楊果林， 王亮亮,2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221008)

隨著鐵路列車速度不斷提高，列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性和舒適性受軌下基礎(chǔ)的支撐剛度、動(dòng)力穩(wěn)定性、動(dòng)靜變形特點(diǎn)等的影響愈加顯著。 1961年Filippov[1]首次對移動(dòng)列車-軌道-地基系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，隨后一些學(xué)者建立了各種軌道-地基系統(tǒng)模型[2-5]，研究軌下基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)。這些理論分析模型均假定軌下基礎(chǔ)是各向同性的彈性連續(xù)介質(zhì)，與實(shí)際基床填料的離散性、各向異性特點(diǎn)不符，使得研究結(jié)果精度受到限制。為研究道砟顆粒之間的相互作用，Suiker等[6]分析了剛性基礎(chǔ)上的離散體的動(dòng)力響應(yīng)；隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，Galvín[7]利用邊界元法(BEM)建立了三維模型，對高速移動(dòng)荷載引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了模擬分析；Hall[8]利用有限元法建立模型，通過使材料剪切模量不斷衰減研究剪應(yīng)變的變化；Oscarsson[9]進(jìn)行了基于隨機(jī)模型的研究工作。上述研究工作從不同角度分析了列車速度與基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)之間的關(guān)系，推動(dòng)了高速鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展。

翟婉明等[10]運(yùn)用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論,首次研究了軌道結(jié)構(gòu)各部件剛度對列車走行性能的影響規(guī)律；赫丹、向俊等[11-12]對板式軌道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了理論分析。研究表明，列車-板式軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)隨線路不平順性幅值的增大而增大，動(dòng)力響應(yīng)增大加快軌道板疲勞破壞[13]，增加對路基的沖擊動(dòng)力響應(yīng)，使路基狀況進(jìn)一步惡化[14]。基床是路基中受列車動(dòng)力作用最顯著的部分，基床的長期動(dòng)力穩(wěn)定性是保證列車高速平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。張千里等[15]根據(jù)基床中的應(yīng)力傳播和變形特點(diǎn)，提出了采用應(yīng)變控制進(jìn)行基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；劉曉紅等[16]從動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)變形兩方面研究了基床的長期動(dòng)力穩(wěn)定性；邊學(xué)成等[17]通過理論和模型試驗(yàn)，對基床和地基各部分產(chǎn)生的累積變形特征和比例進(jìn)行了研究，結(jié)果表明路基長期變形中基床部分占的比例很小，長期沉降主要來自地基土體，地基沉降與上覆荷載大小，特別是循環(huán)動(dòng)力荷載作用強(qiáng)度有關(guān)。由于鐵路沿線地形地貌、水文地質(zhì)、巖(土)體分布等復(fù)雜多變，不同地基土抵抗循環(huán)動(dòng)力荷載作用的能力不同，如果采用統(tǒng)一的基床結(jié)構(gòu)，既不經(jīng)濟(jì)也不具備技術(shù)可行性[15]。因此，必須針對具體的工程地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

新建云桂鐵路南寧-百色段存在大量膨脹土(巖)路基，部分區(qū)段地基膨脹土成堅(jiān)硬狀態(tài)，承載力較高。采用有效的治理措施，充分利用膨脹土的高承載力，減小基床換填厚度，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。目前膨脹土處治方法主要有膨脹土改良[18]、非膨脹土包邊[19]、換填和土工布隔水[20]等。上述方法在膨脹土公路路基和邊坡處治中應(yīng)用較廣，效果良好。鐵路列車荷載大、運(yùn)行密度高，特別是高速鐵路對線路的工后變形要求嚴(yán)格，現(xiàn)有方法是否可以有效的進(jìn)行膨脹土高速鐵路基床處治尚有待進(jìn)一步研究。本文結(jié)合高速鐵路基床動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)、國內(nèi)外基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、既有線南昆鐵路基床病害調(diào)研結(jié)果以及膨脹土特性等，開展新型膨脹土路塹全封閉基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，在室內(nèi)進(jìn)行足尺模型激振試驗(yàn)，獲取新型基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力態(tài)特性。

1 全封閉基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本思路

(1) 根據(jù)Boussinesq理論計(jì)算的基床中動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律和基床表層受力特點(diǎn)[13-15]，決定基床表層采用0.7 m厚的級配碎石；

(2) 防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)研發(fā)；

(3) 確定防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)置位置和基床底層厚度。

1.2 防排水結(jié)構(gòu)層需要解決的主要問題

(1) 具有良好的隔水效果；

(2) 具有足夠的剛度和抗裂性。因?yàn)樵斐苫着蛎浲廉a(chǎn)生膨脹變形的水分并非完全是來自地表水和降雨，還有氣候環(huán)境變化引起的區(qū)域土體含水率波動(dòng)，后者誘發(fā)的脹縮變形具有幅度小、不均勻性、周期長等特點(diǎn)，因此應(yīng)在基底上方設(shè)置具有一定剛度的結(jié)構(gòu)層來協(xié)調(diào)基底膨脹土的不均勻小幅脹縮變形，同時(shí)結(jié)構(gòu)層還需要具備一定的變形能力，避免開裂；

(3) 防水層與接觸柱以及其他線路附屬結(jié)構(gòu)物的接觸縫處理。

按照上述要求，在廣泛調(diào)研和大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了改性水泥基半剛性防水復(fù)合材料，其基本成分為膠凝組分、彈性組分、河砂(細(xì)度模數(shù)2.6)、膨脹土(最大顆粒不大于15 mm)，材料的基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 防水材料基本力學(xué)性質(zhì)

1.3 防排水結(jié)構(gòu)層設(shè)置位置

研究表明，當(dāng)基床表層的剛度達(dá)到一定值后，再進(jìn)一步增大時(shí)對路基的整體支撐剛度影響不大，而增加基床底層剛度能明顯改善路基面的支撐剛度[21]。所以，考慮半剛性防排水層作為基床底層的一部分。半剛性防排水結(jié)構(gòu)層能夠增加線路的平順性和整體性，減小輪軌沖擊力，降低基床中的動(dòng)應(yīng)力[22]。因此，將半剛性防排水結(jié)構(gòu)層布置于基床表層底面。

1.4 防排水層下基床底層厚度確定

根據(jù)文獻(xiàn)[23]條文說明第4.3.1，列車設(shè)計(jì)軸重取200 kN，路基設(shè)計(jì)動(dòng)應(yīng)力幅值為98.8 kPa，按動(dòng)應(yīng)力與自重應(yīng)力比取0.2 m為基床厚度，經(jīng)計(jì)算基床厚度約為2.0 m，其中基床表層0.7 m，基床底層1.3 m。根據(jù)Odemark模量與厚度當(dāng)量假定，將0.2 m厚的半剛性防排水結(jié)構(gòu)層換算成等效基床底層厚度[15]

( 1 )

式中：E為半剛性防排水結(jié)構(gòu)層模量；E0為基床底層的模量，按E0=0.23K30計(jì)算[15]，基床底層填料按改良細(xì)粒土考慮，K30取110 kPa。

經(jīng)式( 1 )換算后，相當(dāng)于0.7 m厚的基床底層。防排水結(jié)構(gòu)層下基床底層厚度設(shè)置為0.6 m。

2 模型試驗(yàn)簡介

根據(jù)高速鐵路雙線路塹基床的對稱性，取其一側(cè)在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行1∶1足尺路基模型試驗(yàn)。模型箱為鋼結(jié)構(gòu)長方形箱體，長×寬×高為9.2 m×2 m×4.6 m。地基土為取自云桂高鐵中強(qiáng)膨脹土路塹工點(diǎn)的膨脹土，其基本力學(xué)指標(biāo)見表2。路基填筑均按照文獻(xiàn)[23]的要求建設(shè)完成，模型具體尺寸及元器件布置圖見圖1。采用MTS伺服激振器模擬列車荷載，激振頻率采用時(shí)速250 km/h時(shí)列車的基頻[24]4 Hz，在干燥服役環(huán)境下共激振100萬次，動(dòng)軸力幅值[23]為380 kN，按正弦波形加載。監(jiān)測元器件列表見表3。

表2 膨脹土基本物理性質(zhì)

含水率/%密度/(g·cm-3)土粒比重液限/%塑限/%自由膨脹率/%14．21．9～2．11．843．520．569．0～77．2

表3 監(jiān)測元器件一覽表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律

圖2為基床橫斷面上不同位置動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線。從圖2可知，基床表層表面的動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)性較小，防排水結(jié)構(gòu)層下方動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)性明顯增大，隨著深度的增加，動(dòng)應(yīng)力在激振過程中的波動(dòng)幅度也進(jìn)一步增大；基床表層表面最大動(dòng)應(yīng)力位于鋼軌正下方，動(dòng)應(yīng)力變化區(qū)間為20.04～24.85 kPa；中線側(cè)1.7 m外基床動(dòng)應(yīng)力基本小于5 kPa，基床受激振荷載影響的主要區(qū)域?yàn)橹芯€位置至中線側(cè)1.7 m。

對中線位置和鋼軌正下方各監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，利用統(tǒng)計(jì)均值分析動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減規(guī)律，見圖3。由圖3可知，隨著深度增加，動(dòng)應(yīng)力呈指數(shù)型衰減，衰減規(guī)律與文獻(xiàn)[25-26]的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相似，基床表層范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的衰減幅度明顯小于后者；防排水結(jié)構(gòu)層和基床表層范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的衰減系數(shù)為57.8%～63.4%；基床底層底面位置(即路基面下1.5 m深處)動(dòng)應(yīng)力衰減為基床表面的38.4%～41.3%。

3.2 基床振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖4為基床不同位置的振動(dòng)速度與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖4可知，半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對基床不同位置振動(dòng)速度波動(dòng)性的影響與動(dòng)應(yīng)力相似，防排水層上方振動(dòng)速度在激振全過程中的整體波動(dòng)性小，下方波動(dòng)性增大；最大振動(dòng)速度位于基床表層表面鋼軌正下方，振動(dòng)速度變化區(qū)間為8.84～10.94 mm/s，防排水結(jié)構(gòu)層下方振動(dòng)速度衰減為6.60～8.38 mm/s，減小約19.12%；中線位置基床表面下2.21 m深處振動(dòng)速度衰減為1.72～3.15 mm/s。

圖5為基床中線、鋼軌正下方和中線側(cè)1.7 m位置振動(dòng)速度沿深度的衰減曲線。由圖5可知，3個(gè)位置豎直剖面上振動(dòng)速度沿深度的衰減曲線相似，振動(dòng)速度衰減梯度沿深度的增加而增大，呈二次曲線型。

3.3 振動(dòng)加速度變化規(guī)律

圖6為基床不同位置的加速度隨振動(dòng)次數(shù)的變化曲線。由圖6可知，基床范圍內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)加速度在激振初期有小幅波動(dòng)，20萬次以后基本保持穩(wěn)定。

對基床中線、鋼軌正下方和中線側(cè)1.7 m位置等3個(gè)豎向剖面上的振動(dòng)加速度穩(wěn)定階段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制加速度沿深度方向的衰減曲線，見圖7。由圖7可知，與振動(dòng)速度沿深度的衰減規(guī)律相似，振動(dòng)加速度隨深度增加而逐漸減小，衰減梯度隨深度的增加而增大，其中基床表層 (含0.2 m防排水結(jié)構(gòu)層)、基床底層、基底0.7 m厚膨脹土中加速度衰減量分別為0.02、0.04、0.05 m/s2；衰減曲線呈二次曲線型。

3.4 基床表面動(dòng)變形

利用Coinv DASP V10軟件中的波形全程微積分轉(zhuǎn)換模塊對速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全程積分轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的動(dòng)變形。圖8為基床表層表面不同位置處的動(dòng)變形。由圖8可知，振動(dòng)初期基床表面動(dòng)變形變化幅大，主要是基床在激振荷載作用下產(chǎn)生壓縮變形、填料顆粒位置調(diào)整以及監(jiān)測元器件與基床變形耦合等造成的；隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，約10萬次以后，基床表面動(dòng)變形逐漸趨于穩(wěn)定；最大動(dòng)變形位于鋼軌正下方，約0.38 mm，小于國內(nèi)外高速鐵路路基面實(shí)測動(dòng)變形值1 mm。

4 結(jié)論

(1) 半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減規(guī)律具有一定影響，動(dòng)應(yīng)力沿深度呈指數(shù)型衰減。

(2) 半剛性防排水結(jié)構(gòu)層對振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的衰減規(guī)律有顯著影響。隨著深度的增加，振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度衰減梯度逐漸增大，衰減曲線均呈二次曲線型。

(3) 鋪設(shè)半剛性防排水結(jié)構(gòu)層能有效降低基床表面動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的波動(dòng)性，增加線路的平順性。

(4) 在干燥服役環(huán)境下，新型全封閉基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)能夠滿足高速鐵路對基床各向動(dòng)力指標(biāo)的要求，驗(yàn)證了基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

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