非埋式樁板路基動力特性原位激振試驗研究

白 皓，蘇 謙，黃俊杰，鄭鍵斌，王 迅

（1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；

3.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點實驗室，成都 610031）

1 引 言

我國黃土高原地區(qū)修建客運專線遇到了“深厚濕陷性”黃土的挑戰(zhàn)，對于適用于濕陷性黃土的常用加固方法所能處理的深度一般不超過30 m[1]，難以滿足工后沉降的要求。因此，鄭西客運專線在深厚濕陷性黃土地區(qū)新建路基中首次使用了非埋式樁板結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)綜合了無砟軌道結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)的各自特點，充分利用樁-板-土三者之間的協(xié)同作用來滿足無砟軌道的強度與變形控制要求。該結(jié)構(gòu)嵌入路基并直接承受軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載，其荷載傳遞路徑有別于傳統(tǒng)填筑路基結(jié)構(gòu)。目前，針對樁板路基的研究主要集中在靜態(tài)承載性能[2－4]和設(shè)計計算方法[5－7]等方面，對動力性能進行研究的技術(shù)手段也局限于模型試驗[8]、數(shù)值仿真[9]和行車試驗[10]，而且已有研究的樁板路基與本文樁板路基在結(jié)構(gòu)型式和地基條件等方面有較大的差異，對這類樁板路基的動力特性及其長期穩(wěn)定性尚認(rèn)識不足。原位激振試驗作為研究路基結(jié)構(gòu)動力特性（包括振動特性和長期動力穩(wěn)定性）的技術(shù)手段，具有獨特的優(yōu)勢[11－13]，在線路結(jié)構(gòu)物完工通車之前對其進行原位激振試驗，具有重要的實際意義及工程應(yīng)用價值。

2 原位激振試驗方案

2.1 試驗工況

鄭西客運專線沿線大部分地段通過黃土堆積地貌單元，屬于黃河Ⅱ級階地，占線路總長約85%。沿線溝槽深切、沖溝發(fā)育，地下水埋深為30 m，在深厚濕陷性黃土地區(qū)低路堤、路塹路段采用非埋式樁板路基通過[2]。非埋式樁板路基由下部鋼筋混凝土樁基、路基土和上部鋼筋混凝土托梁與承載板共 同組成，承載板上直接鋪設(shè)無砟軌道，如圖1 所示。

考慮到控制不均勻沉降和跨越結(jié)構(gòu)物的需要，一般地段選用等跨布置（標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)），跨結(jié)構(gòu)物地段選用不等跨布置（異型聯(lián)）。承載板按左右線分幅設(shè)置，單塊承載板的尺寸為26.16 m×4.99 m×0.8 m，托梁尺寸為10.4 m×1.3 m×1 m，樁徑為1 m。（1）標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)樁板結(jié)構(gòu)跨度為8.72 m×3（工點1、2）；（2）跨涵洞異型聯(lián)樁板結(jié)構(gòu)跨度為8.08 m+10 m+8.08 m（工點3），由于異型聯(lián)中跨跨度增大，故承載板中跨板厚調(diào)整為1 m，中跨托梁寬調(diào)整為1.6 m，中跨樁徑調(diào)整為1.25 m。該試驗段由挖方和低填方路基組成，結(jié)構(gòu)下部地基土體包括松軟土與砂質(zhì)黃土，地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 試驗點非埋式樁板路基斷面圖 Fig.1 Section of non-embedded pile-board subgrade in the experiment site

表1 試驗段土體物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計一覽表 Table 1 Physico-mechanical parameters of soils in experiment section

2.2 試驗加載方案

在非埋式樁板路基的路基表面（即承載板表面）上，利用自主研發(fā)的DTS-1 動力試驗系統(tǒng)模擬在列車荷載作用下路基面動應(yīng)力的等效應(yīng)力。調(diào)整試驗系統(tǒng)的偏心塊、配重以及電氣系統(tǒng)的輸出頻率，以改變路基面的動應(yīng)力大小和頻率，分別進行掃頻激振試驗和循環(huán)加載試驗。

（1）加載范圍：本試驗加載面為2.2 m×2.2 m，模擬在路基面產(chǎn)生一個輪對的動應(yīng)力。試驗時，激振器分別在樁基截面和跨中截面進行加載，加載斷面分別為Ⅰ～Ⅵ斷面，如圖3 所示。

（2）激振頻率：路基承受的列車荷載是單向脈沖應(yīng)力波。當(dāng)車速為350 km/h 時，列車動載頻率分別約為38.88、12.15、5.40 Hz。根據(jù)高頻波與低頻波的傳遞特性，取5～24 Hz 的激振頻率進行掃頻激振試驗，取20 Hz 的激振頻率進行循環(huán)加載試驗研究。

（3）荷載大小：無砟軌道路基現(xiàn)場測試結(jié)果表明，基床和路基范圍豎向動應(yīng)力幅值Dσ 介于13～20 kPa。循環(huán)加載時使試驗系統(tǒng)與路基耦合振動產(chǎn)生的路基面模擬動應(yīng)力幅值dσ 為20kPa 左右，如圖2 所示，圖中sσ 為動力試驗系統(tǒng)自重產(chǎn)生的靜應(yīng)力。

圖2 模擬動應(yīng)力 Fig.2 Simulated dynamic stresses

（4）加載次數(shù)。結(jié)合樁板路基的結(jié)構(gòu)特性，并借鑒已有研究成果[14－16]，確定循環(huán)加載次數(shù)為 1 ×106次。

2.3 試驗量測方案

樁板路基原位激振試驗中量測內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)內(nèi)力、振動響應(yīng)及沉降變形等。采用應(yīng)變式鋼筋計量測結(jié)構(gòu)主筋動應(yīng)力，利用應(yīng)變式土壓計量測結(jié)構(gòu)與土體間的動土壓力，使用動位移計、加速度計和速度計3 種元器件測試路基結(jié)構(gòu)振動強度。圖3 為非埋式樁板路基測點布置圖，“D1”、“A1”、“P1”、“R1”中“D”表示動位移測點，“A”表示加速度測點，“P”表示土壓力測點，“R”表示鋼筋應(yīng)力測點，“1”表示測點編號。利用DH5920 動態(tài)數(shù)據(jù)采集記錄分析儀測試非埋式樁板路基各部分的動態(tài)響應(yīng)，循環(huán)加載過程中每5 ×1 04次采集一次數(shù)據(jù)，采樣頻率選為1 000 Hz，采樣點數(shù)為1 024 點，采樣時間為10 s。

圖3 元器件布置及動載試驗示意圖 Fig.3 Layout of instruments and schematic diagram of dynamic loading test

3 試驗結(jié)果分析

3.1 動位移分析

動位移大小反映路基系統(tǒng)的振動劇烈程度，其與路基的彈性和塑性的性質(zhì)變化相關(guān)。對于樁板路基，路基面動位移最終通過軌面動位移反映出來，動位移較大將加劇軌道結(jié)構(gòu)與車輛的相互作用，直接關(guān)系到高速列車的安全性和舒適性[16]。國內(nèi)外路基面實測動位移均小于1 mm，動位移控制在1 mm以內(nèi)是目前較一致的看法。以承載板各典型斷面的動位移為研究目標(biāo)，如圖4、5 所示。

從圖中可以看出，非埋式樁板路基受到激振力作用產(chǎn)生強迫振動，承載板的動位移隨著激振頻率增加呈指數(shù)函數(shù)增長趨勢，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)與異型聯(lián)樁板路基在模擬列車荷載作用下動位移差異性極小。樁基所在斷面的動位移小于樁間的其他斷面。承載板跨中斷面和樁基所在斷面最大動變形幅值分別為0.130、0.048 mm，均在規(guī)范值1 mm 之內(nèi)。將振幅A 折算為單位激振力作用下的振幅值，得到此類路基的幅頻曲線，結(jié)果表明，非埋式樁板路基自振基頻小于5 Hz，二階自振頻率大于24 Hz，激振頻率范圍內(nèi)樁板路基未發(fā)生共振現(xiàn)象，試驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果[9]吻合良好。高速列車車輪激勵頻率已落在非埋式樁板路基振動固有頻率范圍之外，列車車輪通過時對路基的重復(fù)激勵不會產(chǎn)生共振問題。

非埋式樁板路基動位移隨加載次數(shù)的增加較為穩(wěn)定，表明此類路基處于彈性工作狀態(tài)。承載板跨中斷面和樁基所在斷面的動位移幅值分別為0.05、0.02 mm，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)填筑路基結(jié)構(gòu)的路基面動變形[10]小，應(yīng)變波在承載板板下土體的傳播深度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，可降低對地基條件和路基填料的要求。

圖5 動位移與加載次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.5 Relation curves between dynamic deformation and loading times

3.2 振動響應(yīng)分析

路基面振動加速度的大小是判斷振動對軌道結(jié)構(gòu)破壞作用的主要指標(biāo)。路基面的加速度與路基結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，剛度愈大，則路基面的加速度愈大。以承載板的豎向振動加速度和速度為研究目標(biāo)，分析各典型斷面承載板頂面的加速度和速度隨激振頻率和加載次數(shù)的變化情況，如圖6、7 所示。

圖6 振動響應(yīng)與激振頻率的關(guān)系曲線 Fig.6 Relation curves between vibration response and forced vibration frequency

圖7 振動響應(yīng)與加載次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.7 Relation curves between vibration response and loading times

樁板路基的振動響應(yīng)總體上與激振頻率成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，振動加速度絕對值小于5 m/s2，與無砟軌道路基面實測值相比，屬中間偏小范圍，說明樁板結(jié)構(gòu)已成為承受列車動力作用的主體。此外，加速度反映與動位移、振動速度反映是類似的，在一定程度上也說明測試技術(shù)的可靠性。

隨著加載次數(shù)的增加，各斷面的加速度響應(yīng)大小無明顯變化趨勢，垂向振動加速度均遠(yuǎn)小于0.5 g表明，樁板路基的剛度幾乎沒有變化，其具有良好的長期動力穩(wěn)定性。

3.3 動土壓力分析

動土壓力反映了列車動荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)對路基土的動力作用大小，涉及動荷載的傳遞機制問題。當(dāng)樁基與地基出現(xiàn)沉降差時，承載板和托梁便與地基分離處于懸空狀態(tài)，此時樁板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)接近于板式橋梁；否則，承載板和托梁都將看做彈性地基連續(xù)梁。以板底和梁底的動土壓力為目標(biāo)，如圖8、9 所示。

由圖可看出，各測點動土壓力小于0.15 kPa，且隨激振頻率和循環(huán)加載次數(shù)的增加無明顯變化，說明樁板結(jié)構(gòu)的存在使路基填料承受的動應(yīng)力大幅減小。激振荷載作用下地基反力系數(shù)很小，計算樁板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時不考慮彈性地基反力的假定[2]是合理的，應(yīng)將地基反力視為安全儲備。另外，也說明非埋式樁板路基適用于地基承載力相對較弱的地基土體或性能較差的路基填料，有利于降低工程造價。

圖8 動土壓力與激振頻率的關(guān)系曲線 Fig.8 Relation curves between dynamic earth pressure and forced vibration frequency

圖9 動土壓力與加載次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.9 Relation curves between dynamic earth pressure and loading times

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分析

主筋動應(yīng)力分析目的：（1）主筋動應(yīng)力直接反映了激振載荷作用下樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的大小與分布情況；（2）結(jié)合靜態(tài)測量的主筋應(yīng)力確定主筋最大應(yīng)力是否超過疲勞強度。主筋動應(yīng)力測試位置有：承載板的中跨跨中斷面、中跨支座斷面和邊跨跨中斷面，以及樁頂截面。樁板結(jié)構(gòu)主筋動應(yīng)力和激振頻率與次數(shù)的關(guān)系曲線如圖10、11 所示，圖中R3-Ⅱ表示在第Ⅱ斷面激振時第3 號應(yīng)變式鋼筋計，其他符號以此類推。

由圖10 可看出，結(jié)構(gòu)主筋動應(yīng)力隨激振頻率的增加近似呈線性規(guī)律增長，但數(shù)值極小；承載板主筋動應(yīng)力響應(yīng)極值發(fā)生在樁基所在的斷面，于樁基所在斷面進行激振時樁基主筋動應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)最大值。由圖11 可看出，在各斷面激振時，相應(yīng)的激振斷面主筋動應(yīng)力總體上在一個定值附近波動，主筋動應(yīng)力最大值均小于9 MPa。結(jié)合樁板路基靜態(tài)測試情況[2]進行分析，主筋動應(yīng)力占總應(yīng)力的比值較小，且總應(yīng)力均小于主筋的疲勞強度，表明此結(jié)構(gòu)具有較好的長期使用性能。

圖10 主筋動應(yīng)力與激振頻率的關(guān)系曲線 Fig.10 Relation curves between dynamic stress of main reinforcement and forced vibration frequency

圖11 主筋動應(yīng)力與加載次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.11 Relation curves between dynamic stress of main reinforcement and loading times

3.5 綜合動剛度分析

路基綜合動剛度反映了行車時路基抵抗動態(tài)變形的能力，是樁板路基系統(tǒng)各部分剛度的綜合體現(xiàn)，其大小與軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和行車的舒適度有著重要的關(guān)系。路基綜合動剛度可采用激振法測試動力反應(yīng)曲線算出，激振方式為受迫振動。動力試驗系統(tǒng)與樁板路基組成耦合振動體系，路基處于受迫振動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，動應(yīng)力和動位移達(dá)到同步，阻尼影響可忽略，按質(zhì)阻彈理論求出路基綜合動剛度[14]，即： Kz= Pz/Az+ mω2，式中 Pz為激振力，Az為振幅，m 為參振質(zhì)量，ω 為角頻率。各斷面路基綜合動剛度對比見圖12，路基綜合動剛度縱向分布如圖13 所示。

由圖12、13 可看出，樁基所在斷面的綜合動剛度最大，且比傳統(tǒng)填筑路基大許多。為了使非埋式樁板路基具有適宜的彈性以降低系統(tǒng)的動力作用，可利用適當(dāng)加強基礎(chǔ)剛度（尤其是橫向剛度）、適當(dāng)減小承載板厚度或增大跨度等方法進行路基剛度匹配，以達(dá)到降低造價、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

圖12 綜合動剛度與加載次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.12 Relation curves between comparison of dynamic stiffnesses and loading times

圖13 非埋式樁板路基不同斷面的綜合動剛度 Fig.13 Compositive dynamic stiffness of different section of non-embedded pile-board subgrade

3.6 累積沉降分析

累積沉降大小反映樁板路基的質(zhì)量性能，并且在使用過程中能直接反映在軌面變形中，影響鐵路維修模式。樁板路基表面的累積沉降主要取決于荷載作用次數(shù)。以激振位置處承載板頂面的累積沉降時程曲線為研究目標(biāo)，如圖14 所示。

跨中斷面的累積沉降遠(yuǎn)大于樁基所在斷面，說明累積沉降主要是由承載板變形引起的。累積沉降在加載到75 ×1 04次以前呈增長趨勢，此后就趨于穩(wěn)定，說明在加載動應(yīng)力水平下，承載板塑性變形能夠達(dá)到穩(wěn)定，因為樁板結(jié)構(gòu)材料彈性應(yīng)變沒有達(dá)到臨界值。加載 1 × 106次后，跨中斷面和樁基所在斷面的最大累積沉降分別為1.0、0.2 mm。

圖14 典型累積沉降曲線 Fig.14 Typical accumulative subsidence curves

4 結(jié) 論

（1）非埋式樁板路基自振基頻低于5 Hz，二階頻率大于24 Hz，激振頻率范圍內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象；循環(huán)加載作用下，該類樁板路基振動響應(yīng)較為穩(wěn)定。

（2）板底和梁底動土壓力數(shù)值極小，甚至為0，且隨激振頻率和加載次數(shù)的增加無明顯變化，樁板結(jié)構(gòu)的存在使路基土體承受的動力作用大幅減小。

（3）結(jié)構(gòu)主筋動應(yīng)力隨激振頻率的增加近似呈線性規(guī)律增長，隨加載次數(shù)的增長數(shù)值上較為穩(wěn)定，結(jié)合靜態(tài)測試情況可知主筋總應(yīng)力遠(yuǎn)小于疲勞強度。

（4）非埋式樁板路基綜合動剛度大于傳統(tǒng)路基，樁板路基綜合動剛度主要由其樁板結(jié)構(gòu)和地基的剛度控制，樁基所在斷面的剛度大于樁間其他斷面。

（5）跨中斷面和樁基所在斷面的最大累積沉降分別為1.0、0.2 mm，樁板路基累積沉降主要是由承載板變形引起的；循環(huán)加載75 ×1 04次以后，樁板路基的累積沉降基本上趨于穩(wěn)定。

[1] 王小軍, 曲耀輝, 魏永梁, 等. 鄭西客運專線濕陷性黃土區(qū)試驗路堤的沉降觀測與預(yù)測研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(1): 220－231. WANG Xiao-jun, QU Yao-hui, WEI Yong-liang, et al. Settlement observation and prediction research of test embankment in collapsible loess area along Zhengzhou- Xi’an passenger dedicated line[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1): 220－231.

[2] 蘇謙, 王武斌, 白皓, 等. 非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基承載機制[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2012, 12(1): 19－24. SU Qian, WANG Wu-bin, BAI Hao, et al. Bearing capacity mechanism of non-embedded pile-plank structure subgrade[J]. Journal of Traffic and Trans- portation Engineering, 2012, 12(1): 19－24.

[3] 詹永祥, 蔣關(guān)魯. 樁板結(jié)構(gòu)路基樁-土工作特性[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2009, 9(4): 38－42. ZHAN Yong-xiang, JIANG Guan-lu. Pile-soil interacton properties of pile-plank embankment[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2009, 9(4): 38－42.

[4] 白皓, 蘇謙, 梁龍標(biāo), 等. 新建鐵路路基上跨超淺埋地鐵的變形監(jiān)控與安全評估[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2011, 21(7): 144－150. BAI Hao, SU Qian, LIANG Long-biao, et al. Deformation observation and risk evaluation of over- shallow-embedded metro with above-skewed new railway subgrade[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(7): 144－150.

[5] 蘇謙, 李安洪, 丁兆鋒, 等. 鄭西客運專線深厚濕陷性黃土地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2007, (2): 1－4. SU Qian, LI An-hong, DING Zhao-feng, et al. Design and analysis on pile-board structure of deep collapsible loess ground along zhengzhou-xi’an passenger dedicated railway line[J]. Railway Construction Technology, 2007, (2): 1－4.

[6] 羅照新, 丁兆鋒. 客運專線樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的探討[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2008, (8): 33－36. LUO Zhao-xin, DING Zhao-feng. Discussion on the design method of pile-slab structure for passenger dedicated railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2008, (8): 33－36.

[7] 丁兆鋒. 路基樁板結(jié)構(gòu)平面簡化法則及解析計算[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2011, (8): 42－46. DING Zhao-feng. Plane simplified rules and analytical calculation for pile-board structure of subgrade[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2011, (8): 42－46.

[8] 牛國輝, 蔣關(guān)魯, 詹永祥, 等. 遂渝鐵路無碴軌道樁板結(jié)構(gòu)路基大比例動態(tài)模型試驗研究[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2007, (1): 1－5. NIU Guo-hui, JIANG Guan-lu, ZHAN Yong-xiang, et al. Study on big scale dynamic model test of pile-plank subgrade of suining-chongqing ballastless track railway[J]. Railway Construction Technology, 2007, (1): 1－5.

[9] 李保俊, 馬坤全, 張欣欣. 高速鐵路無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基動力特性研究[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 24(1): 63－68. LI Bao-jun, MA Kun-quan, ZHANG Xin-xin. Study on dynamic property of pile-plank embankment used in high-speed railway with slab-track[J]. Journal of Shijiazhuang Tiedao University (Natural Science), 2011, 24(1): 63－68.

[10] 詹永祥, 蔣關(guān)魯, 胡安華, 等. 遂渝線無碴軌道樁板結(jié)構(gòu)路基動力響應(yīng)現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(3): 832－835. ZHAN Yong-xiang, JIANG Guan-lu, HU An-hua, et al. Study of dynamic response of pile-plank embankment of ballastless track based on field test in Suining-Chongqing High-speed Railway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(3): 832－835.

[11] NEIDHART TH. True-to-scale in situ tests determining dynamic performance of earthworks under high speed train loading[C]//A. Gomes Correia, Heinz Brandl. Geotechnics for Roads Rail Tracks and Earth Structures. The Netherlands: A. A. Balkema, a member of Swets & Zeitlinger Publishers, www.balkema.nl and www.szp. swets.nl , 2001. 213－223.

[12] 楊永平, 周順華. 合-寧客運專線膨脹土不同高度路堤動力特性分析[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(5): 1403－1406. YANG Yong-ping, ZHOU Shun-hua. Analysis of vibration character of expansive soil embankments with different heights of He-Ning High-speed Railway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(5): 1403－1406.

[13] 蘇謙, 白皓, 黃俊杰, 等. 剛性地基低路堤長期動力特性原位試驗研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2011, 44(增刊): 147－151. SU Qian, BAI Hao, HUANG Jun-jie, et al. In-situ Tests on long-term dynamic characteristics of low embankment on rigid foundation[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(Supp.): 147－151.

[14] 馬偉斌, 韓自力, 朱忠林. 高速鐵路路橋過渡段振動特性試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2009, 31(1): 124－128. MA Wei-bin, HAN Zi-li, ZHU Zhong-lin. Vibration characteristics of high speed railway’s bridge-subgrade transition section[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(1): 124－128.

[15] TATSUO ODAKA. Analyses on performance test of ballasted track on subgrade by guideway testing machine[J]. Railway Technical Research Pre-report, 1985, (183): 1－18.

[16] TAVENAS F, MIEUSSENS C, BOURGES F, et al. Lateral displacements in clay foundations under embankment[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1979, 16(3): 532－550.