李泰灃，韓自力，蔡德鉤，陳 鋒，李中國(guó)，張 棟，葉志超

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081； 3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100080)

近年來(lái)，重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展迅速，其中美國(guó)、澳大利亞等國(guó)在重載運(yùn)輸技術(shù)方面占有世界性的主導(dǎo)地位，其鐵路基床研究設(shè)計(jì)水平達(dá)到了一個(gè)新的高度。我國(guó)在30 t軸重重載鐵路技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已成功建成國(guó)內(nèi)首條30 t軸重重載瓦日鐵路，但目前我國(guó)尚無(wú)成熟的35～40 t軸重軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。為了滿足重載鐵路“走出去”的需求，推進(jìn)重載鐵路技術(shù)國(guó)際化，有必要開(kāi)展35～40 t軸重下軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大軸重(35～40 t)列車(chē)荷載作用下路基結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力傳遞規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性[1-3]。

本文通過(guò)實(shí)尺模型試驗(yàn)、室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)及理論分析相結(jié)合的方法，針對(duì)提出的適用于35～40 t軸重重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)架構(gòu)方案，驗(yàn)證其力學(xué)可行性，并對(duì)輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞規(guī)律及受力變形關(guān)系進(jìn)行研究。

1 輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)

優(yōu)選并制備濕密度800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土，分別測(cè)定養(yǎng)護(hù)7,28 d的抗壓強(qiáng)度[4-5]。其中，輕質(zhì)混凝土7 d抗壓強(qiáng)度為1.55 MPa,大于0.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為2.63 MPa,大于1.5 MPa，符合TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》等的規(guī)定，滿足重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

2 重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)

輕質(zhì)混凝土具有較為優(yōu)良的耐久性、隔熱性及環(huán)保性，適合用作重載鐵路路橋過(guò)渡段；因其質(zhì)量較輕且具有較高的剛度，可以有效控制過(guò)渡段的沉降變形及解決應(yīng)力分配不均勻的問(wèn)題，從而解決路橋過(guò)渡段的差異沉降及填料不易壓實(shí)的工程難題[6-7]。新型重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 新型重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面

3 室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)

實(shí)尺模型試驗(yàn)所用重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)(如圖2所示)的輕質(zhì)混凝土層厚1 m，替代部分路基本體及基床底層。為了保護(hù)級(jí)配碎石層(厚0.2 m)對(duì)輕質(zhì)混凝土的侵蝕作用，減緩應(yīng)力集中效應(yīng)，在二者之間增設(shè)0.2 m的砂墊層,砂墊層內(nèi)設(shè)復(fù)合土工膜，以增強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)的整體抗?jié)B性能。級(jí)配碎石層上覆 0.45 m 厚的道砟。采用重載鐵路專(zhuān)用軌道結(jié)構(gòu)形式。

圖2 試驗(yàn)所用重載鐵路輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)(單位：m)

實(shí)尺模型試驗(yàn)著重測(cè)試輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)在35～40 t動(dòng)力荷載作用下的應(yīng)力分布、受力傳遞規(guī)律、動(dòng)力響應(yīng)特性及受力變形特征。

采用大型脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)尺模型試驗(yàn)，運(yùn)用加載梁對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加動(dòng)力荷載，以模擬列車(chē)動(dòng)荷載[8-10]。為了確定輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，先對(duì)整體結(jié)構(gòu)逐級(jí)施加25～45 t軸重的靜態(tài)應(yīng)力，確定受力變形無(wú)明顯異常后對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)(自然干燥條件)逐級(jí)施加30，35，40，45 t軸重且頻率為5 Hz的動(dòng)力荷載。最后對(duì)浸水條件下的輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)分別施加35，40 t軸重動(dòng)力荷載各200萬(wàn)次，以驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性及抗?jié)B性能。室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)加載方案見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)加載方案

脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī)的最大動(dòng)試驗(yàn)力為500 kN，頻率為2～5 Hz。模型試驗(yàn)槽尺寸為6.8 m(長(zhǎng))×5 m(寬)×3.3 m(深)。動(dòng)土壓力盒、壓力分布傳感器、沉降觀測(cè)標(biāo)+線性可變差動(dòng)變壓器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)動(dòng)態(tài)變形傳感器布置參見(jiàn)圖2。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜力加載試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)依次加載25，27，30，35，40，45 t軸重荷載，各部位沉降情況見(jiàn)圖3?？芍?，隨著靜荷載的增加，各部位整體沉降呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。豎向沉降隨深度增加逐步減小，45 t軸重條件下豎向沉降由路基表面鋼軌正下方的0.85 mm逐步減小為輕質(zhì)混凝土底面的0.20 mm。不同軸重下各部位沉降發(fā)展趨勢(shì)基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，累積變形較?。浑S軸重的增加各部位差異沉降呈現(xiàn)微弱增長(zhǎng)。

圖3 25～45 t軸重靜力加載時(shí)各部位沉降

級(jí)配碎石和砂墊層壓縮變形較為明顯，25 t軸重條件下級(jí)配碎石和砂墊層的壓縮變形約為0.32 mm;45 t軸重條件下級(jí)配碎石和砂墊層的壓縮變形約為0.50 mm，較25 t條件增幅約為55%。輕質(zhì)混凝土自身的壓縮變形較小，且隨荷載增大壓縮變形基本穩(wěn)定在0.12 mm左右，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性和抵抗壓縮變形的能力。

4.2 動(dòng)力加載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)著重分析35，40 t軸重動(dòng)力加載條件下，輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)的受力變形特征。對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)逐級(jí)施加5 Hz動(dòng)力荷載，其中自然干燥條件下35，40 t軸重分別施加200，360萬(wàn)次。

4.2.1 豎向壓力

30～40 t軸重動(dòng)力加載時(shí)各部位的豎向壓力及壓力分布見(jiàn)圖4、圖5?？芍?，各層豎向壓力隨外荷載的增加呈現(xiàn)線性規(guī)律，同等荷載條件下豎向壓力的大小取決于該點(diǎn)所處的位置，符合應(yīng)力傳遞規(guī)律。

圖4 30～45 t軸重動(dòng)力加載時(shí)各部位豎向壓力情況

圖5 30～45 t軸重動(dòng)力加載時(shí)各部位豎向壓力分布

輕質(zhì)混凝土表面2種不同類(lèi)型傳感器的土壓力對(duì)比見(jiàn)表2?？芍?，在同等作用條件下壓力分布傳感器的數(shù)值是相同位置處土壓力盒測(cè)得壓力值的1.34～1.45倍。這是由土壓力盒自身剛度較大導(dǎo)致的，因此間接證明了壓力分布傳感器柔性編織材料可以更為準(zhǔn)確地測(cè)量土體內(nèi)部的壓力分布情況。

表2 輕質(zhì)混凝土表面2種不同類(lèi)型傳感器的土壓力對(duì)比

4.2.2 豎向壓力傳遞規(guī)律

35 t軸重動(dòng)力加載時(shí)不同部位的豎向壓力及應(yīng)力傳遞路徑見(jiàn)圖6?？芍?，軌枕中心處的豎向壓力與上述情況呈現(xiàn)相同規(guī)律，豎向深度相差0.4 m，壓力差穩(wěn)定在5 kPa左右，間接解釋了豎向壓力傳遞符合力學(xué)基本原理。其中TY8,TY4剛好處在45°擴(kuò)散角的邊緣，因此豎向壓力接近最小值；由于TY8,TY3處于同一等壓線上，所以數(shù)值較為接近，可間接解釋軌道下方一定范圍內(nèi)豎向應(yīng)力呈現(xiàn)“圓弧狀”分布。同樣處于等壓線上的TY5較TY7豎向壓力增大1.0～1.5倍，間接證明了兩軌之間豎向壓力存在應(yīng)力疊加，疊加后的壓力傳遞路徑呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，即軌下應(yīng)力較為集中，兩軌中間應(yīng)力疊加，豎向應(yīng)力隨著擴(kuò)散廣度及深度增加逐漸降低。

圖6 35 t軸重動(dòng)力加載時(shí)不同部位的豎向壓力及應(yīng)力傳遞路徑(單位：m)

35 t軸重動(dòng)力加載時(shí)，輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)級(jí)配碎石表面連續(xù)3根軌枕的壓力分布情況見(jiàn)圖7。可知，豎向壓力沿縱向逐步降低，基本呈現(xiàn)線性規(guī)律。

不同軸重動(dòng)力加載時(shí)級(jí)配碎石表面相應(yīng)軌枕下方及相鄰軌枕下方豎向壓力見(jiàn)表3?？芍?，在各級(jí)荷載條件下，相鄰軌枕的豎向壓力呈現(xiàn)相同分布規(guī)律，即第2根軌枕級(jí)配碎石表面豎向壓力為加載軌枕(中心枕)級(jí)配碎石表面的0.72倍左右，第3根軌枕豎向壓力為加載軌枕(中心枕)級(jí)配碎石表面的0.53倍左右，且豎向壓力與施加荷載呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。與橫向傳遞規(guī)律類(lèi)似，沿線路縱向的豎向壓力傳遞規(guī)律也存在應(yīng)力集中和疊加現(xiàn)象。

圖7 35 t軸重動(dòng)力加載時(shí)級(jí)配碎石表面壓力分布

表3 不同軸重動(dòng)力加載時(shí)級(jí)配碎石表面豎向壓力 kPa

5 結(jié)論及建議

1)在25～45 t靜荷載條件下，輕質(zhì)混凝土自身的壓縮變形較小，基本穩(wěn)定在0.12 mm左右，說(shuō)明輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗壓縮變形的能力。

2)濕密度為800 kg /m3的輕質(zhì)混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的力學(xué)穩(wěn)定性，適用于對(duì)變形要求較為嚴(yán)格的特殊鐵路路基區(qū)段及路橋過(guò)渡段?？梢杂行Ы档透鹘Y(jié)構(gòu)體間的差異沉降，并提供足夠的承載力。

3)沿線路橫向與縱向豎向應(yīng)力傳遞規(guī)律類(lèi)似，存在應(yīng)力集中和疊加現(xiàn)象。