商擁輝,徐林榮
(1.黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南 駐馬店463000;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410075;3.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410075)
重載鐵路具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等特點(diǎn),成為各國貨運(yùn)鐵路主要發(fā)展方向[1]。相比俄羅斯、美國、巴西、瑞典等,中國重載鐵路具有起步晚、軸重輕、客貨混運(yùn)等特點(diǎn)。相比普通鐵路與高速鐵路而言,重載列車具有軸重大、貨車組編組長(zhǎng)、行車密度大等特點(diǎn),運(yùn)營期循環(huán)列車動(dòng)載作用下路基的動(dòng)力變形程度更突出[2],不僅影響列車運(yùn)營安全,且對(duì)軌下路基結(jié)構(gòu)工作性能提出更高要求?;沧鳛槁坊诵膶樱浅袚?dān)循環(huán)交通荷載的主要部分。由已往鐵路工程實(shí)踐來看,膨脹土地區(qū)鐵路路基完好率不足30%,說明改良膨脹土路基動(dòng)力穩(wěn)定有待深入研究。目前,中國在膨脹地區(qū)修建重載鐵路案例較少,水泥改良膨脹土用作重載鐵路基床及以下路堤填料鮮有報(bào)道。因此,探究重載鐵路水泥改良膨脹土路基動(dòng)力變形特性,對(duì)改良膨脹土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、健康診斷、養(yǎng)修維護(hù)及安全運(yùn)營等問題具有重大的理論意義與工程實(shí)踐價(jià)值。
鐵路路基動(dòng)力特性研究方法主要包括:理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。鑒于該問題的復(fù)雜性,國內(nèi)外學(xué)者最初借助經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行分析。1867年Winkler提出軌道力學(xué)分析的彈性地基梁模型[3],F(xiàn)ryba[4]驗(yàn)證了Winkler模型的合理性,Krylov[5]結(jié)合Winkler模型分析了恒速移動(dòng)荷載作用置于地基梁時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)解析解。翟婉明等[6]、陳云敏等[7]圍繞車輛-軌道-基床耦合振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行大量研究。上述理論研究逐漸完善,為數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ),如文獻(xiàn)[8]借助FLAC-3D軟件建立模型,總結(jié)時(shí)速120 km、軸重25-40 t列車作用下路基面動(dòng)應(yīng)力范圍為74.60-119.37 kPa,動(dòng)變形范圍為1.992-2.68 mm;文獻(xiàn)[9]借助ABAQUS軟件建立模型計(jì)算30 t軸重、時(shí)速80 km列車作用時(shí)路基面動(dòng)應(yīng)力達(dá)到102 kPa;Indraratna等[10]、井國慶等[11]、肖軍華等[12]借助離散元模擬了隨機(jī)分布有砟道床的動(dòng)力傳遞規(guī)律。
經(jīng)典理論分析與數(shù)值模擬建立在諸多簡(jiǎn)化和假設(shè)之上,計(jì)算精度需要大量驗(yàn)證。目前,測(cè)試仍是研究鐵路路基動(dòng)力特性最直接、可靠途徑。蔣紅光等[13]借助I型板式軌道-路基1∶1模型,測(cè)試獲取軸重17 t、時(shí)速216 km高速列車作用下鋼筋混凝土底座、鋼軌、軌道中心下方路基面的動(dòng)應(yīng)力依次為49.6,23.6和18.7 kPa;冷伍明等[14]借助重載鐵路路
基足尺模型試驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試獲取時(shí)速80 km、軸重25,27,30 t列車作用下路基面動(dòng)應(yīng)幅值依次為64,
74.9和90.1 kPa。模型試驗(yàn)有足尺和縮尺之別,縮尺模型存在比尺效應(yīng),即便足尺模型也較難模擬地基的無限域。鐵科院在朔黃重載鐵路開展現(xiàn)場(chǎng)行車測(cè)試表明[15]:軸重23-30 t列車運(yùn)行路基面動(dòng)應(yīng)力范圍為110.1-123.0 kPa。行車試驗(yàn)解決了模型實(shí)驗(yàn)無法模擬的地基問題,但是往往費(fèi)用較高且會(huì)阻斷線路正常運(yùn)行,而現(xiàn)場(chǎng)激振實(shí)驗(yàn)在很大程度上兼顧了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)行車試驗(yàn)的諸多優(yōu)點(diǎn)。早在2006年,合 寧 線 就 開 展 了 現(xiàn) 場(chǎng) 激 振 試 驗(yàn)[16],達(dá) 成線[17]、京滬線[18]和云桂線[19]等也先后開展,說明激振試驗(yàn)已非常成熟。另外,合寧線和云桂線部分測(cè)試斷面為石灰改良膨脹土,測(cè)試方法與相關(guān)成果為本文研究奠定了基礎(chǔ)。為此,本文依托浩吉重載鐵路開展現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn),系統(tǒng)探究水泥改良膨脹土路基的動(dòng)力特性。
浩吉重載鐵路起于內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉站,止于江西省吉安站,全長(zhǎng)1837 km,是繼大秦線之后國內(nèi)又一條超長(zhǎng)距離運(yùn)煤通道,設(shè)計(jì)輸送能力為2×108t/年,線路部分區(qū)間采用客貨混運(yùn)。三門峽至荊門段途經(jīng)南陽盆地(屬典型膨脹土區(qū)),膨脹土分布約211 km,改良土填方約1581×104m3。試驗(yàn)選取三荊試驗(yàn)段南陽鄧州區(qū)DK948+275斷面開展現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn),該斷面基床表層采用A組填料,基床底層及以下路堤填料分別采用水泥摻量5%和3%的改良膨脹土。填筑所需膨脹土取自南陽鄧州郊區(qū)大山寨取土廠,結(jié)合室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn),對(duì)比膨脹土摻入水泥改良前后的工程性質(zhì)如表1所示。
由表1可知:膨脹土摻入水泥改良后,因固化反應(yīng)粗顆粒含量增加,脹縮性顯著降低,強(qiáng)度指標(biāo)與水穩(wěn)定系數(shù)大幅提高,說明膨脹土采用水泥摻量3%-5%進(jìn)行改良方案可行。同時(shí),對(duì)比同摻量水泥與石灰改良部分指標(biāo)(如表2所示)可知:在降低膨脹性方面,水泥與石灰改良功效相當(dāng),但在提高強(qiáng)度方面,采用水泥進(jìn)行改良效果更好。

表1 水泥改良膨脹土工程性質(zhì)Tab.1 Engineering properties of cement-stabilized expansive soil

表2 水泥與石灰改良對(duì)比Tab.2 Comparison of cement and lime improvement
動(dòng)載模擬:激振器選用ZBS60型變頻、變矩式振動(dòng)機(jī),其多次應(yīng)用于鐵路路基動(dòng)力試驗(yàn),具有良好工作性能。激振器自身質(zhì)量較小,需借助混凝土配置塊協(xié)同工作。參考文獻(xiàn)[19]方法,確定混凝土配重塊與路基面接觸面為1.5 m正方形,混凝土配置塊采用臺(tái)階形式,一級(jí)和二級(jí)臺(tái)階高度分別為150和1200 mm?;炷僚渲貕K激振過程中要滿足穩(wěn)定、抗裂等要求。文獻(xiàn)[14-15]表明重載鐵路路基面動(dòng)應(yīng)力范圍為80-128 kPa,試驗(yàn)中通過調(diào)整激振器的頻率與偏心力矩,使加載曲線(正弦曲線)動(dòng)應(yīng)力幅值涵蓋70-140 kPa。參考文獻(xiàn)[16,19],振動(dòng)頻率由車速與振源距離的簡(jiǎn)化計(jì)算公式得到

式中f為激振頻率(Hz);v為行車速度(km/h);s為激振源距離(m)。以重載鐵路多采用C80貨車組和SS9客運(yùn)列車為例,計(jì)算振動(dòng)頻率如表3所示。
由表3可知:客車或貨車作用產(chǎn)生的激振頻率范圍約為0.2-1.6 Hz,為保護(hù)加載設(shè)備,前50×105次加載頻率控制在1 Hz以內(nèi)。參考文獻(xiàn)[14,16],加載振次選取400×104次,近似模擬運(yùn)營10年內(nèi)列車荷載量??紤]實(shí)際路基所受動(dòng)應(yīng)力為柔性荷載,在激振臺(tái)下鋪設(shè)厚度0.15 m工作墊層(材料與基床表層相同),使模擬動(dòng)應(yīng)力與實(shí)際情況盡可能接近。

表3 列車振動(dòng)頻率Tab.3 Vibration frequency of the trains
元件布設(shè):在斷面左線軌道中心位置,基床表層頂面、及以下0.6,1.5,2.5,3.5和4.5 m處各設(shè)置一處動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)加速度測(cè)試元件;沿軌道中心左偏移0.5 m、右偏移1.5 m線,分別在基床表層底面、基床底層底面,各設(shè)置2處動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)加速度測(cè)試元件。斷面共設(shè)置10處測(cè)試點(diǎn),測(cè)試元件橫斷面布置如圖1所示。

圖1 測(cè)試組件布置橫斷面圖(單位:m)Fig.1 Cross-sectional view of test component layout(Unit:m)
影響測(cè)試結(jié)果因素包括:傳感器類型、量程、精度、靈敏度、溫度等。結(jié)合試驗(yàn)特點(diǎn),并參考文獻(xiàn)[13,18-19]測(cè)試元件類型,試驗(yàn)選取JMYJ-1503m型電阻式動(dòng)土壓力盒與CA-YD-117型壓電式加速度傳感器,主要參數(shù)如表4所示。數(shù)據(jù)采集選用60通道IMC采集儀,試驗(yàn)過程如圖2所示。

表4 元件主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of components

圖2 現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)測(cè)試過程圖Fig.2 Test process chart of field excitation test
考慮列車荷載發(fā)生營運(yùn)期,同時(shí)盡可能避免填筑期地基持續(xù)沉降對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果影響,待路基靜置達(dá)1年之久才開始。圖3為現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)開始前路基中心地基沉降測(cè)試數(shù)據(jù)(為避免干擾現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)斷面開展,沉降測(cè)試選DK948+270斷面,與現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)DK948+275斷面相差5 m)。

圖3 建設(shè)期地基沉降測(cè)試曲線Fig.3 Test curve of foundation settlement
由圖3可知:測(cè)試斷面沉降隨時(shí)間發(fā)展呈階段性變化特征,填筑前期地基受上部荷載作用壓縮變形快速發(fā)展,填筑后期地基壓縮變形逐漸變緩,靜置期沉降隨時(shí)間發(fā)展趨于穩(wěn)定??梢?,激振試驗(yàn)開始前沉降基本完成,路基變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。
數(shù)據(jù)采樣間距時(shí)間為1 ms,在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過程中,按95%的置信區(qū)間剔除異常值,取有效值分析。為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的可靠性,分別從路基面動(dòng)應(yīng)力峰值與動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減規(guī)律兩個(gè)方面驗(yàn)證,表5為不同方法獲取的路基面動(dòng)應(yīng)力峰值,圖4為不同途徑獲取動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減曲線(衰減值為同位置動(dòng)應(yīng)力與路基面動(dòng)應(yīng)力之比)。
由表5可知:Boussinesq理論解與模型試驗(yàn)結(jié)果接近,均小于本文現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,隨軸重增加三者差異逐漸減小,軸重30 t時(shí)激振試驗(yàn)結(jié)果約為模型試驗(yàn)、理論解的1.3倍,其中模型試驗(yàn)誤差除考慮測(cè)試系統(tǒng)外,速度不同也是一個(gè)不可忽視的因素;相同荷載工況下,激振試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與朔黃重載鐵路行車試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,軸重30 t時(shí)誤差約為6%,相對(duì)較小。
由圖4可知:激振試驗(yàn)與室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)試獲取的動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減規(guī)律吻合度較高,兩者在基床(2.5 m)范圍內(nèi)衰減系數(shù)約為0.22,說明該范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力衰減接近80%。
綜合表5和圖4可知,峰值與衰減曲線驗(yàn)證了本文激振試驗(yàn)加載方法與測(cè)試結(jié)果的可靠性。

表5 路基面動(dòng)應(yīng)力對(duì)比Tab.5 Comparison dynamic stress on subgrade surface

圖4 動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of dynamic stress along with the subgrade depth
圖5為激振試驗(yàn)獲取的不同荷載工況條件下加速度沿路基深度的變化與衰減曲線。

圖5 加速度沿路基深度變化曲線Fig.5 Acceleration variation curve along subgrade depth
由圖5可知:加速度隨速度增加逐漸變大,軸重21 t、時(shí)速120,140,160,180,200 km荷載工況下路基面加速度依次為1.3,1.6,2.5,3.9,5.5 m2/s,加速度隨列車速度增加增幅逐漸變大(23.08%,92.31%,200%,323%);相同時(shí)速條件下,軸重由25 t增至30 t時(shí),路基面加速度測(cè)試值為9.8 m2/s,相應(yīng)增加了78.18%;不同荷載工況下加速度沿路基深度衰減趨勢(shì)基本一致,但局部曲線有一定的波動(dòng),初步考慮數(shù)據(jù)異常;軸重21 t、時(shí)速120-200 km客運(yùn)列車作用下,加速度衰減至基床底層底面時(shí)的衰減系數(shù)為0.17-0.36,說明基床范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力最大衰減量達(dá)到64%-83%;相比客車而言,時(shí)速120 km、軸重25-30 t貨車作用下加速度衰減曲線的一致性更好,到達(dá)基床底層底面衰減量可達(dá)80%以上。
圖6為激振試驗(yàn)獲取不同荷載工況條件下的動(dòng)應(yīng)力沿路基深度變化和衰減曲線。由圖6可知:動(dòng)應(yīng)力沿路基深度變化和衰減規(guī)律與測(cè)試加速度吻合;軸重21 t、時(shí)速120,140,160,180,200 km荷載工況下路基面的動(dòng)應(yīng)力依次為83.02,89.13,92.61,96.13,103.02 kPa;時(shí)速120 km、軸重25和30 t荷載工況下路基面動(dòng)應(yīng)力測(cè)試值為98.57和116.07 kPa。相較而言,動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減曲線的整體一致性要好于加速度,動(dòng)應(yīng)力在基床表層和底層范圍最大衰減量分別可達(dá)40%和80%;軸重25-30 t重載貨車組運(yùn)行時(shí),基床表層底面和基床底層地面動(dòng)應(yīng)力分別為47.07-56.50 kPa和22.67-25.80 kPa。

圖6 動(dòng)應(yīng)力沿路基深度變化曲線Fig.6 Dynamic stress curve along subgrade depth
測(cè)試斷面埋設(shè)動(dòng)土壓力量程0.2 MPa,而路基面最大動(dòng)應(yīng)力為116.07 kPa,約為組件量程的58.03%,可以確保測(cè)試過程中組件一直處于良好工作狀態(tài)。
路基受上部激振荷載作用下,在水平和豎向同時(shí)分布動(dòng)應(yīng)力,各自影響范圍如圖7和8所示,其中豎向影響深度最受關(guān)注,本文采用動(dòng)靜應(yīng)力比探討動(dòng)應(yīng)力在豎向的影響深度(參考文獻(xiàn)[16],把動(dòng)靜應(yīng)力比0.2作為確定動(dòng)應(yīng)力有效作用范圍依據(jù),即動(dòng)力影響范圍為動(dòng)靜應(yīng)力比>0.2)[16]。
由圖7可知:在相同埋設(shè)位置,距離激振源距離較近的測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力越大,動(dòng)應(yīng)力沿路基橫向呈線性衰減,距離激振中線右側(cè)0.5和1.5 m處動(dòng)應(yīng)力衰減量分別約為35%和60%。

圖7 動(dòng)應(yīng)力沿路基橫向變化曲線Fig.7 Dynamic stress curve along subgrade transverse direction
由圖8可知:動(dòng)應(yīng)力沿路基深度逐漸衰減,靜應(yīng)力(材料自重應(yīng)力計(jì)算)隨路基深度逐漸增加;在路基深度2.5 m處計(jì)算動(dòng)靜應(yīng)力比值為0.33-0.41,大于0.2,說明動(dòng)力影響深度已經(jīng)超過基床設(shè)計(jì)厚度2.5 m;路基深度3.5和4.5 m處動(dòng)靜應(yīng)力比值分別為0.23-0.27和0.14-0.18,說明重載鐵路水泥改良膨脹土路基服役期列車荷載作用下的豎向動(dòng)力影響深度約為3.5-4.5 m。

圖8 動(dòng)、靜應(yīng)力沿路基深度變化曲線Fig.8 Dynamic and static stress curve along with the subgrade depth
由上述可知,營運(yùn)期列車動(dòng)載對(duì)路基橫向影響范圍有限,更多表現(xiàn)為豎向。鑒于豎向動(dòng)力影響范圍已超過基床設(shè)計(jì)厚度值,需對(duì)其動(dòng)力穩(wěn)定進(jìn)行合理評(píng)估。
本文借助臨界動(dòng)應(yīng)力[15,19]法對(duì)路基的動(dòng)強(qiáng)度穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)(當(dāng)路基動(dòng)應(yīng)力水平小于同位置填料臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí)認(rèn)為穩(wěn)定,反之不穩(wěn)定),填料臨界動(dòng)應(yīng)力范圍參考文獻(xiàn)[20-21]選取,其中文獻(xiàn)[20]為本文作者前期研究成果,具體對(duì)比結(jié)構(gòu)如表6所示。
由表6可知:基床表層、基床底層及以下路堤在不同列車荷載工況下,路基動(dòng)應(yīng)力水平均小于同位置填料臨界動(dòng)應(yīng)力,說明水泥摻量的5%和3%為改良膨脹土分別用作重載鐵路基床底層及以下路堤填料,滿足動(dòng)強(qiáng)度穩(wěn)定要求。

表6 路基應(yīng)力水平與臨界動(dòng)應(yīng)力對(duì)比Tab.6 Comparisons of subgrade stress level with critical dynamic stress
圖9為測(cè)試路基面累積變形平均值隨激振次數(shù)的變化曲線,選取相鄰DK948+175斷面(該斷面基床表層為A組填料,基床表層以下為B組填料)進(jìn)行對(duì)比分析。
由圖9可知:循環(huán)激振荷載作用下,路基面累積變形隨振次增加呈“快速-緩慢-穩(wěn)定”發(fā)展,累積變形主要發(fā)生在前150×104次,約占總測(cè)試路基面累積變形值的80%以上;激振200×104和400×104次時(shí)累積變形分別為3.58,3.64 mm,整體控制在5 mm以內(nèi),說明循環(huán)荷載作用下水泥改良土路基壓縮變形量相對(duì)較小,路基動(dòng)變形穩(wěn)定性基本滿足要求。另外,對(duì)比知水泥改良膨脹土路基斷面與相鄰A/B組填料斷面測(cè)試結(jié)果差異較小,說明膨脹土經(jīng)水泥改良后路基的強(qiáng)度與剛度能夠與A/B組填料相當(dāng)。

圖9 累積變形隨激振次數(shù)變化曲線Fig.9 Curve of cumulative deformation with times of excitation
依托浩吉重載鐵路工程背景,開展水泥改良膨脹土路基的現(xiàn)場(chǎng)大型激振試驗(yàn),模擬預(yù)留客運(yùn)軸重21 t、時(shí)速120-200 km及軸重25-30 t、時(shí)速120 km貨運(yùn)列車作用下路基的動(dòng)力特性,得出如下結(jié)論:
(1)將現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算、已有重載鐵路現(xiàn)場(chǎng)行車試驗(yàn)、重載鐵路室內(nèi)路基足尺模型測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)測(cè)試路基面峰值大于室內(nèi)模型試驗(yàn)和Boussinesq理論解,與已有現(xiàn)場(chǎng)行車試驗(yàn)誤差相對(duì)較小,動(dòng)應(yīng)力沿路基深度衰減規(guī)律與室內(nèi)模型試驗(yàn)吻合,表明激振試驗(yàn)可以有效模擬重載列車作用下路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。
(2)測(cè)試動(dòng)應(yīng)力與加速度沿路基深度變化與衰減的規(guī)律基本吻合,不同荷載工況下動(dòng)應(yīng)力衰減曲線一致性好于加速度;時(shí)速120 km、軸重25-30 t重載列車作用路基面動(dòng)應(yīng)力為98.57-116.07 kPa,大于軸重21 t、時(shí)速120-200 km預(yù)留客車作用時(shí)的83.02-103.02 kPa;重載列車作用下路基動(dòng)應(yīng)力在橫向影響較弱,豎向動(dòng)力影響深度約為基床設(shè)計(jì)厚度的1.4-1.8倍。
(3)水泥摻量為5%和3%的改良膨脹土分別用作路基底層與以下路堤填料時(shí),對(duì)比可知路基動(dòng)力影響深度范圍內(nèi)填料的臨界動(dòng)應(yīng)力范圍遠(yuǎn)大于同位置路基的動(dòng)應(yīng)力水平,說明動(dòng)強(qiáng)度穩(wěn)定;測(cè)試循環(huán)激振荷載作用下路基面累積變形較小,控制在5 mm以內(nèi),說明動(dòng)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。
文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)重載鐵路水泥改良膨脹土路基的動(dòng)力特性進(jìn)行研究,獲得有益結(jié)論,不足之處在于:激振器施加為豎向正弦荷載,未能考慮列車行駛過程中的主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)效應(yīng);激振器并沒有架設(shè)到真實(shí)軌道上,累積變形未能考慮軌枕-道砟相互作用時(shí)的變形量。鑒于此,后期可結(jié)合該斷面運(yùn)營期測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步補(bǔ)充分析。