翻漿狀態下無砟軌道路基動力響應特征模型試驗研究

孫 立，楊 威，黃俊杰，蘇 謙

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

無砟軌道因其具有穩定性強、耐久性好、結構剛度大、便于維修等特點，在國內外被廣泛應用于高速鐵路。目前無砟軌道在隧道、高架結構和橋梁上的應用已經被國際普遍認可，無砟軌道在土路基上也得到了應用[1]。無砟軌道路基基床翻漿病害是高速鐵路無砟軌道路基的一種新型特殊病害。在長期列車荷載循環作用下，基床表層中的細顆粒隨自由水被擠出，路基的支承作用衰減，甚至局部發生吊空，傳力路徑發生改變，引起縱向剛度不均，會造成無砟軌道的差異沉降，影響無砟軌道線路的舒適性和安全性[2]。國內外學者圍繞無砟軌道路基在列車動載作用下動應力、動位移、加速度等動力響應特征問題，開展了現場行車測試、模型試驗和有限元計算分析等大量研究工作[3-12]，分析了路基段無砟軌道-路基整體結構的長期動力穩定性。但目前針對基床翻漿條件下無砟軌道-路基振動特征問題，仍然鮮見相關研究文獻和報道。

本文建立無砟軌道-路基基床室內大比例模型試驗，在模型上布置動土壓力、振動速度和動位移等傳感器，施加循環動力荷載，對模擬基床翻漿狀態下試驗模型振動狀態進行測試，分析了基床翻漿狀態下無砟軌道-路基基層動力響應指標的變化規律。研究成果可為我國高速鐵路無砟軌道路基的運營養護維修提供參考。

1 模型試驗方案

1.1 試驗模型

試驗模型整體平面尺寸為430 cm×180 cm，底座板尺寸為320 cm×100 cm×30 cm，加載板尺寸為90 cm×60 cm。基床底層剛性邊界采用50 cm厚度的磚墻，高度為170 cm，采用A、B組填料填筑；基床表層厚度為60 cm，采用級配碎石填筑，其四周采用沙袋圍護作為柔性邊界約束。級配碎石基層表層采用厚度為3 mm的防水土工布進行底面和四周側面封閉，以可注水模擬基床表層翻漿狀態。無砟軌道-路基基層試驗模型如圖1、圖2所示。

圖1 無砟軌道-路基基層試驗模型

圖2 試驗模型尺寸和傳感器布置(單位：cm)

底座板為鋼筋混凝土板，級配碎石加水至飽和含水率ωopt=7.86%。級配碎石分層填筑，每次填筑厚度15 cm，填筑4次，各層使用平板振動機夯實，使用“體積-質量”控制法控制壓實度，壓實系數要滿足K≥0.97的要求。模型填筑完成且加載裝置安裝完畢后，在底座板以外的基床表層表面采用M10砂漿進行封閉，封閉層厚度為5 cm。

1.2 模型試驗測試內容和方法

無砟軌道-路基基層模型試驗，測試內容主要包括基床表層動土壓力、基床表層和底座板的振動加速度和振動位移。動土壓力盒、動位移計和加速度計傳感器布置情況如圖2所示。

在基床表層布置土壓力盒(P)，用于測試應力沿深度的變化，布設方式為以兩個斷面中心位置為起點，縱斷面橫向間距50 cm，橫縱斷面橫向間距160 cm，豎向間距30 cm依次布置。在距底座板縱斷面中心0 、45m、55 cm，距底座板橫斷面中心155、165 cm分別設置位移計(D1～D5)和加速度計(A1～A5)。在加載過程中，采用動態采集系統自動采集各傳感器的數據。

1.3 試驗加載方案

試驗加載設備為一種多通道液壓伺服疲勞試驗機。在加載過程中，由加載設備在加載板上提供動荷載，作用荷載分為兩部分：初始荷載Ps和循環動荷載Pd，其中初始荷載為加載裝置重力，值為Ps=0.1Pd，初始荷載的設置可以保證底座板上用于加載的各結構充分接觸，使其不會在循環動載的作用下產生脫空，影響試驗結果。

根據現場行車實測，在高速列車作用下無砟軌道路基基床表層頂面的動應力主要在13～30 kPa之間[13-20]。據此，并結合本試驗動力加載系統技術特點，通過調試加載試驗系統，確定施加于本試驗模型動力荷載于基床表層表面的動應力幅值為30 kPa，頻率為5 Hz。本試驗模型的動力荷載施加次數為200萬次，近似模擬線路一年的交通流量。

2 試驗結果分析

2.1 動土壓力

當基床表層級配碎石浸水飽和時，在循環動力荷載作用下基床表層動土壓力隨加載次數的變化規律如圖3所示。

圖3 動土壓力隨循環加載次數的變化規律

由圖3可知，基床表層動土壓力隨循環加載次數的增加均有增大，其中基床表層表面動土壓力增大量較基床表層中部和底面大。

分析認為，隨循環動力荷載作用次數的增大，在動力荷載加載和卸載循環作用下，底座板下基床表層中的水形成孔隙水壓力上升-消散的循環過程，對基床表層級配碎石粗顆粒骨架中的細顆粒形成反復瞬間沖擊作用。另一方面，飽和含水狀態會導致細顆粒表面的水膜變厚、顆粒間的自由水增多，自由水直接起到了潤滑作用，細顆粒能夠在級配碎石骨架的孔隙中遷移。隨著基床表層細小顆粒向上遷移至基床表層表面并從兩側排出，從而產生翻漿現象，如圖4所示。

圖4 無砟軌道試驗模型基床表層翻漿階段

試驗模型的翻漿隨著加載次數的增大進一步惡化，基床表層頂部細顆粒通過自由水被大量擠出基床表層之外，導致基床表層對底座板的支承能力降低，甚至造成基床表層與底座板之間形成吊空，在動力荷載作用下底座板對基床表層產生沖擊效應，并且隨著接觸層翻漿程度的加重，這種沖擊作用逐漸加大，使基床表層動土壓力逐漸增大。

表1統計了當振動次數為50萬次時，基床表層不同埋深、不同位置(中心及縱橫斷面邊緣)的動土壓力測值以及相對變化幅度。基床表層動土壓力沿深度的變化規律如圖5所示。

表1 基床表層動土壓力統計 kPa

圖5 基床表層沿深度動土壓力的變化

根據表1和圖5可知，基床表層動土壓力隨深度快速衰減。分析認為，在基床表層產生翻漿后，隨著細顆粒排出，級配碎石的附加累積變形隨之逐漸增大，直至形成底座板與基床表層結構之間的脫空，導致無砟軌道的傳力路徑發生了改變，使得部分上部荷載無法傳遞至脫空區域的基床，而是通過底座板的杠桿作用傳遞至脫空區之外的基床，因此翻漿區域的基床表層動土壓力明顯衰減。在長期列車動力荷載作用下，受力不均勻以及局部空吊會引起軌道結構疲勞損失破壞，以及路基基床不均勻沉降，影響線路平順性及行車安全。

2.2 振動加速度

底座板和靠近底座板的路基封閉層豎向振動加速度隨加載次數的變化規律如圖6所示。

圖6 底座板及封閉層加速度與荷載作用次數關系

由圖6可知，隨著動載振次增加，底座板的加速度明顯增大，靠近底座板側邊的路基封閉層的加速度略有減小。在加載次數0～56萬次期間，底座板豎向振動加速度快速增大，靠近底座板的路基封閉層豎向振動加速度緩慢增長；而當荷載作用次數超過56萬次后，底座板加速度緩慢增大，封閉層加速度逐漸減小。分析認為，在基床表層級配碎石含水飽和狀態下，循環荷載加載次數達到3萬次后開始產生翻漿，并且加載次數繼續增大，基床表層翻漿逐漸惡化，引起基床表層對底座板的支承能力降低，并且隨著翻漿程度的惡化，底座板與基床表層之間發生脫空，造成底座板在動力荷載作用下振動加劇，因此底座板豎向振動加速度明顯增大。由于翻漿區域基床表層對底座板的支承能力降低，則底座板下翻漿四周基床表層逐漸參振，即振動能向基床表層擴散的區域更大，這是靠近底座板基床表層封閉層監測點豎向振動加速度減小的原因。

當試驗模型基床表層產生翻漿后，繼續施加動力荷載次數至50萬次時，底座板及封閉層的豎向振動加速度幅值統計如表2所示。

表2 翻漿階段底座板和封閉層加速度幅值統計 m/s2

基床翻漿和未翻漿階段試驗模型橫向和縱向測點豎向振動加速度幅值分布情況如圖7所示。

圖7 不同階段各位置加速度幅值均值對比

根據表2和圖7，路基基床表層翻漿時，中心處的加速度幅值均值比未翻漿時增大約75.3%，底座板縱橫斷面邊緣的加速度幅值均值比未翻漿時分別增大約64.2%和43.8%，而封閉層縱橫斷面的加速度幅值均值比未翻漿時分別減小約65.8%和26.0%。另外，分析發現基床表層未翻漿時，底座板縱橫斷面邊緣的加速度分別是封閉層的2.12倍、3.75倍，而在翻漿狀態下底座板縱橫斷面邊緣的加速度分別是封閉層的10.18倍、7.30倍，顯然從底座板至靠近底座板側邊的基床表層封閉層的振動加速度衰減梯度產生了巨變，表明基床表層產生翻漿會極大地改變無砟軌道-路基整體系統豎向振動加速度傳遞規律。

在基床表層產生翻漿后，隨著細顆粒被擠出，級配碎石的附加累積變形隨之逐漸增大，直至底座板與基床表層之間形成脫空，基床表層支承作用減弱，甚至使得翻漿區域部分上部荷載無法傳遞至路基基層，底座板與基床表層間接觸應力減小，底座板承擔大部分循環動載，并且將循環荷載傳遞至基床表層產生翻漿區域之外，因而造成底座板的加速度增大而基床表層的加速度變小。

2.3 振動位移

試驗模型底座板和靠近底座板的基床表層混凝土封層豎向振動位移隨加載次數的變化規律如圖8所示；基床表層翻漿前后，試驗模型各位置處豎向振動位移分布情況如圖9所示。

圖8 底座板及封閉層振動位移與荷載作用次數關系

由圖8和圖9可知，隨著動載振次增加，底座板的豎向振動位移明顯增大，路基封閉層的振動位移逐漸減小。荷載作用次數在0～56萬次以內時，底座板豎向振動位移快速增長，封閉層振動位移快速減小；當荷載作用次數超過56萬次后，底座板振動位移緩慢增大，靠近底座板的封閉層豎向振動位移逐漸減小并趨于穩定。試驗模型豎向振動位移呈現如上所述的變化規律的主要原因與引起豎向振動加速度變化趨勢的誘因相同，主要是基床表層級配碎石浸水飽和后，在循環動力荷載加載次數到3萬次時，基床表層開始產生翻漿，并且隨著加載次數的增大，基床表層翻漿程度快速惡化，基床表層內細顆粒被大量擠出基床表層之外，基床表層對底座板的支承能力快速惡化，所以底座板豎向振動位移快速增大，而當基床表層翻漿惡化速度降低后，底座板豎向振動位移進入緩慢增大的規律。

對比基床翻漿與未翻漿階段，在中心處振動位移從0.247 mm增至0.468 mm，增長幅值為89.5%，底座板縱橫斷面邊緣振動位移從0.230 mm和0.103 mm增至0.436 mm和0.169 mm，增長幅值分別為89.6%和64.1%，而路基封閉層縱橫斷面邊緣振動位移分別從0.088 mm和0.050 mm減小到0.030 mm和0.018 mm，各自減小了65.9%和64.0%。顯然，在循環動力荷載作用下，基床表層翻漿會降低基床表層對底座板的支承能力，從而極大地改變底座板-基床之間豎向振動傳遞規律，即底座板振動加劇，而底座板側邊基床表層封閉層振動改變量相對較小，結合豎向振動加速度變化規律，說明基床表層翻漿會極大改變無砟軌道-路基整體系統的振動傳遞模式。

基床表層的級配碎石處于飽和含水狀態時，荷載可以良好傳遞至基床表層。隨著動載振次增加，基床表層開始發生翻漿，基床表層的支承剛度下降造成底座板振動位移顯著增大、基床表層封閉層振動位移減小；而當荷載作用次數超過56萬次后，級配碎石中的細顆粒大量隨水被擠出，隨著加載次數的繼續增大，基床表層翻漿惡化速度減緩，從底座板下基床表層擠出的泥水逐漸減少，因此底座板及基床表層豎向振動位移變化逐漸趨于變緩。

3 結論

(1)底座板下處于含水飽和狀態的基床表層土動壓力隨著循環加載次數的增大而逐漸增大，經歷200萬次循環動力荷載作用后，基床表層表面動土壓力的增大量相對于其中部和底部更為明顯，即基床翻漿會造成動土壓力在基床表層內衰減速率變快，無砟軌道路基線下基礎承載能力弱化。

(2)當基床表層級配碎石處于含水飽和狀態時，在循環動力荷載作用下，試驗模型底座板豎向振動加速度和動位移在0～56萬次循環加載期間快速增大，超過56萬次后呈緩慢增大規律，靠近底座板的基床表層封閉層豎向振動加速度和動位移略有減小。振動作用的增大會影響無砟軌道結構長期動力穩定性，造成其使用壽命降低。

(3)試驗模型底座板和靠近底座板的基床表層封閉層豎向振動加速度和動位移的各自比值隨著加載次數的增大而增大，尤其是加載初始階段與經歷200萬次加載后加速度比值增大了1.95倍以上，動位移比值增大了4.56倍，說明振動從底座板傳遞至靠近底座板的基床表層封閉層的衰減梯度增大。

(4)當基床表層處于含水飽和狀態時，試驗模型經歷3萬次加載后開始出現翻漿，隨著加載次數的進一步增大，基床表層翻漿程度迅速惡化，大量泥漿被擠出，然后進入緩慢惡化階段。翻漿發展過程與試驗模型動力響應變化規律完全吻合，即基床表層翻漿及其惡化降低基床表層對底座板的支承能力，誘發底座板-基層之間振動傳遞模式突變。翻漿會造成無砟軌道不斷惡化，應及時盡早整治。