長期動載下高速鐵路聚氨酯加強層浸水試驗研究

王 勇

(中鐵十七局集團第二工程有限公司, 陜西西安 710032)

高速鐵路具有高速、舒適、安全的特點，為滿足高速鐵路系統高平順性、高穩定性的要求，無砟軌道路基結構應滿足強度、變形、耐久性等方面的功能要求。路基作為軌道的基礎與上部軌道結構一起形成列車走行的基礎，作為一種土工構筑物暴露于外界不僅受到自然環境、地形地貌的制約，而且服役過程中長期受到列車循環動荷載作用，是高速鐵路運營中最為關鍵和薄弱的部分[1]，己有研究表明，水下滲進入路基基床，不僅會減小基床土體強度，同時也會降低基床土體的抗變形能力[2]。無砟軌道路基為空間多層復合體結構，路基結構層分別為基床表層、基床底層、路基本體，其中基床表層是路基結構中承受動力荷載和環境影響最大的區域。根據高速鐵路路基基床表層水力損傷病害發生原因和特征，借鑒我國高速公路基層在水穩定性和防沖刷設計思想，在基床表層上應用具有協調層間變形和防滲功能的防水聯結層是解決水損傷病害的有效途徑[3-5]。

針對此本文提出了一種新型防排水基床結構，即在基床表層增設膠凝級配碎石防水層(圖1)，并開展了結構層防水性能室內試驗。

圖1 聚氨酯碎石防排水型基床結構

1 試驗方法內容

1.1 模型制作

(1)模型尺寸。

試驗模型箱為鋼結構長方體(長×寬×高=58cm×52cm×65cm)，底部鋼板厚度為2.5cm，其余部分鋼板厚度為1.5cm，兩側分別采用夾具固定在立柱上進行限位，限制模型箱在加載過程中發生晃動。

(2)邊界條件。

為降低模型箱對結構邊界受力方式的影響，在模型箱左右兩個分別粘貼1cm厚的擠塑板，并通過在側向放置土壓力盒監測側邊邊界對結構變形的影響，而在底部不設置擠塑板為剛性邊界。

(3)測點布置。

為監測試驗各結構層的受力和變形特性，在聚氨酯膠凝碎石表面、級配碎石底部、級配碎石中部和表面中埋設了土壓力、濕度計，在聚氨酯級配碎石的表面和底部分別安裝了沉降板，模型的傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置

2.2 試驗加載

加載荷載由西南交通大學線路工程教育部重點實驗室的液壓伺服加載系統提供，試驗加載荷載幅值按應力等效原則進行換算，數值計算和現場試驗表明無砟軌道路基面動應力幅值范圍為10～20kPa，根據應力等效原則計算荷載幅值為5kN，動力荷載加載頻率為5Hz，自然狀態下激振2.4萬次，浸水狀態下加載2.4萬次。

圖3 加載荷載

3 試驗成果

3.1 級配碎石含水率分析

級配碎石層含水率變化反映了聚氨酯膠凝碎石加強層的阻水性能。由圖4可見，注水前后，級配碎石內部含水率穩定，在深度方向上：下部>上部>中部，上部含水率控制在14 %左右，中部含水率控制在5 %左右，下部含水率控制在17 %左右，設置加強層后，結構層具有較好的阻水能力。

圖4 各層位含水率變化曲線

3.2 動應力分析

動應力反映了激振荷載對結構的作用的大小，以應力波的形式在各層傳遞，在傳播過程中由于土體的阻尼的作用吸收能量，則土壓力沿著深度方向逐漸減小。如圖5所示，前期在級配碎石頂部一定范圍內，應力波需要進行一定的調整，土壓力曲線有所波動但是中后期土壓力變化穩定，且注水前后對動應力變化不明顯。同時發現，激振力經過5cm加強層后，土壓力衰減了20 %，可見聚氨酯碎石加強層具有顯著的耗能。

3.3 累積沉降分析

散體材料在激振力作用下會產生塑性變形，過大的變形將會惡化軌道的平順狀態，嚴重影響行車舒適性與安全性。由于圖6所示，激振2萬次之后，沉降較穩定，聚氨酯層塑性變形為1.11mm，之后變化穩定。

圖5 各層位土壓力累積變化曲線

圖6 聚氨酯混合料表層、級配碎石表層沉降曲線

4 結論

鑒于現行高速鐵路基床翻漿病害愈演愈烈，嚴重危及到線路安全，本文提出一種新型的新型防排水基床結構，即在基床表層增設膠凝級配碎石防水層，并開展了結構層防水性能室內試驗。得出如下結論：聚氨酯膠凝級配碎石具有穩定的隔水阻水性，且能顯著的衰減上部激振應力波，同時塑性變形較小，約為1.11mm。