趙秀紹，王志軍，祝建農(nóng)，喬志邦 ，劉慶杰

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013;2.中鐵上海設(shè)計院集團有限公司, 上海 200070)

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水泥土擠密樁加固過渡段路基對平順性影響研究

趙秀紹1，王志軍2，祝建農(nóng)2，喬志邦2，劉慶杰1

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013;2.中鐵上海設(shè)計院集團有限公司, 上海 200070)

寧啟鐵路新豐河中橋過渡段路基承載力和Evd的檢測表明，過渡段路基承載力嚴重不足，不能滿足提速至200 km/h的要求。承載力不足引起過渡段路基出現(xiàn)道砟槽病害，路基表層動土壓力峰值過大(達到196.03 kPa)，軌道整體剛度和撓度不在合理值范圍等問題，表明過渡段存在較大不平順。過渡段采用了水泥土擠密樁加固，加固后路基頂面各測點的動土壓力平均降低24.2%，軌道整體剛度平均提高23.14%，撓度降低31.40%，說明水泥土擠密樁可以較有效減緩過渡段不平順問題。

路基工程;軌道整體剛度;加固對比;過渡段路基;動土壓力

國內(nèi)外研究資料及高速、重載鐵路的運營經(jīng)驗表明，軌道結(jié)構(gòu)剛度、軌道總剛度沿縱向的變化率是影響軌道反力分布、軌道結(jié)構(gòu)振動和動態(tài)傳遞特性的關(guān)鍵因素，也是影響輪軌相互作用和列車運行品質(zhì)的重要因素。關(guān)于路橋過渡段剛度的平順過渡問題，一直受到國內(nèi)外研究人員的重視，隨著既有線提速的進一步發(fā)展，在路橋過渡段的軌道剛度平順過渡問題顯得越來越重要。試驗表明， 機車車輛通過剛度突變區(qū)時，附加動力作用明顯增大，導(dǎo)致軌道累積變形增大，石碴粉化，道床翻漿，軌枕空吊，繼而誘發(fā)行車事故[ 1-2]。軌道剛度不均導(dǎo)致線路不平順和鋼軌磨耗加劇[3]。過渡段路基剛度和強度是影響軌道整體剛度的重要因素之一，結(jié)合新豐河中橋過渡段水泥土擠密樁加固工程，分析加固對軌道整體剛度、軌道撓度及路基頂面動應(yīng)力的影響，根據(jù)試驗結(jié)果對過渡段路基仍然存在較大不平順的原因進行分析，并提出加固建議。

1　工程概況

新豐河中橋位于寧啟線K243 +388.65～437.25里程處，橋長48.6 m，路橋過渡段未專門進行過渡段設(shè)計，而是按照一般路基進行填筑。過渡段基床表層0～20 cm內(nèi)填料為粉質(zhì)黏土水泥改良層，部分地段的表面改良層風(fēng)化剝蝕嚴重，厚度變?yōu)?～10 cm左右，開挖道床發(fā)現(xiàn)路基中央出現(xiàn)道砟囊病害。過渡段路基20 cm以下填料為低液限粉質(zhì)黏土填筑，塑限19.5%，液限31.2%，塑性指數(shù)11.7。路基中央沉陷較大，靠近橋臺的15 m范圍存在道砟陷槽，深度為40～50 cm。

2　測試原理與測點布置

2.1軌道整體剛度測試原理與測試方法

軌道整體剛度定義為：當(dāng)一個集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對應(yīng)的集中荷載大小。假設(shè)集中荷載為P，鋼軌最大下沉為Zmax，則軌道整體剛度為K=P/Zmax。趙國堂[4]通過軌道允許變形法和臨界速度法推導(dǎo)出列車350 km/h時合理的剛度值為67～100 MN/m。張格明[5]根據(jù)實測數(shù)據(jù)和以往的試驗測試數(shù)據(jù)，得出我國60 kg/m配套軌道結(jié)構(gòu)的整體垂向剛度優(yōu)化分析范圍為65～100 MN/m。

測試過渡段的軌道整體剛度首先要測定輪軌力，測定輪軌力的方法有軌腰壓縮法和剪力法。剪力法是在距離兩軌枕中點110 mm距離處，沿45°方向粘貼應(yīng)變片，組成測試橋路，如圖1所示。當(dāng)荷載作用在兩軌枕正中時，應(yīng)變片黏貼點處于純剪狀態(tài)，45°的主應(yīng)力與剪應(yīng)力相等。因此可以通過在軌腰中和軸處粘貼45°方向的應(yīng)變片測取主應(yīng)力的方法來測取剪應(yīng)力，再通過標定換算求得P值。采用剪力法測試輪軌垂向力，每測點貼 4 個應(yīng)變花，接全橋，采取靜載千斤頂標定。鋼軌垂向位移測點采用應(yīng)變片在軌底進行應(yīng)變測試，然后換算成軌道垂向位移，測點布置于枕跨中間鋼軌軌底位置[6](見圖1)。由于剪力法相對于軌腰壓縮法有更高的精度，因此在新豐河中橋過渡段采用了剪力法測試?，F(xiàn)場利用生機SJ-ADC無線動靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集列車通過時的輪軌力和軌底應(yīng)變。

圖1　剪力法測試原理與測試應(yīng)變片布置Fig.1 Shear stress testing principle and test strain gauge arrangement

2.2路基頂面動土壓力測試方法

測試動土壓力時采用了SJ-BWL型動土壓力盒，直徑12 cm，高2 cm，量程0.3 MPa，采用全開挖道床法進行土壓力盒預(yù)埋。土壓力盒埋置在軌道與軌枕交叉點的正下方的路基頂面，土壓力盒上下各鋪5 cm砂層并壓實，然后再回填道砟搗實完成預(yù)埋。土壓力盒布置點見圖2。

2.3路基剛度與承載力測試方法

在輪軌力測點旁軌枕間路基頂面進行了Evd值和N10值測試，以了解過渡段路基承載力情況。Evd值采用Evd儀(動態(tài)變形模量儀)進行測試，在開挖道砟時，在基床表面先找平后預(yù)沖擊3次，然后進行3次沖擊正式測試，采用公式(1)計算測點的Evd值。

(1)

測試完Evd值后，然后在Evd測點處進行輕型動力觸探儀進行路基承載力試驗，勘探深度為90 cm，記錄每30 cm的錘擊數(shù)N10值，然后根據(jù)測得的N10值查 《鐵路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》 獲得路基基床層0～90 cm的承載力。

2.4測點布置

在輪軌力和軌底應(yīng)變測點布置中，為使有限的測點能充分反映出列車通過路橋過渡段時的軌道動力響應(yīng)，測點布置應(yīng)跨越橋梁和路基，并且間距合理?？紤]到橋梁上線下基礎(chǔ)剛度較為均勻，因此橋梁上布置一個測點；在過渡段軌道上布置4～5個測點，測定軌道剛度沿線路縱向變化，同時在相應(yīng)測點附近測定路基的Evd值、路基承載力、路基頂面的動土壓力，測試點力求至少避開軌縫4～5個軌枕間距。測點布置如圖2所示。

圖2　過渡段軌道剛度和動土壓力測點布置圖Fig.2 Track stiffness and pressure measuring points layout for bridge transition section

3　路基基床Evd與基本承載分析

3.1Evd測試分析

新豐河中橋兩端路橋過渡段基床表層頂面Evd測試值如圖3所示，橫坐標為離橋臺的距離，縱坐標為Evd值。

Evd測試值表明，基床表層的Evd測試值均低于55 MPa的控制要求，上下行過渡段基床表層平均Evd值僅為22.4 MPa，遠低于《新建客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》中基床表層55 MPa的要求。

圖3　各測點的Evd測試值Fig.3 Evd test value for measuring points

3.20～90 cm基床承載力情況

新豐河中橋兩端過渡段路基0～90 cm深度范圍測試的承載力統(tǒng)計如圖4所示。

由圖4可知，0～30 cm,30～60 cm,60～90 cm的平均承載力分別為186.2,113.3和108.9 kPa，除基床表層0～30 cm承載力可基本滿足180 kPa[7]要求外(靠近橋臺處不滿足)，30～90 cm的承載力均大大低于相應(yīng)的控制標準?；脖韺?～60 cm平均承載力為150.0 kPa，60～90 cm各測點的平均值為108.9 kPa，低于基床表層和基床底層的相關(guān)要求。按各層位總體統(tǒng)計時，低于150 kPa的測點層次占總量的74%，甚至有17%的測點層低于100 kPa，說明路基承載力存在嚴重不足。

單位:kPa圖4　路基0～90 cm深度內(nèi)承載力統(tǒng)計圖Fig.4 Bearing capacity statistical chart within 0～90 cm depth in subgrade

4　過渡段路基加固施工

由于過渡段承載力低于相關(guān)標準，過渡段采用水泥土擠密樁進行加固。從橋臺起樁長按2.5，2,1.5 m遞減(示意圖見圖2)，每種樁型實際加固的縱向長度約為6.5 m。每個枕盒內(nèi)布置6根水泥土擠密樁，樁徑為24 cm，夯擴后直徑約26 cm，路基橫斷面上樁間距為60～70 cm，縱斷面樁間距為軌枕間距，過渡段加固范圍為距橋臺20 m以內(nèi)范圍[8]。借助每天晚上21∶00～00∶00 3 h的天窗時間進行施工，加固時采用隔4個枕盒開挖一個枕盒的道床，然后在開挖的枕盒內(nèi)按鉆孔、填料、夯實成樁、質(zhì)量監(jiān)測、恢復(fù)道床的步驟進行施工，每個枕盒加固完工后回填道砟并用搗鎬搗實。水泥土樁頂面為道床與路基的接觸面，沒有對基床中的道砟槽進行處理。加固初期采用人工橄欖錘夯實，由于監(jiān)管不到位，造成部分樁體未達到夯實標準，后改為氣動錘夯實，夯實質(zhì)量得以保證。

5　加固前后的基床頂面動應(yīng)力測試分析

測試基床頂面動土壓力時，列車為東風(fēng)機車+18節(jié)客車廂，實測時速118 km/h，測試在加固后30 d。動土壓力采用計算機無線采集，然后通過動土壓力時程曲線提取機車產(chǎn)生的最大動土壓力?；脖砻娈a(chǎn)生的最大動土壓力數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

圖5　上行端動土壓力測試結(jié)果Fig.5 Dynamic earth pressure test result at upstream end of the transition section

圖6　下行端動土壓力測試結(jié)果Fig.6 Dynamic earth pressure test result at downstream end of the transition section

圖5和圖6表明，上行和下行過渡段路基頂面最大動土壓力出現(xiàn)在12～14 m的范圍之內(nèi)，當(dāng)遠離橋臺時，基床頂面的動土壓力迅速減小。加固前上行最大動應(yīng)力達到了196.03 kPa，下行最大動應(yīng)力達到115 kPa。而根據(jù)文獻[9]理論計算最大動土壓力如式(2)所示。

σdl=0.26×p×(1+αv) =0.26×220×

(1+0.004×118)=84.2 kPa[9]

(2)

實測值遠大于理論計算值說明過渡段路基在沒有專門設(shè)置過渡段存在較大的線路動不平順。

加固工程完成后，下行過渡段一個土壓力盒電纜損壞，無法測出數(shù)據(jù)，其它測點均正常測出了列車118 km/h通過時的路基表面的最大動應(yīng)力，測試值見圖5和圖6所示。經(jīng)過加固后，動土壓力最大值從196.03 kPa降至140.75 kPa，降低63.8 kPa，降幅為28.2%。平均動土壓力從106.97 kPa降至82.70 kPa，平均降低24.27 kPa，平均降幅達22.7%，表明水泥土擠密樁加固能有效減小過渡段路基頂面的動土壓力。從圖5和圖6可以看出，加固后的最大動土壓力仍高達140.75 kPa，仍高于理論計算值84.66 kPa，考慮動靜比換算時，動強度約為靜強度的60%[10]，換算成作用在基床頂面的靜壓力高達234.58 kPa，大于目前基床的承載力，說明加固后機車施加于路基頂面的動壓力仍可能造成路基進一步破壞。

6　加固前后撓度和軌道整體剛度測試分析

軌道整體動剛度，包含路基、道床、扣件及鋼軌彎曲剛度，測試軌道撓度和輪軌力時，各車輪產(chǎn)生的輪軌力和撓度有一定的離散性，因此采用客車車廂產(chǎn)生的輪軌力與撓度的平均值進行計算和統(tǒng)計，軌道整體剛度就是平均輪軌力和平均撓度的比值，如式(3)所示。

(3)

式中:K為軌道整體剛度,MN/m;Pi為車廂車輪通過測點時的最大測試輪軌力，MN;Si為車廂車輪通過測點時的最大撓度(經(jīng)軌底應(yīng)變換算后)，m。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，前兩節(jié)車廂受機車影響較大，后16節(jié)車廂測試數(shù)據(jù)離散性較低，因此采用后16節(jié)車廂數(shù)據(jù)進行計算軌道整體剛度和軌道撓度。采用水泥土擠密樁加固時，軌道、扣件沒有進行調(diào)整，道床經(jīng)過搗固且經(jīng)過多天穩(wěn)定后才進行軌道剛度測試，所以可以認為軌道、扣件、道床加固前后基本沒有變化，軌道剛度和撓度的變化主要是路基加固引起的。加固前后軌道整體剛度見圖7所示。

圖7　加固前后軌道整體剛度變化Fig.7 Track integral stiffness changes before and after reinforcement

圖7為各測點軌道整體剛度測試數(shù)據(jù)，加固前后的軌道整體垂向剛度對比可得，過渡段路基處軌道剛度測試值有不同程度的增加，平均動剛度從加固前的39.54 MN/m增加至48.69 MN/m，增加了9.15 MN/m，增幅為23.14%。以上分析表明，運用水泥土擠密樁加固可有效增加軌道整體動剛度，有利于過渡段的平順過渡。雖然加固后軌道整體動剛度有所增加，但過渡段路基處的整體剛度仍然低于軌道的合理剛度范圍65～100 MN/m[5]，也未達到劉學(xué)毅計算的軌道剛度下限值62 MN/m[11]?？梢妰H用水泥土擠密樁難以達到相關(guān)要求。

評價軌道平順性的另一指標是剛度變化率[13]，其計算公式如式(4)所示。

(4)

式中：Δ為剛度變化率；Kq為橋上軌道整體動剛度；Kt為過渡段測點的整體動剛度。

羅強在[13]給出了有砟軌道軌道剛度與K30對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　軌道變化率與基床地基系數(shù)之間的關(guān)系Table 1 Relationship between Track integral stiffness changes’ rate and subgrade coefficient

根據(jù)《京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》提出的路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，有碴鋼筋混凝土軌道結(jié)構(gòu)路橋間軌道剛度變化率小于0.25，對行車的安全和舒適性的影響比較小。根據(jù)表1高速鐵路對基床表層的K30要求還是較高的，當(dāng)變化率為0.25時，對應(yīng)的K30為232 MPa/m，高于新建客貨共線鐵路設(shè)計標準，而寧啟線提速后屬于客貨共線鐵路，可以適當(dāng)降低剛度變化率標準；當(dāng)剛度變化率為0.3時，要求K30為194 MPa/m，近似于《新建客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定暫行規(guī)定》[3]中基床表層K30的的要求(190 MPa/m)。寧啟既有鐵路屬于提速至200 km/h的客貨共線鐵路，根據(jù)《新建客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》規(guī)范對應(yīng)，設(shè)計路橋過渡段的剛度變化率為0.3較為合適。根據(jù)圖7中給出的橋上最小軌道剛度為66.9 MN/m，按0.3的剛度變化率計算，則過渡段的剛度值至少應(yīng)達到51.5 MN/m。實測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過加固后除個別測點滿足要求外，大部分測點仍然不能滿足剛度變化率的要求。

軌道撓度測試數(shù)據(jù)如圖8所示。加固前后軌道撓度(軌道垂向位移)對比表明，加固后軌道平均撓度從2.40 mm降至1.64 mm，減小幅度為31.4%。最大軌道撓度從加固前的4.0 mm降至2.6 mm，降幅為35%。數(shù)據(jù)表明，通過水泥土擠密樁對路基基床進行加固后，軌道撓度降低，有利于線路平順過渡。但加固前后，軌道的撓度仍大于高速鐵路軌道撓度建議值1.5 mm[14]。

圖7和圖8中加固前后的軌道動剛度和軌道撓度測試數(shù)據(jù)表明，運用水泥土擠密樁加固路基后，過渡段上軌道的整體動剛度增加，軌道撓度減小，同時也減小了軌道剛度變化率和軌道撓度變化率，有利于過渡段的平順過渡。

數(shù)據(jù)表明，大部測點的剛度變化率及撓度仍超過了前人研究的建議值，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，主要原因為2個方面：1)加固質(zhì)量問題，部分水泥土擠密樁夯實后大大低于規(guī)定的密實度；2)加固僅對土路基面以下進行了水泥土擠密樁處理，未對土路基面以上的道砟陷槽進行處理。建議施工時加大施工監(jiān)管，并對道砟陷槽中的碎石開挖后摻入5%的水泥進行夯實處理。

圖8　加固前后軌道撓度變化Fig.8 Track deflection changes before and after reinforcement

7　結(jié)論

1) 軌道整體動剛度和軌道撓度測試表明寧啟鐵路新豐河中橋過渡段存在較大不平順，基床層承載力低是導(dǎo)致過渡段軌道剛度值低和軌道撓度大的重要原因。

2)經(jīng)加固后路基頂面動土壓力平均值降至82.70 kPa，降幅為22.7%，最大動土壓力從196.03 kPa降至140.75 kPa，降幅為28.2%，表明水泥土擠密樁加固后可以有效降低基床表面的動壓力。

3)根據(jù)新豐河水泥土擠密樁加固后整體剛度與撓度的實測數(shù)據(jù)，各測點軌道整體剛度平均提高了9.15 MN/m，提升幅度為23.14%。軌道撓度降低了0.75 mm，降幅為31.40%。數(shù)據(jù)表明通過水泥土擠密樁能較有效減緩過渡段的不平順。

[1] Kerr A D, Moroney B E. Track transition problems and remedies [J]. Bulletin -American Railway Engineering Association, 1995(742):267- 297.

[2] Lei X, Mao L. Dynamic response analyses of vehicle and track coupled system on track transition of conventional high speed railway [J].Journal of Sound and Vibration, 2004,271(3):1133-1146.

[3] 雷曉燕. 軌道過渡段剛度突變對軌道振動的影響[J]. 中國鐵道科學(xué).2006，27(5):42-45

LEI XiaoYan. Influences of track transition on track vibration due to the abrupt change of track rigidity[J]. China Railway Science. 2006，27(5):42-45.

[4] 趙國堂. 鐵路軌道剛度的確定方法[J]. 中國鐵道科學(xué),2005，26(1):1-6.

ZHAO Guotang. Method for determining the rigidity of railway track[J]. China Railway Science, 2005，26(1):1-6.

[5] 張格明. 軌道剛度合理值評價指標的研究[J]. 中國鐵道科學(xué)，2002，23(1):51-57.

ZHANG Geming. Research on right level of track structure stiffness and track-part stiffness[J]. China Railway Science, 2002，23(1):51-57.

[6] 呂關(guān)仁. 路橋過渡段軌道結(jié)構(gòu)動力特性分析[J]. 鐵道建筑,2012,51(6):114-117

LU Guanren. Analysis of stack structure dynamic characteristics in bridge transition section[J]. Railway Engineering, 2012, 51(6):114-117.

[7] 中華人民共和國鐵道部.新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]. 北京:中國鐵道出版社,2003.

The Railways Ministry of the People's Republic of China. Provisional regulations for design a new 200km/h mixedpassenger and freight railway[S]. Beijing: Chinese Railway Publishing House,2003.

[8] 崔春霞,孫建剛,段樹金. 鐵路路橋過渡段合理長度研究[J]. 鐵道建筑,2011,50(5):103-105

CUI Chunxia, SUN Jiangang, DUAN Shujin. The reasonable length research for railway bridge transition section [J]. Railway Engineering, 2011,50(5):103-105.

[9] 劉建坤，曾巧玲，侯永峰.路基工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

LIU Jiankun, ZENG Qiaoling, HOU Yongfeng. Subgrade engineering[M]. Beijing: Chinese Building Industry Press， 2006.

[10] 謝紉秋.既有鐵路提速與路基基床的技術(shù)改造[J].路基工程,2003,5(110):1-5.

XIE Renqiu. The technological transformation in existing railway speeding up[J]. Subgrade Engineering, 2003,5(110):1-5.

[11] 劉學(xué)毅.軌道剛度的影響分析及動力學(xué)優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2004,39(1):1-5.

LIU Xueyi. Effect analysis of track stiffness on dynamic characteristics of wheel-rail system and its dynamic optimization[J]. Journal of southwest Jiaotong University，2004,39(1):1-5.

[12] 楊廣慶.路基工程[M].北京：中國鐵道出版,2003.

YANG Guangqing. Subgrade engineering[M]. Beijing: China Railway Press,2003.

[13] 羅強. 高速鐵路路橋過渡段動力學(xué)特性分析及工程試驗研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

LUO Qiang. Dynamic performance analyses and experiment study on bridge/approach embankment of high-speed railway[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2003.

[14] 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院.無碴軌道剛度合理取值研究報告[R].2006.

School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University. Unballasted track reasonable stiffness research report[R]. 2006.

Track regularity influence study of reinforce bridge transition section by cement soil compaction pile

ZHAO Xiushao1, WANG Zhijun2,ZHU Jiannong2, QIAO Zhibang2,LIU Qingjie1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao tong University, Nanchang 330013，China;2.Shanghai Design Institute Group Co．Ltd，Shanghai 200070，China)

Some site tests are carried out at Xin-feng river bridge transition section in Nanjing-Qidong existing railway, such as bearing capacity, dynamic elastic modulus(Evd). It is found that the subgrade bearing capacity is serious insufficient before reinforcement, andEvdvalue also can not meet the requirements of speed up to 200 km/h. Insufficient bearing capacity produces a series of problems, such as ballast groove disease, peak dynamic stress is too large (reach to 196.03 kPa), tracks stiffness and deflection value is not in reasonable range, etc. Because of these problems, the bridge-subgrade transition section is found to be not smooth. Cement-soil compaction piles were used to reinforce the transition section subgrade. After reinforcement, test shows that each measuring point average dynamic earth pressure reduced by 23.14%. At the sametime, track overall stiffness increased by 23.14% and deflection reduced by 31.40%. These results indicate that cement-soil compaction pile can effectively slow down the transition section irregularity problem.

subgrade engineering; track integral stiffness; reinforced contrast; bridge transition section; dynamic earth pressure

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金資助項目 (51208198,51668018);江西省教育廳資助項目(JXJG-13-5-15);華東交通大學(xué)博士科研啟動基金項目(01306022)

趙秀紹(1978-)，男，河南淇縣人，副教授，博士，從事鐵道工程和巖土工程研究；E-mail: Zhaoxiushao@163.com

U218

A

1672-7029(2016)10-1919-07