,,, ,
(1.中國鐵道科學研究院,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)
泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫,與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌,并經(jīng)物理化學作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料[1-2]。
泡沫輕質(zhì)土密度通常在300~1300kg/m3,僅為路基土質(zhì)填料的1/5~1/3,具有輕質(zhì)性、密度可調(diào)性,取材容易、施工簡單。泡沫輕質(zhì)土密度小、強度高、剛度大的特性對工后沉降的控制較傳統(tǒng)填料更有優(yōu)勢,可顯著降低基底應(yīng)力,達到有效控制沉降、變形的目的。與高分子材料相比,泡沫輕質(zhì)土耐久性更強,具有與水泥材料相等的耐久性。泡沫輕質(zhì)土固化后具有自立性,可垂直填筑,使得施工作業(yè)面小,可有效解決過渡段施工困難[3]。
采用0.5水灰比配置泡沫輕質(zhì)土,干密度取400~1 000 kg/m3,泡沫輕質(zhì)土干密度與抗壓強度關(guān)系見表1[4]。試驗結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土抗壓強度隨著干密度增加而增加,干密度500 kg/m3(約為濕密度700 kg/m3)以上的泡沫輕質(zhì)土抗壓強度大于2 MPa,基本滿足作為路基底層填筑材料的要求[5]。
在泡沫輕質(zhì)土含水飽和的條件下,當泡沫輕質(zhì)土配合比密度達到700 kg/m3后,其動強度大于350 kPa。在應(yīng)力90~130 kPa、作用頻率5 Hz時,干密度700 kg/m3
表1 泡沫輕質(zhì)土干密度與抗壓強度
的泡沫輕質(zhì)土彈性模量約為140~170 MPa。
水分對泡沫輕質(zhì)土強度等力學性能影響明顯,實際工程中難以完全隔絕水分的影響。不同濕密度泡沫輕質(zhì)土25次干濕循環(huán)后抗壓強度最大損失率小于15%。泡沫輕質(zhì)土抵抗干濕循環(huán)性能較強[4]。
不同密度泡沫輕質(zhì)土在凍融循環(huán)作用下也體現(xiàn)出不同的性能,隨著密度的提高其抗壓強度損失率逐漸減小,干密度700~1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土在25次凍融循環(huán)后抗壓強度損失率為4%~15%[4]。
一定干密度以上的泡沫輕質(zhì)土整體物理性能、耐久性滿足作為重載鐵路路基底層填料的要求,但是泡沫輕質(zhì)土性能受水分影響較大。
本文建立實尺模型,驗證泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)在35~40 t軸重作用下的性能。
相比一般軸重列車,開行重載列車的路基將面臨2個方面的技術(shù)問題:①軸重增加引起路基荷載增加,路基內(nèi)部動應(yīng)力疊加效應(yīng)明顯,影響深度增大;②長大編組列車會使得路基荷載連續(xù)作用次數(shù)增加,導(dǎo)致路基土體中累積孔壓難以及時消散、有效應(yīng)力減小和基床強度降低[6-8]。此外,我國路基設(shè)計使用年限一般是100年,對路基填料耐久性、結(jié)構(gòu)形式的合理性要求嚴格。
根據(jù)重載鐵路路基現(xiàn)場測試結(jié)果,結(jié)合理論計算,得到軸重30 t列車荷載作用下,距離軌枕底面0.5 m深度下路基面應(yīng)力最大值為123 kPa,平均值為57.5 kPa;距離軌枕底面1.2 m深度下基床底層表面應(yīng)力在60~80 kPa[8]。在考慮水對泡沫輕質(zhì)土抗壓強度的影響下,當泡沫輕質(zhì)土配合比密度達到700 kg/m3后,其動強度達到350 kPa,已遠大于路基內(nèi)應(yīng)力,說明泡沫輕質(zhì)土層骨架不會產(chǎn)生破壞。
泡沫輕質(zhì)土密度小,可大幅度地減輕施加于地下結(jié)構(gòu)物上的土壓力;剛度大,可以使路基內(nèi)應(yīng)力更大范圍均勻擴散,減小作用于地下結(jié)構(gòu)物上的附加應(yīng)力。使用泡沫輕質(zhì)土代替普通路基填料作為基床底層填料可以有效地解決難以獲取優(yōu)質(zhì)填料、過渡段差異沉降大、受條件限制施工困難、地基條件不滿足規(guī)范要求等問題[9]。
根據(jù)泡沫輕質(zhì)土材料物理力學性質(zhì)和TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》提出適用于重載鐵路的泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)。特設(shè)置0.2 m厚兩布一膜砂墊層,增強整體結(jié)構(gòu)防排水性能,保證泡沫輕質(zhì)土基床防水性能,具體參數(shù)見表2,路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。
表2 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖1 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)示意
計算重載條件下路基縱向、橫向和垂向3個方向的應(yīng)力分布,得出路基的荷載特征及其擴散規(guī)律和路基基床三維應(yīng)力狀態(tài)。確保試驗過程中泡沫輕質(zhì)土層受到的應(yīng)力能夠達到實際運營過程中的理論應(yīng)力值。
2.2.1 模型介紹
為了驗證泡沫輕質(zhì)土在重載鐵路路基中的應(yīng)用效果,在試驗槽鋪設(shè)實尺模型試驗結(jié)構(gòu),采用與實際重載鐵路相同的軌道結(jié)構(gòu)。由于只能單軸加載,沒有實際列車的多軸應(yīng)力疊加作用,為了充分驗證泡沫輕質(zhì)土作為基床底層填料的疲勞性能,道砟鋪設(shè)35 cm,減薄級配碎石層為20 cm,下部鋪設(shè)20 cm厚兩布一膜砂墊層增強防排水性能,澆筑濕密度800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土1 m厚,試驗槽下部填充A,B組填料1.1 m。
采用巖土力學三維有限元計算軟件ABAQUS,模擬實際填料特性,結(jié)合實尺模型實際情況設(shè)置邊界條件,計算路基內(nèi)應(yīng)力分布。各部分計算參數(shù)見表3。
表3 仿真計算各部分參數(shù)
2.2.2 應(yīng)力分析
經(jīng)計算,35,40 t軸重情況下受力最大的軌枕鋼軌之下垂向動應(yīng)力隨著深度的增加而減小。
不同深度垂向動應(yīng)力計算結(jié)果見表4。路基內(nèi)應(yīng)力在經(jīng)過泡沫輕質(zhì)土層后傳遞到A,B組填料表面只有輕質(zhì)土表面的63%,可見泡沫輕質(zhì)土因其剛度大的特性可以有效地擴散應(yīng)力,減小作用于地下結(jié)構(gòu)物上的附加應(yīng)力。并且實尺模型表面的應(yīng)力與實車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力大小基本一致,實尺模型足以模擬實車荷載對路基產(chǎn)生的應(yīng)力作用。
表4 不同深度垂向動應(yīng)力 kPa
實尺模型試驗著重測試自然干燥和完全浸水2種狀態(tài)下泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的動變形和累積變形。
試驗儀器為中國鐵道科學研究院集團有限公司軌道結(jié)構(gòu)國家重點實驗室MTS四通道脈沖疲勞試驗機(最大軸向負荷為500 kN,頻率1~20 Hz),配備自動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
采用500 kN加載梁搭設(shè)在鋼軌上,對加載梁施加正弦波荷載,模擬列車單軸荷載。先對試驗?zāi)P褪┘虞S重20 t、頻率5 Hz共200萬次穩(wěn)定道砟。之后逐級施加軸重35,40 t,頻率5 Hz,整體結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后進行下一級加載。
為測試泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的抗變形性能以及防排水性能,傳感器布置見圖2。
圖2 泡沫輕質(zhì)土實尺模型試驗結(jié)構(gòu)(單位:m)
3.2.1 動變形
在軸重35,40 t動力加載條件下泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的動變形情況見表5。泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)層厚度1.0 m,其動變形在0.06 mm以下,動應(yīng)變小于0.006%,隨荷載增加變形增加比例約為20%,在整個試驗過程中動變形穩(wěn)定在0.05 mm左右,說明泡沫輕質(zhì)土剛度較大抵抗動變形能力較強。路基面動變形在0.32 mm 以下,隨荷載增加變形增加比例約為10%,不會影響到道床狀態(tài)。路基結(jié)構(gòu)整體變形較小,形式合理。
表5 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)動變形試驗結(jié)果 mm
圖3 干燥條件下泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形
3.2.2 泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形
在軸重35,40 t動力加載干燥條件下泡沫輕質(zhì)土層的累積塑性變形見圖3??芍?,隨著作用次數(shù)的增加塑性變形逐漸趨于穩(wěn)定,荷載增加后塑性變形隨之增加,最終塑性變形穩(wěn)定在0.05 mm,總計約400萬次的疲勞荷載作用下總變形不超過0.12 mm。泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大的塑性變形,服役性能優(yōu)良。
在軸重35,40 t動力加載浸水條件下,泡沫輕質(zhì)土層的累積塑性變形見圖4。可知,浸水使上部荷載增加,在干燥條件下經(jīng)過疲勞穩(wěn)定的塑性變形繼續(xù)增長,在軸重35 t作用下最終穩(wěn)定在0.14 mm。軸重增加至40 t泡沫輕質(zhì)土塑性變形繼續(xù)發(fā)展至0.08 mm后趨于穩(wěn)定。
圖4 浸水條件下泡沫輕質(zhì)土層累積塑性變形
整個試驗過程973萬次,最終累積塑性變形小于0.35 mm,泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)并未發(fā)生嚴重破壞,該結(jié)構(gòu)泡沫輕質(zhì)土層能夠抵抗400 kN的動荷載作用,不會產(chǎn)生影響軌道狀態(tài)的過大變形。
3.2.3 路基面動變形和累積變形
試驗過程中,同步采集了路基面變形情況,路基面變形情況見表6。整個試驗過程中,路基面累積變形不超過1.2 mm,最終趨于穩(wěn)定狀態(tài),整體結(jié)構(gòu)形式合理。
表6 路基面累積塑性變形 mm
3.2.4 路基結(jié)構(gòu)防水性能
圖5 泡沫輕質(zhì)土含水率變化曲線
濕密度800 kg/m3泡沫輕質(zhì)土吸水率約為0.3[10],含水率變化曲線見圖5??芍?,浸水后泡沫輕質(zhì)土內(nèi)含水率從4.4%增加到5.5%,變化較小。表明泡沫輕質(zhì)土整體結(jié)構(gòu)防排水性能優(yōu)良,含水率稍有增加是因為路基結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計有沉降標,沉降標部位防水較為困難造成水分滲入。
浸水后經(jīng)過413萬次疲勞荷載作用并未產(chǎn)生任何不良現(xiàn)象,說明結(jié)構(gòu)形式合理。
1)泡沫輕質(zhì)土填料適合作為施工困難、優(yōu)質(zhì)填料難以獲取、嚴格控制變形等特殊鐵路路基區(qū)段的基床底層填料。
2)實尺模型試驗結(jié)果表明,泡沫輕質(zhì)土層動變形量小于0.07 mm,累積變形小于0.35 mm;整體結(jié)構(gòu)動變形量小于0.4 mm,累積變形小于1.2 mm。整體結(jié)構(gòu)具有良好的力學穩(wěn)定性。
3)泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)中的砂墊層可以有效地防止泡沫輕質(zhì)土層浸水,避免泡沫輕質(zhì)土層受水分影響產(chǎn)生路基病害。