程愛君

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

我國(guó)高速鐵路路基基床表層普遍采用級(jí)配碎石。這對(duì)于改善高速鐵路路基基床結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，減少列車荷載所產(chǎn)生的彈性變形和殘余變形，提高路基服役性能起到了很大作用［1-6］，但仍有某些線路路基出現(xiàn)了翻漿問題。上海鐵路局在滬寧城際高速鐵路上共查出此類病害1 400多處，分布在K111+910—K283+900區(qū)段76.2 km（橋隧除外）的路基地段［7-8］。這些病害引起軌道形位變化，增大路基和線路維修工作量，降低了路基長(zhǎng)期服役性能和列車運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，甚至影響高速列車安全運(yùn)營(yíng)，危害巨大。因此，有必要對(duì)翻漿原因進(jìn)行分析，為高速鐵路基床病害整治提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

滬寧城際高速鐵路無砟軌道底座與基床頂面間翻漿問題表現(xiàn)為從承重層的伸縮縫處或從封閉層與承重層縫隙間滲出灰白色泥狀物（圖1），引起軌道板下承重層空吊，影響軌道平順性。經(jīng)初步調(diào)查K111+910—K283+900區(qū)段有1 400余處，累計(jì)約11.7 km，翻漿病害多數(shù)發(fā)生在無砟軌道底座伸縮縫兩端5 m范圍內(nèi)，向兩側(cè)發(fā)展，鋪設(shè)框架軌道板地段較為嚴(yán)重，路肩上流淌或堆積著由水與級(jí)配碎石層細(xì)顆?；旌铣傻哪酀{，路肩及兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現(xiàn)象，嚴(yán)重處滲出物厚達(dá)10～50 mm［6］。

圖1 滬寧城際高速鐵路基床表層翻漿現(xiàn)象

2 翻漿機(jī)理研究

2.1 翻漿過程的分析

1）離縫的產(chǎn)生

從受力的角度分析，承重層伸縮縫部位為其受力集中部位，在列車荷載作用下，易出現(xiàn)局部的離縫問題，尤其是在伸縮縫未處理好且有外界水分滲入的情況下。

2）外界水分的侵入

滬寧城際高速鐵路處于我國(guó)南方潮濕多雨地區(qū)，雨量充足、降水集中是其特點(diǎn)。水是引起路基多種病害的原因之一，滲入的雨水如果無法順利排除會(huì)影響路基的使用性能，進(jìn)而引起病害。

3）列車荷載的作用

當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)層間離縫內(nèi)充滿水分，離縫部位就形成了一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 離縫部位示意

列車通過時(shí)，在列車荷載作用下，離縫上下結(jié)構(gòu)層發(fā)生相向運(yùn)動(dòng)，擠壓離縫內(nèi)水分。當(dāng)列車離開后，兩結(jié)構(gòu)層之間發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)，對(duì)外部水分產(chǎn)生抽吸作用。在列車荷載作用下對(duì)離縫內(nèi)水分反復(fù)抽吸、擠壓，最終引起結(jié)構(gòu)層接觸沖刷問題。

2.2 無砟軌道基床表層級(jí)配碎石沖刷分析

沖刷的產(chǎn)生歸根到底是水流力的作用［9-10］。從該角度出發(fā)，可利用水流速度的某一臨界值作為衡量沖刷產(chǎn)生條件的指標(biāo)。文獻(xiàn)［10］對(duì)土體顆粒在水沖刷作用下受力平衡狀態(tài)進(jìn)行了分析，獲得了粗粒土填料顆粒起動(dòng)粒徑與水流速度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 粗粒土填料顆粒起動(dòng)粒徑與水流速度的關(guān)系

由圖3可知，對(duì)無黏性均勻路基填料，顆粒的沖刷水流速度與起動(dòng)粒徑呈非線性冪函數(shù)關(guān)系，隨起動(dòng)粒徑的變大，沖刷起動(dòng)水流速度迅速增大。

2.3 離縫部位流速分析

假定離縫深1.5 m，高1 mm，寬1 m，如圖4所示。假定離縫內(nèi)被水分完全充滿，且當(dāng)列車通過時(shí)離縫內(nèi)水分完全被擠出。離縫內(nèi)水的流量與離縫體積相當(dāng)，流量Q=1.5×0.001×1=1.5×10-3m3。

圖4 離縫示意

當(dāng)列車以速度300 km/h通過時(shí)，每秒通過離縫位置處的車軸數(shù)約為4次，即離縫每次抽吸的間隔時(shí)間約為0.25 s，由此可計(jì)算出列車通過時(shí)離縫內(nèi)水分的瞬間流速v=0.001×1×1.5/（0.001×1×0.25）=6 m/s。

結(jié)合圖3可知，在水流速度達(dá)到6 m/s時(shí)，可以攜帶粒徑約為50 mm的顆粒移動(dòng)。在此情況下，不僅級(jí)配碎石中細(xì)粒會(huì)被離縫內(nèi)水分?jǐn)y帶沖走，其粗顆粒也會(huì)被水流反復(fù)沖刷，長(zhǎng)此以往形成翻漿現(xiàn)象。

3 室內(nèi)模型試驗(yàn)

為更好地說明翻漿機(jī)理，運(yùn)用室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)翻漿過程［9］。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用MTS試驗(yàn)機(jī)。模型箱采用厚1 cm的有機(jī)玻璃制成，尺寸為40 cm×50 cm×60 cm。加載板采用1 cm厚鋼板制成，尺寸為30 cm×30 cm。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 無砟軌道基床表層翻漿問題室內(nèi)模擬系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)方案

利用MTS試驗(yàn)機(jī)模擬列車高速通過時(shí)支撐層與基床表層表面間的相互作用，可以分為以下2種情況：

1）支撐層與基床表層表面間無離縫

級(jí)配碎石滲透系數(shù)較大，列車通過時(shí)基床表層表面無積水的情況；級(jí)配碎石滲透系數(shù)較小，列車通過時(shí)基床表層表面有積水的情況。

2）支撐層與基床表層表面間有離縫

級(jí)配碎石滲透系數(shù)較大，列車通過時(shí)基床表層表面無積水的情況；級(jí)配碎石滲透系數(shù)小，列車通過時(shí)基床表層表面有積水的情況。

3.3 加載方式

加載方式分為應(yīng)力控制、應(yīng)變控制2種。

1）應(yīng)力控制

模擬支撐層與基床表層表面間無離縫情況。動(dòng)荷載為單向循環(huán)荷載。荷載頻率選用4 Hz。試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力波形如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力波形

2）應(yīng)變控制

模擬支撐層與基床表層表面間有離縫情況。動(dòng)荷載為單向循環(huán)荷載。荷載頻率選用4 Hz。試驗(yàn)動(dòng)變形波形如圖7所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 支撐層與基床表層表面間無離縫

1）基床表層表面無積水采用應(yīng)力控制進(jìn)行加載，試驗(yàn)初始應(yīng)力為30 kPa，荷載為正弦波，應(yīng)力幅值為20 kPa，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為10 000次，試驗(yàn)結(jié)果見圖8?？芍?jīng)過10 000次循環(huán)后，基床表層未出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。

圖7 試驗(yàn)動(dòng)變形波形

圖8 支撐層與基床表層表面間無離縫、基床表層表面無積水

2）基床表層表面有積水采用應(yīng)力控制進(jìn)行加載，試驗(yàn)初始應(yīng)力為30 kPa，荷載為正弦波，應(yīng)力幅值為20 kPa。循環(huán)次數(shù)為10 000次，試驗(yàn)結(jié)果見圖9?？芍?，經(jīng)過10 000次應(yīng)力循環(huán)后，級(jí)配碎石未出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。

圖9 支撐層與基床表層表面間無離縫、基床表層表面有積水

3.4.2 支撐層與基床表層表面間有離縫

1）基床表層表面無積水采用應(yīng)變控制進(jìn)行加載，荷載為正弦波，應(yīng)變幅值為2 mm，循環(huán)次數(shù)為10 000次?；脖韺颖砻鏌o積水且有離縫的情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖10?？芍?jīng)過10 000次應(yīng)力循環(huán)后，級(jí)配碎石未出現(xiàn)翻漿情況。

圖10 支撐層與基床表層表面間有離縫、基床表層表面無積水

2）基床表層表面有積水采用應(yīng)變控制進(jìn)行加載，應(yīng)變幅值為2 mm，荷載為正弦波，循環(huán)次數(shù)為10 000次。當(dāng)基床表層表面有積水時(shí)，動(dòng)荷載作用下試驗(yàn)結(jié)果見圖11?？芍?，經(jīng)過10 000次應(yīng)力循環(huán)后，級(jí)配碎石未出現(xiàn)較為嚴(yán)重的翻漿現(xiàn)象。

圖11 支撐層與基床表層表面間有離縫、基床表層表面有積水

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，支撐層與基床表層表面之間離縫是翻漿病害產(chǎn)生的主要條件；外界水分滲入離縫且無法及時(shí)排除，是基床表層表面翻漿病害的誘因；列車荷載通過時(shí)對(duì)離縫內(nèi)水分產(chǎn)生的抽吸及擠壓作用最終導(dǎo)致了翻漿問題。

4 結(jié)論

本文以滬寧城際高速鐵路無砟軌道底座與基床頂面間翻漿病害為研究背景，通過對(duì)病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)來說明了高速鐵路基床表層級(jí)配碎石翻漿的機(jī)理。得出翻漿形成過程如下：離縫出現(xiàn)→外界水分填充離縫→列車高速通過時(shí)對(duì)水分產(chǎn)生擠壓→水分高速流出對(duì)級(jí)配碎石產(chǎn)生沖刷→列車通過后外界水分吸入，如此往復(fù)循環(huán)即產(chǎn)生翻漿問題。以上研究成果為高速鐵路基床表層級(jí)配碎石翻漿病害整治提供理論依據(jù)。