李小和

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

武漢—廣州高速鐵路(以下簡稱“武廣高鐵”)設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，是我國第一條復(fù)雜山區(qū)的長大無砟軌道高速鐵路。高速列車的運(yùn)行和無砟軌道的修建對(duì)鐵路線下結(jié)構(gòu)的工后沉降、平順性、動(dòng)力穩(wěn)定性、剛度等有極高的要求，武廣高鐵按工后沉降15 mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

武廣高鐵沿線分布較多全、強(qiáng)風(fēng)化軟巖，以白堊系及下第三系泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖，元古界砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖等為主，軟巖棄砟占全線挖方棄砟的60%左右。武廣高鐵施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)規(guī)范、規(guī)定［1－2］對(duì)時(shí)速350 km高速路基填料要求為“基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤應(yīng)優(yōu)先選用A、B組填料和C組的塊石、碎石、礫石類填料(不含細(xì)粒土、粉砂及易風(fēng)化軟質(zhì)巖塊石土)?！?/p>

軟巖的主要特點(diǎn)是黏土礦物成分含量高，強(qiáng)度低，易風(fēng)化，遇水后強(qiáng)度會(huì)急劇降低。為了減少棄砟，改善環(huán)境，變廢為用，鐵四院進(jìn)行了軟巖改良土用作高速鐵路路基填料的改良方案、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、施工方法等成套技術(shù)的科研攻關(guān)，通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場填筑試驗(yàn)段等系統(tǒng)研究，成功將軟巖改良土用于武廣高速鐵路路基本體填筑，拓寬了高速鐵路路基填料來源，節(jié)約了投資。

本文主要對(duì)武廣高速鐵路軟巖物理改良土填筑路基在高速列車荷載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行實(shí)測分析，評(píng)價(jià)其動(dòng)力穩(wěn)定性，并驗(yàn)證高速鐵路軟巖改良土路基設(shè)計(jì)的合理性。

1 試驗(yàn)工點(diǎn)概況

1.1 試驗(yàn)工點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟巖改良土路基動(dòng)力特性參數(shù)實(shí)測工點(diǎn)位于武廣高鐵軟巖改良土路基試驗(yàn)段。路基填高大于5 m，最大填高8.4 m。試驗(yàn)段地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁間距1.4～1.5 m，樁長至下伏基巖強(qiáng)風(fēng)化層頂面。路堤邊坡采用M7.5漿砌片石拱型截水骨架內(nèi)空心磚內(nèi)客土噴播植草防護(hù)，邊坡設(shè)土工格柵加筋補(bǔ)強(qiáng)，坡腳設(shè)干砌片石護(hù)道。泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土頂面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜。

基床表層采用級(jí)配碎石填筑，基床底層采用A、B組填料填筑;基床下路基本體填筑泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土，路基設(shè)計(jì)橫斷面見圖1。泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土，填筑時(shí)將弱—強(qiáng)風(fēng)化物進(jìn)行破碎，然后摻入20%的粗砂拌勻，其物理力學(xué)特性指標(biāo)如下:Cc=1.9，Cu=26.3，最大粒徑 ＜60 mm，黏粒含量(＜0.075 mm)約20%;最優(yōu)含水量8.5%，最大干密度1.96 g/cm3;干濕循環(huán)擊實(shí)五次后黏粒含量增加約7%;當(dāng)壓實(shí)度0.92時(shí)，CBR平均值約11%，壓縮模量約36 MPa，垂直滲透系數(shù)約3.2×10－5cm/s［3］。

圖1 泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土路基設(shè)計(jì)橫斷面(單位:m)

1.2 測試元件及測試方法

在施工過程中，在測試斷面預(yù)埋設(shè)各種動(dòng)力參數(shù)測試元件，并通過保護(hù)管道將導(dǎo)線牽入設(shè)置于路基坡腳的儲(chǔ)藏箱。元件埋設(shè)于武廣高鐵上行方向左線鐵路的右軌下方，沿路基不同深度布置，依次于基床表層頂面、基床底層頂面、基床底層底面、基床底層底面以下2.0 m，分別布置應(yīng)變式土壓力盒、拾振器、加速度計(jì)等動(dòng)參數(shù)測試元件，主要測試元件的參數(shù)見表1。測試斷面元件布置見圖2。動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀采用INV306型智能信號(hào)采集處理分析儀，配套DASP工程版軟件使用，共同構(gòu)成信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。測試時(shí)，運(yùn)營列車為CRH3型動(dòng)車組，由6節(jié)動(dòng)車與2節(jié)拖車組成。CRH3型動(dòng)車組主要車輛參數(shù)為:轉(zhuǎn)向架固定軸距長2.5 m，頭尾車長25.7 m，中間6節(jié)車長皆為25 m，前后輪距約4.2 m，整列動(dòng)車組長204.9 m，軸重不大于14 t。

表1 動(dòng)參數(shù)測試元件性能

2 軟巖改良土動(dòng)參數(shù)測試結(jié)果分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力測試結(jié)果分析

通過實(shí)車高速運(yùn)行時(shí)路基各部位的實(shí)測動(dòng)參數(shù)，研究分析軟巖改良土填筑路基的動(dòng)響應(yīng)參數(shù)分布規(guī)律。在武廣高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，共采集了21趟CRH3型動(dòng)車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時(shí)的動(dòng)參數(shù)。分別對(duì)列車在左線軌道(埋設(shè)元件的軌道)和在右線軌道運(yùn)行時(shí)采集的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2和圖3、圖4。

圖2 泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土路基動(dòng)力測試斷面元件布置

由采集數(shù)據(jù)分析可知:本線行車時(shí)，基床表層最大動(dòng)應(yīng)力為31.90 kPa，平均值為23.96 kPa;隨著距基床頂面距離的增加，動(dòng)應(yīng)力逐步衰減，到基床表層底面時(shí)動(dòng)應(yīng)力衰減約45%，到基床底層底面時(shí)，動(dòng)應(yīng)力衰減約78%。同一位置不同車次時(shí)的動(dòng)應(yīng)力差異主要由列車車速差異造成。鄰線行車時(shí)，基床表層最大動(dòng)應(yīng)力為21.92 kPa，平均值為15.71 kPa;表明高速列車運(yùn)行時(shí)，在基床范圍內(nèi)，兩線列車動(dòng)應(yīng)力的疊加效應(yīng)較明顯，因此提高高速鐵路路基基床的強(qiáng)度和剛度是十分有必要的。

表2 CRH3型動(dòng)車以300 km/m以上速度行駛時(shí)________軟巖物理改良土路基動(dòng)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

圖3 本線行車時(shí)路基動(dòng)土壓力隨深度的變化曲線

總體來講，CRH3型動(dòng)車組以300 km/m以上速度行駛時(shí)，泥質(zhì)粉砂巖物理改良土路基整體動(dòng)應(yīng)力較小，小于秦沈客運(yùn)專線所測的200 km及以下時(shí)速列車運(yùn)行時(shí)的基床動(dòng)應(yīng)力［4］。這一方面是由于CRH3型動(dòng)車組軸重相對(duì)較輕，另外也表明軟巖物理改良土填筑路基的平順性、剛度和整個(gè)軌道系統(tǒng)匹配良好。

圖4 鄰線行車時(shí)路基動(dòng)土壓力隨深度的變化曲線

2.2 振動(dòng)加速度分析

CRH3型動(dòng)車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時(shí)的加速度測試結(jié)果見表3和圖5、圖6。

表3 CRH3型動(dòng)車以300 km/m以上速度行駛時(shí)_______軟巖物理改良土路基加速度統(tǒng)計(jì)

由采集數(shù)據(jù)分析可知:在本線行車狀況下，泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化混合物物理改良土試驗(yàn)段路基最大振動(dòng)加速度出現(xiàn)在基床表層頂面，最大值達(dá)15.353 m/s2，平均值為9.477 m/s2，大部分?jǐn)?shù)值均小于11 m/s2。隨著距基床頂面距離的增加，振動(dòng)加速度幅值急劇衰減，到基床表層底面時(shí)振動(dòng)加速度衰減約86%，到基床底層底面時(shí)，振動(dòng)加速度已經(jīng)非常小，衰減率達(dá)97%。鄰線行車所測數(shù)值表明，鄰線行車時(shí)，基床的振動(dòng)加速度疊加效應(yīng)很小，約為本線的4%。

圖5 本線行車時(shí)路基加速度隨深度的變化曲線

圖6 鄰線行車時(shí)路基加速度隨深度的變化曲線

2.3 振動(dòng)位移分析

CRH3型動(dòng)車組以300 km/m以上高速通過軟巖物理改良土路基時(shí)的振動(dòng)位移測試結(jié)果見表4和圖7、圖8。

表4 CRH3型動(dòng)車以300 km/m以上速度行駛時(shí)軟巖_______________物理改良土路基動(dòng)位移統(tǒng)計(jì)

圖7 本線行車時(shí)路基動(dòng)位移隨深度的變化曲線

由采集數(shù)據(jù)分析可知:在本線行車狀況下，泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)—弱風(fēng)化混合物物理改良土路基基床表層頂面動(dòng)位移最大值為0.121 mm，均值為0.097 mm;基床表層底面動(dòng)位移最大值為0.022 mm，均值為0.018 mm。隨著距基床頂面距離的增加，動(dòng)位移迅速衰減，到基床表層底面時(shí)動(dòng)位移衰減約83%，到基床底層底面時(shí)，動(dòng)位移已經(jīng)非常小，衰減率達(dá)96%。鄰線行車所測數(shù)值表明，鄰線行車時(shí)，基床的動(dòng)位移疊加效應(yīng)中等，約為本線行車時(shí)的1/3。

圖8 鄰線行車時(shí)路基動(dòng)位移隨深度的變化曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)武廣高鐵泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化物物理改良土在CRH3型動(dòng)車組以300 km/m以上高速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)參數(shù)測試和分析，可得出以下結(jié)論:

①CRH3型動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，泥質(zhì)粉砂巖弱—強(qiáng)風(fēng)化混合物物理改良土路基實(shí)測基床表面動(dòng)應(yīng)力均值為23.96 kPa，振動(dòng)加速度均值為9.477 m/s2，動(dòng)位移均值為0.097 mm。

②CRH3型動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，隨距路基基床頂面的距離增加，軟巖物理改良土填筑路基的動(dòng)應(yīng)力衰減較慢，其影響范圍較深，可達(dá)基床頂面下約5 m;振動(dòng)加速度和動(dòng)位移衰減劇烈，主要影響范圍為基床表層，對(duì)基床以下路基本體的影響甚微。

③在保證軟巖物理改良土的粒徑級(jí)配、壓實(shí)度情況下，可以將軟巖物理改良土用作高速鐵路路基本體填料，其填筑的路基整體動(dòng)力特性穩(wěn)定，并和其上的路基基床、軌道系統(tǒng)形成良好的動(dòng)力特性匹配。

［1］ 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院．鐵建設(shè)［2004］157號(hào) 京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［2］ 鐵道科學(xué)研究院．鐵建設(shè)函［2005］754號(hào) 客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［3］ 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．武廣高速鐵路軟巖改良土填料現(xiàn)場填筑成套技術(shù)試驗(yàn)研究總報(bào)告［R］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009

［4］ 孫常新，梁波，楊泉．秦沈客運(yùn)專線路基動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)分析［J］．蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(4):110-112