重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)變形試驗研究

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(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料[1-2]。

泡沫輕質(zhì)土密度通常在300～1300kg/m3,僅為路基土質(zhì)填料的1/5～1/3，具有輕質(zhì)性、密度可調(diào)性，取材容易、施工簡單。泡沫輕質(zhì)土密度小、強度高、剛度大的特性對工后沉降的控制較傳統(tǒng)填料更有優(yōu)勢，可顯著降低基底應(yīng)力，達(dá)到有效控制沉降、變形的目的。與高分子材料相比，泡沫輕質(zhì)土耐久性更強，具有與水泥材料相等的耐久性。泡沫輕質(zhì)土固化后具有自立性，可垂直填筑，使得施工作業(yè)面小，可有效解決過渡段施工困難[3]。

1 泡沫輕質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)試驗

采用0.5水灰比配置泡沫輕質(zhì)土，干密度取400～1 000 kg/m3，泡沫輕質(zhì)土干密度與抗壓強度關(guān)系見表1[4]。試驗結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土抗壓強度隨著干密度增加而增加，干密度500 kg/m3(約為濕密度700 kg/m3)以上的泡沫輕質(zhì)土抗壓強度大于2 MPa，基本滿足作為路基底層填筑材料的要求[5]。

在泡沫輕質(zhì)土含水飽和的條件下，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土配合比密度達(dá)到700 kg/m3后，其動強度大于350 kPa。在應(yīng)力90～130 kPa、作用頻率5 Hz時，干密度700 kg/m3

表1 泡沫輕質(zhì)土干密度與抗壓強度

的泡沫輕質(zhì)土彈性模量約為140～170 MPa。

水分對泡沫輕質(zhì)土強度等力學(xué)性能影響明顯，實際工程中難以完全隔絕水分的影響。不同濕密度泡沫輕質(zhì)土25次干濕循環(huán)后抗壓強度最大損失率小于15%。泡沫輕質(zhì)土抵抗干濕循環(huán)性能較強[4]。

不同密度泡沫輕質(zhì)土在凍融循環(huán)作用下也體現(xiàn)出不同的性能，隨著密度的提高其抗壓強度損失率逐漸減小，干密度700～1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土在25次凍融循環(huán)后抗壓強度損失率為4%～15%[4]。

一定干密度以上的泡沫輕質(zhì)土整體物理性能、耐久性滿足作為重載鐵路路基底層填料的要求，但是泡沫輕質(zhì)土性能受水分影響較大。

本文建立實尺模型，驗證泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)在35～40 t軸重作用下的性能。

2 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)

2.1 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)形式

相比一般軸重列車，開行重載列車的路基將面臨2個方面的技術(shù)問題：①軸重增加引起路基荷載增加，路基內(nèi)部動應(yīng)力疊加效應(yīng)明顯，影響深度增大；②長大編組列車會使得路基荷載連續(xù)作用次數(shù)增加，導(dǎo)致路基土體中累積孔壓難以及時消散、有效應(yīng)力減小和基床強度降低[6-8]。此外，我國路基設(shè)計使用年限一般是100年，對路基填料耐久性、結(jié)構(gòu)形式的合理性要求嚴(yán)格。

根據(jù)重載鐵路路基現(xiàn)場測試結(jié)果，結(jié)合理論計算，得到軸重30 t列車荷載作用下，距離軌枕底面0.5 m深度下路基面應(yīng)力最大值為123 kPa，平均值為57.5 kPa；距離軌枕底面1.2 m深度下基床底層表面應(yīng)力在60～80 kPa[8]。在考慮水對泡沫輕質(zhì)土抗壓強度的影響下，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土配合比密度達(dá)到700 kg/m3后，其動強度達(dá)到350 kPa，已遠(yuǎn)大于路基內(nèi)應(yīng)力，說明泡沫輕質(zhì)土層骨架不會產(chǎn)生破壞。

泡沫輕質(zhì)土密度小，可大幅度地減輕施加于地下結(jié)構(gòu)物上的土壓力；剛度大，可以使路基內(nèi)應(yīng)力更大范圍均勻擴(kuò)散，減小作用于地下結(jié)構(gòu)物上的附加應(yīng)力。使用泡沫輕質(zhì)土代替普通路基填料作為基床底層填料可以有效地解決難以獲取優(yōu)質(zhì)填料、過渡段差異沉降大、受條件限制施工困難、地基條件不滿足規(guī)范要求等問題[9]。

根據(jù)泡沫輕質(zhì)土材料物理力學(xué)性質(zhì)和TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》提出適用于重載鐵路的泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)。特設(shè)置0.2 m厚兩布一膜砂墊層，增強整體結(jié)構(gòu)防排水性能，保證泡沫輕質(zhì)土基床防水性能，具體參數(shù)見表2，路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)示意

2.2 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)有限元計算分析

計算重載條件下路基縱向、橫向和垂向3個方向的應(yīng)力分布，得出路基的荷載特征及其擴(kuò)散規(guī)律和路基基床三維應(yīng)力狀態(tài)。確保試驗過程中泡沫輕質(zhì)土層受到的應(yīng)力能夠達(dá)到實際運營過程中的理論應(yīng)力值。

2.2.1 模型介紹

為了驗證泡沫輕質(zhì)土在重載鐵路路基中的應(yīng)用效果，在試驗槽鋪設(shè)實尺模型試驗結(jié)構(gòu)，采用與實際重載鐵路相同的軌道結(jié)構(gòu)。由于只能單軸加載，沒有實際列車的多軸應(yīng)力疊加作用，為了充分驗證泡沫輕質(zhì)土作為基床底層填料的疲勞性能，道砟鋪設(shè)35 cm，減薄級配碎石層為20 cm，下部鋪設(shè)20 cm厚兩布一膜砂墊層增強防排水性能，澆筑濕密度800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土1 m厚，試驗槽下部填充A，B組填料1.1 m。

采用巖土力學(xué)三維有限元計算軟件ABAQUS，模擬實際填料特性，結(jié)合實尺模型實際情況設(shè)置邊界條件，計算路基內(nèi)應(yīng)力分布。各部分計算參數(shù)見表3。

表3 仿真計算各部分參數(shù)

2.2.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計算，35,40 t軸重情況下受力最大的軌枕鋼軌之下垂向動應(yīng)力隨著深度的增加而減小。

不同深度垂向動應(yīng)力計算結(jié)果見表4。路基內(nèi)應(yīng)力在經(jīng)過泡沫輕質(zhì)土層后傳遞到A，B組填料表面只有輕質(zhì)土表面的63%，可見泡沫輕質(zhì)土因其剛度大的特性可以有效地擴(kuò)散應(yīng)力，減小作用于地下結(jié)構(gòu)物上的附加應(yīng)力。并且實尺模型表面的應(yīng)力與實車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力大小基本一致，實尺模型足以模擬實車荷載對路基產(chǎn)生的應(yīng)力作用。

表4 不同深度垂向動應(yīng)力 kPa

3 室內(nèi)實尺模型試驗

實尺模型試驗著重測試自然干燥和完全浸水2種狀態(tài)下泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的動變形和累積變形。

3.1 試驗方案

試驗儀器為中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司軌道結(jié)構(gòu)國家重點實驗室MTS四通道脈沖疲勞試驗機(最大軸向負(fù)荷為500 kN，頻率1～20 Hz)，配備自動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采用500 kN加載梁搭設(shè)在鋼軌上，對加載梁施加正弦波荷載，模擬列車單軸荷載。先對試驗?zāi)Ｐ褪┘虞S重20 t、頻率5 Hz共200萬次穩(wěn)定道砟。之后逐級施加軸重35，40 t，頻率5 Hz，整體結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后進(jìn)行下一級加載。

為測試泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的抗變形性能以及防排水性能，傳感器布置見圖2。

圖2 泡沫輕質(zhì)土實尺模型試驗結(jié)構(gòu)(單位：m)

3.2 實尺模型試驗結(jié)果分析

3.2.1 動變形

在軸重35，40 t動力加載條件下泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的動變形情況見表5。泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)層厚度1.0 m，其動變形在0.06 mm以下，動應(yīng)變小于0.006%，隨荷載增加變形增加比例約為20%，在整個試驗過程中動變形穩(wěn)定在0.05 mm左右，說明泡沫輕質(zhì)土剛度較大抵抗動變形能力較強。路基面動變形在0.32 mm 以下，隨荷載增加變形增加比例約為10%，不會影響到道床狀態(tài)。路基結(jié)構(gòu)整體變形較小，形式合理。

表5 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)動變形試驗結(jié)果 mm

圖3 干燥條件下泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形

3.2.2 泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形

在軸重35，40 t動力加載干燥條件下泡沫輕質(zhì)土層的累積塑性變形見圖3。可知，隨著作用次數(shù)的增加塑性變形逐漸趨于穩(wěn)定，荷載增加后塑性變形隨之增加，最終塑性變形穩(wěn)定在0.05 mm，總計約400萬次的疲勞荷載作用下總變形不超過0.12 mm。泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大的塑性變形，服役性能優(yōu)良。

在軸重35，40 t動力加載浸水條件下，泡沫輕質(zhì)土層的累積塑性變形見圖4。可知，浸水使上部荷載增加，在干燥條件下經(jīng)過疲勞穩(wěn)定的塑性變形繼續(xù)增長，在軸重35 t作用下最終穩(wěn)定在0.14 mm。軸重增加至40 t泡沫輕質(zhì)土塑性變形繼續(xù)發(fā)展至0.08 mm后趨于穩(wěn)定。

圖4 浸水條件下泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形

整個試驗過程973萬次，最終累積塑性變形小于0.35 mm，泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)并未發(fā)生嚴(yán)重破壞，該結(jié)構(gòu)泡沫輕質(zhì)土層能夠抵抗400 kN的動荷載作用，不會產(chǎn)生影響軌道狀態(tài)的過大變形。

3.2.3 路基面動變形和累積變形

試驗過程中，同步采集了路基面變形情況，路基面變形情況見表6。整個試驗過程中，路基面累積變形不超過1.2 mm，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)形式合理。

表6 路基面累積塑性變形 mm

3.2.4 路基結(jié)構(gòu)防水性能

圖5 泡沫輕質(zhì)土含水率變化曲線

濕密度800 kg/m3泡沫輕質(zhì)土吸水率約為0.3[10]，含水率變化曲線見圖5。可知，浸水后泡沫輕質(zhì)土內(nèi)含水率從4.4%增加到5.5%，變化較小。表明泡沫輕質(zhì)土整體結(jié)構(gòu)防排水性能優(yōu)良，含水率稍有增加是因為路基結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計有沉降標(biāo)，沉降標(biāo)部位防水較為困難造成水分滲入。

浸水后經(jīng)過413萬次疲勞荷載作用并未產(chǎn)生任何不良現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)形式合理。

4 結(jié)論

1)泡沫輕質(zhì)土填料適合作為施工困難、優(yōu)質(zhì)填料難以獲取、嚴(yán)格控制變形等特殊鐵路路基區(qū)段的基床底層填料。

2)實尺模型試驗結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)土層動變形量小于0.07 mm，累積變形小于0.35 mm；整體結(jié)構(gòu)動變形量小于0.4 mm，累積變形小于1.2 mm。整體結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性。

3)泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)中的砂墊層可以有效地防止泡沫輕質(zhì)土層浸水，避免泡沫輕質(zhì)土層受水分影響產(chǎn)生路基病害。