、自立性好等优点，在路基拓宽工程中具有广阔的应用前景[14-17]。然而，将气泡轻质土应用于高铁拓宽路基的研究较少，采用轻质土拓宽能否满足高铁运行对轨道的平顺性和路基差异沉降控制要求有待进一步研究。

本文开展了气泡轻质土高铁拓宽路基的离心模型试验。对比分析了采用常规填料和气泡轻质土填料拓宽后的新老路堤沉降、地基土中孔隙水压力和土压力的变化规律。本文的研究成果对指导气泡轻质土在高铁路基拓宽工程中的应用具有指导价值。

1 离心机模型试验

1.1 试验设备与模型材料

本次离心试验采用同济大学TLJ-150型土工离心机，最大离心加速度为50 g。模型试验相似比为1∶50。模型箱内部尺寸为 900 mm×500 mm×700 mm（长×宽×高），模型箱一侧为透明有机玻璃板，以便于在试验过程中观察路基变形情况。

试验材料主要包括砂土、软土和气泡轻质土三部分。砂土层采用细砂。软土采用高岭土、重晶石粉和水按1∶1∶1配置而成。常规路堤填料采用细砂和上述人工软土按质量比10∶1配置而成。气泡轻质土由水泥、空气泡沫和水组成。表1列出了模型试验中材料的基本物理力学参数。

表1 离心模型试验材料参数Table 1 Material parameters of centrifugal model test

1.2 试验方案

本次离心模型试验共设置两组：CMT-1为常规填料拓宽，CMT-2为气泡轻质土拓宽。图1为模型试验示意图。在每组试验中都布设了激光位移计、微型孔压计和微型土压力计（如图1所示），用来监测路基拓宽过程中地基土（软土）的沉降，孔压消散情况和土压力的变化。

图1 离心模型试验示意图Fig. 1 Schematic diagram of centrifugal model test

每一组离心模型试验分3个阶段：（1）地基自重固结阶段：将填筑好的软土模型箱在50 g的离心加速度下运行16 h，完成自重固结，50 g条件下，相当于原型地基土经过约4.6年的自重固结；（2）原线路运营阶段：暂停离心机，在模型箱一侧填筑原路基，在路基顶面放置荷载铁块，启动离心机，在50 g条件下运行11 h，相当于原路基成型后经过约3.2年的固结以模拟高铁路基实际运行工况；（3）拓宽路基运营阶段：暂停离心机，在模型箱原路基坡面一侧继续填筑拓宽路基，在拓宽路基顶面放置荷载铁块，启动离心机，在50 g条件下运行6.5 h，相当于拓宽路基成型后经过约1.9年的固结以模拟高铁路基拓宽后的运行工况。

1.3 模型制作

模型制作前，在模型箱内壁四周涂一层凡士林，而后铺设一层塑料薄膜以减小侧壁摩阻力。同时在模型箱的4个角插入PVC管，用来收集地基土在固结过程中排出的水。针对本次离心试验的软土，含水量选择33%时，泥浆流动性较好，且自重固结过程中排出的水量也较少。模型箱底部铺设一层50 mm厚的细砂模拟硬土层。将配置好的软土泥浆倒入模型箱中，填筑厚度为450 mm，静止24 h。地基土完成50 g下的自重固结后，清除积水，将地基土修平至400 mm厚。

模型地基准备完成后，填筑模型原路堤。原路堤高150 mm，底部宽250 mm，坡度为1∶1。根据《高速铁路设计规范》设计规定，无砟轨道的高铁列车分布宽度为 3 m，包括高铁轨道结构和高铁荷载产生的总荷载为67.5 kN/m2。因此本次试验在路堤顶面放置高度 20 mm、宽度 30 mm、密度为7.6 g/cm3的铁块，以模拟路堤上方的总荷载[18]。完成原路堤阶段运营模拟后，暂停离心机，在原路基坡面一侧填筑拓宽路基。拓宽路堤顶部与原路堤齐平，底部宽300 mm，坡度为1∶1。

2 试验结果与分析

2.1 孔隙水压力

表2汇总了各阶段结束时各点的超孔隙水压力。在地基土自重固结阶段，地基土中超孔隙水压力已趋近于 0，地基土已基本完成自重固结。在原路堤运营阶段，地基土中超孔隙水压力亦趋近于0，说明在既有路堤及高铁荷载作用下地基土已基本完成固结变形。

表2 各阶段最终超孔压监测值Table 2 Final values of excess pore pressure in each stage kPa

图2为拓宽路基运营阶段地基土中超孔隙水压力随时间变化曲线。随着离心机加速至50 g，地基土中超静孔隙水压力逐渐升高，且拓宽路堤正下方地基土中超孔压升高较高（W2和W4），随后逐渐消散。采用常规填料拓宽，W2和W4测点的超静孔压增量为110 kPa和65 kPa；而采用气泡轻质土拓宽，W2和 W4测点的超静孔压增量为 60 kPa和30 kPa，减小了约50%。试验结束时，CMT-1中各测点的残余超静孔压为 5～17 kPa，CMT-2中各测点的残余超静孔压仅为1～7 kPa，可以认为地基已基本完成固结。采用气泡轻质土进行路堤拓宽，由于其轻质性，显著减小了由于路基拓宽在地基土中产生的超静孔隙水压力，同时相同运营时间后，地基土中的残余超静孔隙水压力也更小。

图2 拓宽路基阶段超孔压消散Fig. 2 Dissipation of excess pore pressure during embankment widening

2.2 沉降与差异沉降

图3为原路堤运营和拓宽路基运营阶段路堤顶面沉降随时间发展曲线。由于在既有路堤和拓宽路堤填筑时控制相对密度为70%，常规填料路堤本身的压缩量已很小，而对于轻质土填料路堤，其总荷载为气泡轻质土材料无侧限抗压强度的6%，其对应的无侧限抗压试验下的材料应变约为0.1‰，因此，可以认为在拓宽路堤运营阶段，路堤产生的沉降和差异沉降主要是由于软土路基变形引起的。CMT-1和CMT-2在原路堤运营阶段的最终沉降基本一致，分别为27.58 mm和30.28 mm（激光位移计实测值），说明试验操作和模型制作具有较好的可重复性。拓宽路堤运营阶段不仅会造成拓宽路堤的沉降，而且会引起既有路堤的附加沉降，且采用气泡轻质土引起的新老路堤沉降约为采用常规填料的50%。拓宽路堤运营阶段，CMT-1和CMT-2中原路堤和拓宽路堤产生的差异沉降分别为1.86%和0.87%（见表3）。

图3 路基沉降图Fig. 3 Settlement of embankment

表3 路堤沉降与差异沉降Table 3 Settlement and differential settlement of embankment

3 土压力分布

图4为拓宽路堤引起的地基土总应力增量分布云图。地基土总应力增量云图采用随机网格法将各土压力监测点测得的数据离散成数据矩阵。由图可知，云图分布与监测值基本一致。路基拓宽引起的附加应力主要集中在新老路基交界处靠近拓宽路堤一侧，同时，仍会引起原路堤下土中附加应力的增加，但对原路堤地基土的附加应力影响较小。采用气泡轻质土拓宽后，地基中的附加应力增量约为常规填料的50%，高于气泡轻质土与常规填料的密度比0.41。这主要是因为路堤顶面铁块的影响。采用气泡轻质土作为拓宽路基填筑材料，可以有效地减少拓宽路堤对地基土造成的附加应力。

图4 路堤拓宽引起的地基土压力增量分布图Fig. 4 Distribution of earth pressure increment caused by embankment widening

4 结 论

（1）路堤拓宽时会造成拓宽路堤正下方地基土中超孔压显著升高。采用气泡轻质土进行路堤拓宽，地基土中产生的超静孔隙水压力约为常规填料的50%，同时相同运营时间后，地基土中的残余超静孔隙水压力也更小。

（2）拓宽路堤运营阶段不仅会造成拓宽路堤的沉降，而且会引起既有路堤的附加沉降，采用常规填料和气泡轻质土填料引起的新老路堤差异沉降分别为1.86 %和0.87%。

（3）路基拓宽引起的附加应力主要集中在新老路基交界处靠近拓宽路堤一侧，仍会引起原路堤下土中附加应力的增加，但对原路堤地基土的附加应力影响较小。采用气泡轻质土拓宽后，地基中的附加应力增量约为常规填料的50%。