孫 立，楊 威，黃俊杰，蘇 謙

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

無(wú)砟軌道因其具有穩(wěn)定性強(qiáng)、耐久性好、結(jié)構(gòu)剛度大、便于維修等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于高速鐵路。目前無(wú)砟軌道在隧道、高架結(jié)構(gòu)和橋梁上的應(yīng)用已經(jīng)被國(guó)際普遍認(rèn)可，無(wú)砟軌道在土路基上也得到了應(yīng)用[1]。無(wú)砟軌道路基基床翻漿病害是高速鐵路無(wú)砟軌道路基的一種新型特殊病害。在長(zhǎng)期列車(chē)荷載循環(huán)作用下，基床表層中的細(xì)顆粒隨自由水被擠出，路基的支承作用衰減，甚至局部發(fā)生吊空，傳力路徑發(fā)生改變，引起縱向剛度不均，會(huì)造成無(wú)砟軌道的差異沉降，影響無(wú)砟軌道線(xiàn)路的舒適性和安全性[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞無(wú)砟軌道路基在列車(chē)動(dòng)載作用下動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、加速度等動(dòng)力響應(yīng)特征問(wèn)題，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)行車(chē)測(cè)試、模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算分析等大量研究工作[3-12]，分析了路基段無(wú)砟軌道-路基整體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性。但目前針對(duì)基床翻漿條件下無(wú)砟軌道-路基振動(dòng)特征問(wèn)題，仍然鮮見(jiàn)相關(guān)研究文獻(xiàn)和報(bào)道。

本文建立無(wú)砟軌道-路基基床室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)，在模型上布置動(dòng)土壓力、振動(dòng)速度和動(dòng)位移等傳感器，施加循環(huán)動(dòng)力荷載，對(duì)模擬基床翻漿狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分析了基床翻漿狀態(tài)下無(wú)砟軌道-路基基層動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)的變化規(guī)律。研究成果可為我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道路基的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 模型試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w平面尺寸為430 cm×180 cm，底座板尺寸為320 cm×100 cm×30 cm，加載板尺寸為90 cm×60 cm?；驳讓觿傂赃吔绮捎?0 cm厚度的磚墻，高度為170 cm，采用A、B組填料填筑；基床表層厚度為60 cm，采用級(jí)配碎石填筑，其四周采用沙袋圍護(hù)作為柔性邊界約束。級(jí)配碎石基層表層采用厚度為3 mm的防水土工布進(jìn)行底面和四周側(cè)面封閉，以可注水模擬基床表層翻漿狀態(tài)。無(wú)砟軌道-路基基層試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1、圖2所示。

圖1 無(wú)砟軌道-路基基層試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绾蛡鞲衅鞑贾?單位：cm)

底座板為鋼筋混凝土板，級(jí)配碎石加水至飽和含水率ωopt=7.86%。級(jí)配碎石分層填筑，每次填筑厚度15 cm，填筑4次，各層使用平板振動(dòng)機(jī)夯實(shí)，使用“體積-質(zhì)量”控制法控制壓實(shí)度，壓實(shí)系數(shù)要滿(mǎn)足K≥0.97的要求。模型填筑完成且加載裝置安裝完畢后，在底座板以外的基床表層表面采用M10砂漿進(jìn)行封閉，封閉層厚度為5 cm。

1.2 模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容和方法

無(wú)砟軌道-路基基層模型試驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容主要包括基床表層動(dòng)土壓力、基床表層和底座板的振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移。動(dòng)土壓力盒、動(dòng)位移計(jì)和加速度計(jì)傳感器布置情況如圖2所示。

在基床表層布置土壓力盒(P)，用于測(cè)試應(yīng)力沿深度的變化，布設(shè)方式為以?xún)蓚€(gè)斷面中心位置為起點(diǎn)，縱斷面橫向間距50 cm，橫縱斷面橫向間距160 cm，豎向間距30 cm依次布置。在距底座板縱斷面中心0 、45m、55 cm，距底座板橫斷面中心155、165 cm分別設(shè)置位移計(jì)(D1～D5)和加速度計(jì)(A1～A5)。在加載過(guò)程中，采用動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集各傳感器的數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)加載設(shè)備為一種多通道液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)。在加載過(guò)程中，由加載設(shè)備在加載板上提供動(dòng)荷載，作用荷載分為兩部分：初始荷載Ps和循環(huán)動(dòng)荷載Pd，其中初始荷載為加載裝置重力，值為Ps=0.1Pd，初始荷載的設(shè)置可以保證底座板上用于加載的各結(jié)構(gòu)充分接觸，使其不會(huì)在循環(huán)動(dòng)載的作用下產(chǎn)生脫空，影響試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)行車(chē)實(shí)測(cè)，在高速列車(chē)作用下無(wú)砟軌道路基基床表層頂面的動(dòng)應(yīng)力主要在13～30 kPa之間[13-20]。據(jù)此，并結(jié)合本試驗(yàn)動(dòng)力加載系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)試加載試驗(yàn)系統(tǒng)，確定施加于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)力荷載于基床表層表面的動(dòng)應(yīng)力幅值為30 kPa，頻率為5 Hz。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力荷載施加次數(shù)為200萬(wàn)次，近似模擬線(xiàn)路一年的交通流量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)土壓力

當(dāng)基床表層級(jí)配碎石浸水飽和時(shí)，在循環(huán)動(dòng)力荷載作用下基床表層動(dòng)土壓力隨加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 動(dòng)土壓力隨循環(huán)加載次數(shù)的變化規(guī)律

由圖3可知，基床表層動(dòng)土壓力隨循環(huán)加載次數(shù)的增加均有增大，其中基床表層表面動(dòng)土壓力增大量較基床表層中部和底面大。

分析認(rèn)為，隨循環(huán)動(dòng)力荷載作用次數(shù)的增大，在動(dòng)力荷載加載和卸載循環(huán)作用下，底座板下基床表層中的水形成孔隙水壓力上升-消散的循環(huán)過(guò)程，對(duì)基床表層級(jí)配碎石粗顆粒骨架中的細(xì)顆粒形成反復(fù)瞬間沖擊作用。另一方面，飽和含水狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致細(xì)顆粒表面的水膜變厚、顆粒間的自由水增多，自由水直接起到了潤(rùn)滑作用，細(xì)顆粒能夠在級(jí)配碎石骨架的孔隙中遷移。隨著基床表層細(xì)小顆粒向上遷移至基床表層表面并從兩側(cè)排出，從而產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 無(wú)砟軌道試驗(yàn)?zāi)Ｐ突脖韺臃瓭{階段

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆瓭{隨著加載次數(shù)的增大進(jìn)一步惡化，基床表層頂部細(xì)顆粒通過(guò)自由水被大量擠出基床表層之外，導(dǎo)致基床表層對(duì)底座板的支承能力降低，甚至造成基床表層與底座板之間形成吊空，在動(dòng)力荷載作用下底座板對(duì)基床表層產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，并且隨著接觸層翻漿程度的加重，這種沖擊作用逐漸加大，使基床表層動(dòng)土壓力逐漸增大。

表1統(tǒng)計(jì)了當(dāng)振動(dòng)次數(shù)為50萬(wàn)次時(shí)，基床表層不同埋深、不同位置(中心及縱橫斷面邊緣)的動(dòng)土壓力測(cè)值以及相對(duì)變化幅度?；脖韺觿?dòng)土壓力沿深度的變化規(guī)律如圖5所示。

表1 基床表層動(dòng)土壓力統(tǒng)計(jì) kPa

圖5 基床表層沿深度動(dòng)土壓力的變化

根據(jù)表1和圖5可知，基床表層動(dòng)土壓力隨深度快速衰減。分析認(rèn)為，在基床表層產(chǎn)生翻漿后，隨著細(xì)顆粒排出，級(jí)配碎石的附加累積變形隨之逐漸增大，直至形成底座板與基床表層結(jié)構(gòu)之間的脫空，導(dǎo)致無(wú)砟軌道的傳力路徑發(fā)生了改變，使得部分上部荷載無(wú)法傳遞至脫空區(qū)域的基床，而是通過(guò)底座板的杠桿作用傳遞至脫空區(qū)之外的基床，因此翻漿區(qū)域的基床表層動(dòng)土壓力明顯衰減。在長(zhǎng)期列車(chē)動(dòng)力荷載作用下，受力不均勻以及局部空吊會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)疲勞損失破壞，以及路基基床不均勻沉降，影響線(xiàn)路平順性及行車(chē)安全。

2.2 振動(dòng)加速度

底座板和靠近底座板的路基封閉層豎向振動(dòng)加速度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 底座板及封閉層加速度與荷載作用次數(shù)關(guān)系

由圖6可知，隨著動(dòng)載振次增加，底座板的加速度明顯增大，靠近底座板側(cè)邊的路基封閉層的加速度略有減小。在加載次數(shù)0～56萬(wàn)次期間，底座板豎向振動(dòng)加速度快速增大，靠近底座板的路基封閉層豎向振動(dòng)加速度緩慢增長(zhǎng)；而當(dāng)荷載作用次數(shù)超過(guò)56萬(wàn)次后，底座板加速度緩慢增大，封閉層加速度逐漸減小。分析認(rèn)為，在基床表層級(jí)配碎石含水飽和狀態(tài)下，循環(huán)荷載加載次數(shù)達(dá)到3萬(wàn)次后開(kāi)始產(chǎn)生翻漿，并且加載次數(shù)繼續(xù)增大，基床表層翻漿逐漸惡化，引起基床表層對(duì)底座板的支承能力降低，并且隨著翻漿程度的惡化，底座板與基床表層之間發(fā)生脫空，造成底座板在動(dòng)力荷載作用下振動(dòng)加劇，因此底座板豎向振動(dòng)加速度明顯增大。由于翻漿區(qū)域基床表層對(duì)底座板的支承能力降低，則底座板下翻漿四周基床表層逐漸參振，即振動(dòng)能向基床表層擴(kuò)散的區(qū)域更大，這是靠近底座板基床表層封閉層監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度減小的原因。

當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ突脖韺赢a(chǎn)生翻漿后，繼續(xù)施加動(dòng)力荷載次數(shù)至50萬(wàn)次時(shí)，底座板及封閉層的豎向振動(dòng)加速度幅值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 翻漿階段底座板和封閉層加速度幅值統(tǒng)計(jì) m/s2

基床翻漿和未翻漿階段試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M向和縱向測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度幅值分布情況如圖7所示。

圖7 不同階段各位置加速度幅值均值對(duì)比

根據(jù)表2和圖7，路基基床表層翻漿時(shí)，中心處的加速度幅值均值比未翻漿時(shí)增大約75.3%，底座板縱橫斷面邊緣的加速度幅值均值比未翻漿時(shí)分別增大約64.2%和43.8%，而封閉層縱橫斷面的加速度幅值均值比未翻漿時(shí)分別減小約65.8%和26.0%。另外，分析發(fā)現(xiàn)基床表層未翻漿時(shí)，底座板縱橫斷面邊緣的加速度分別是封閉層的2.12倍、3.75倍，而在翻漿狀態(tài)下底座板縱橫斷面邊緣的加速度分別是封閉層的10.18倍、7.30倍，顯然從底座板至靠近底座板側(cè)邊的基床表層封閉層的振動(dòng)加速度衰減梯度產(chǎn)生了巨變，表明基床表層產(chǎn)生翻漿會(huì)極大地改變無(wú)砟軌道-路基整體系統(tǒng)豎向振動(dòng)加速度傳遞規(guī)律。

在基床表層產(chǎn)生翻漿后，隨著細(xì)顆粒被擠出，級(jí)配碎石的附加累積變形隨之逐漸增大，直至底座板與基床表層之間形成脫空，基床表層支承作用減弱，甚至使得翻漿區(qū)域部分上部荷載無(wú)法傳遞至路基基層，底座板與基床表層間接觸應(yīng)力減小，底座板承擔(dān)大部分循環(huán)動(dòng)載，并且將循環(huán)荷載傳遞至基床表層產(chǎn)生翻漿區(qū)域之外，因而造成底座板的加速度增大而基床表層的加速度變小。

2.3 振動(dòng)位移

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鬃搴涂拷鬃宓幕脖韺踊炷练鈱迂Q向振動(dòng)位移隨加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示；基床表層翻漿前后，試驗(yàn)?zāi)Ｐ透魑恢锰庁Q向振動(dòng)位移分布情況如圖9所示。

圖8 底座板及封閉層振動(dòng)位移與荷載作用次數(shù)關(guān)系

由圖8和圖9可知，隨著動(dòng)載振次增加，底座板的豎向振動(dòng)位移明顯增大，路基封閉層的振動(dòng)位移逐漸減小。荷載作用次數(shù)在0～56萬(wàn)次以?xún)?nèi)時(shí)，底座板豎向振動(dòng)位移快速增長(zhǎng)，封閉層振動(dòng)位移快速減??；當(dāng)荷載作用次數(shù)超過(guò)56萬(wàn)次后，底座板振動(dòng)位移緩慢增大，靠近底座板的封閉層豎向振動(dòng)位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拓Q向振動(dòng)位移呈現(xiàn)如上所述的變化規(guī)律的主要原因與引起豎向振動(dòng)加速度變化趨勢(shì)的誘因相同，主要是基床表層級(jí)配碎石浸水飽和后，在循環(huán)動(dòng)力荷載加載次數(shù)到3萬(wàn)次時(shí)，基床表層開(kāi)始產(chǎn)生翻漿，并且隨著加載次數(shù)的增大，基床表層翻漿程度快速惡化，基床表層內(nèi)細(xì)顆粒被大量擠出基床表層之外，基床表層對(duì)底座板的支承能力快速惡化，所以底座板豎向振動(dòng)位移快速增大，而當(dāng)基床表層翻漿惡化速度降低后，底座板豎向振動(dòng)位移進(jìn)入緩慢增大的規(guī)律。

對(duì)比基床翻漿與未翻漿階段，在中心處振動(dòng)位移從0.247 mm增至0.468 mm，增長(zhǎng)幅值為89.5%，底座板縱橫斷面邊緣振動(dòng)位移從0.230 mm和0.103 mm增至0.436 mm和0.169 mm，增長(zhǎng)幅值分別為89.6%和64.1%，而路基封閉層縱橫斷面邊緣振動(dòng)位移分別從0.088 mm和0.050 mm減小到0.030 mm和0.018 mm，各自減小了65.9%和64.0%。顯然，在循環(huán)動(dòng)力荷載作用下，基床表層翻漿會(huì)降低基床表層對(duì)底座板的支承能力，從而極大地改變底座板-基床之間豎向振動(dòng)傳遞規(guī)律，即底座板振動(dòng)加劇，而底座板側(cè)邊基床表層封閉層振動(dòng)改變量相對(duì)較小，結(jié)合豎向振動(dòng)加速度變化規(guī)律，說(shuō)明基床表層翻漿會(huì)極大改變無(wú)砟軌道-路基整體系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞模式。

基床表層的級(jí)配碎石處于飽和含水狀態(tài)時(shí)，荷載可以良好傳遞至基床表層。隨著動(dòng)載振次增加，基床表層開(kāi)始發(fā)生翻漿，基床表層的支承剛度下降造成底座板振動(dòng)位移顯著增大、基床表層封閉層振動(dòng)位移減?。欢?dāng)荷載作用次數(shù)超過(guò)56萬(wàn)次后，級(jí)配碎石中的細(xì)顆粒大量隨水被擠出，隨著加載次數(shù)的繼續(xù)增大，基床表層翻漿惡化速度減緩，從底座板下基床表層擠出的泥水逐漸減少，因此底座板及基床表層豎向振動(dòng)位移變化逐漸趨于變緩。

3 結(jié)論

(1)底座板下處于含水飽和狀態(tài)的基床表層土動(dòng)壓力隨著循環(huán)加載次數(shù)的增大而逐漸增大，經(jīng)歷200萬(wàn)次循環(huán)動(dòng)力荷載作用后，基床表層表面動(dòng)土壓力的增大量相對(duì)于其中部和底部更為明顯，即基床翻漿會(huì)造成動(dòng)土壓力在基床表層內(nèi)衰減速率變快，無(wú)砟軌道路基線(xiàn)下基礎(chǔ)承載能力弱化。

(2)當(dāng)基床表層級(jí)配碎石處于含水飽和狀態(tài)時(shí)，在循環(huán)動(dòng)力荷載作用下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鬃遑Q向振動(dòng)加速度和動(dòng)位移在0～56萬(wàn)次循環(huán)加載期間快速增大，超過(guò)56萬(wàn)次后呈緩慢增大規(guī)律，靠近底座板的基床表層封閉層豎向振動(dòng)加速度和動(dòng)位移略有減小。振動(dòng)作用的增大會(huì)影響無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性，造成其使用壽命降低。

(3)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鬃搴涂拷鬃宓幕脖韺臃忾]層豎向振動(dòng)加速度和動(dòng)位移的各自比值隨著加載次數(shù)的增大而增大，尤其是加載初始階段與經(jīng)歷200萬(wàn)次加載后加速度比值增大了1.95倍以上，動(dòng)位移比值增大了4.56倍，說(shuō)明振動(dòng)從底座板傳遞至靠近底座板的基床表層封閉層的衰減梯度增大。

(4)當(dāng)基床表層處于含水飽和狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)歷3萬(wàn)次加載后開(kāi)始出現(xiàn)翻漿，隨著加載次數(shù)的進(jìn)一步增大，基床表層翻漿程度迅速惡化，大量泥漿被擠出，然后進(jìn)入緩慢惡化階段。翻漿發(fā)展過(guò)程與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律完全吻合，即基床表層翻漿及其惡化降低基床表層對(duì)底座板的支承能力，誘發(fā)底座板-基層之間振動(dòng)傳遞模式突變。翻漿會(huì)造成無(wú)砟軌道不斷惡化，應(yīng)及時(shí)盡早整治。