趙文輝， 蘇 謙， 李 婷， 黃俊杰

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活的不斷提高，既有線的運(yùn)輸能力已不能滿足要求，為緩解既有線的運(yùn)輸能力緊張局面和提高運(yùn)行速度，將修建增建二線[1]。新線建設(shè)包括路基填筑預(yù)壓、樁基施工等，將造成既有線路基受損，則增建二線建設(shè)路基工程將面臨兩個(gè)主要問題：①新線施工對既有線路基運(yùn)行狀態(tài)的影響；②增建二線對既有線工后沉降的影響。在特殊地質(zhì)段(如軟土地區(qū)、黃土地區(qū)等)修建增建二線時(shí)，傳統(tǒng)的工法將產(chǎn)生更嚴(yán)重的問題，影響既有線的運(yùn)行[2-3]。

泡沫輕質(zhì)土是近些年發(fā)展的一種新型材料[4]。它主要以水泥基膠凝材料、摻合料等為主要膠凝材料，加入外加劑和水制成料漿，然后再與一定比例細(xì)小的穩(wěn)定氣泡群混合攪拌形成流體，在施工現(xiàn)場澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的含有大量的、微小的、獨(dú)立的、均勻分布?xì)馀莸妮p質(zhì)混凝土材料[5]。該材料具有自重輕、流動性好、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、直立性強(qiáng)、環(huán)境影響低等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。1986年，在日本東北公路八戶線一戶區(qū)，泡沫輕質(zhì)土最早作為道路填土在道路建設(shè)中得到應(yīng)用，減輕荷重，縮短施工工期，從而對道路滑坡進(jìn)行了有效治理[8]。1988年，英國倫敦Dorkland地區(qū)澆注了27 000 m3的泡沫輕質(zhì)土作為道路路基，減小了地基的上部荷載，有效控制了路面沉降，減小對周邊建筑物的影響[9]。2010年，隨著泡沫輕質(zhì)土技術(shù)逐漸成熟，日本將該材料應(yīng)用于東京機(jī)場的跑道上，得以縮短工期、減少沉降[10]。則采用泡沫輕質(zhì)土填筑高速鐵路路基基床底層和地基，可充分利用泡沫輕質(zhì)土管道泵送的特點(diǎn)，對既有線路基擾動??；且泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量輕，可減弱對既有線工后沉降的影響，以及增建二線自身的路基壓密變形。

由于高速鐵路路基結(jié)構(gòu)型式與公路路基、機(jī)場跑道等存在差異，以及高速鐵路路基荷載環(huán)境的特殊性，不可直接采用公路、機(jī)場等領(lǐng)域既有的泡沫輕質(zhì)土技術(shù)。因此，本文在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速鐵路路基自身結(jié)構(gòu)和荷載條件，建立室內(nèi)大比例模型，研究泡沫輕質(zhì)土路基的動力特性和長期動力穩(wěn)定性，并與常規(guī)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，分析泡沫輕質(zhì)土材料作為高速鐵路路基基床底層填料的可行性。

1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

1.1 三軸試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)方法

高速鐵路路基填料的應(yīng)力是隨空間(三維)和時(shí)間(一維)多維度變化的，其值與車型、時(shí)速、軌道型式等有關(guān)。三軸試驗(yàn)參數(shù)選取時(shí)，要盡量符合該材料作為基床底層填料時(shí)動靜應(yīng)力環(huán)境條件，其中靜三軸試驗(yàn)圍壓為0。動三軸試驗(yàn)主要參數(shù)選擇如下：

(1) 波形、頻率：根據(jù)現(xiàn)場行車測試結(jié)果，得到無砟軌道路基動應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)路基動應(yīng)力隨時(shí)間的變化接近正弦波曲線，路基承受車軸作用頻響范圍為3.9～15.5 Hz(見圖1)。既有研究表明，就路基長期動力穩(wěn)定性而言，一般情況低頻荷載起控制性作用[11-12]。本試驗(yàn)加載頻率設(shè)定為5 Hz。

(2) 豎向靜應(yīng)力(σs1)、圍壓(σs3)：考慮基床表層及上部軌道結(jié)構(gòu)對基床底層的靜應(yīng)力作用，結(jié)合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB 10621—2014)》，得到基床底層的豎向應(yīng)力為σs1=21.5+γh，取σs1=25 kPa。鑒于泡沫輕質(zhì)土材料應(yīng)用到路基基床底層，圍壓σs3=K0σs1，其中K0約為0.3～0.4，取圍壓為10 kPa(見圖2)。

圖1 簡化的路基動應(yīng)力控制波形、頻率確定方式Fig.1 The determination way of the control waveform and frequency for the subgrade dynamic stress

圖2 基床底層填料的靜應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 The static stress condition of the bottom layer of subgradefiller

(3) 荷載作用次數(shù)：本次試驗(yàn)加載次數(shù)為5萬次。

結(jié)合上述分析，采用圖3所示的振動時(shí)程曲線對泡沫輕質(zhì)土試樣進(jìn)行加載。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用英國GDS公司的伺服電機(jī)控制的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。

1.2 模型試驗(yàn)

本次模型填筑分為三層,表層填料為0.4 m厚度的級配碎石(遂渝線無砟軌道綜合試驗(yàn)段工地現(xiàn)場)；

圖3 振動時(shí)程曲線示意圖Fig.3 Time-history curves of dynamic tests

圖4 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 The triaxial test system

其下為1 m厚度的泡沫輕質(zhì)土層(兩次澆筑而成)；底層為0.6 m厚度的A組、B組填料(屬碎石類土)。

1.2.1 模型制作

(1) 模型尺寸

模型高度為2.0 m，寬度為5.1 m，縱向長度1.4 m；混凝土基礎(chǔ)板橫向?qū)挾葹?.1 m，縱向?yàn)?.0 m，

厚度為0.3 m。

(2) 邊界條件的模擬

線路縱向按平面應(yīng)變問題考慮，采用剛性擋墻來模擬其邊界條件，涂抹2 mm厚度的凡士林作為潤滑層；模型橫向線路中心線一側(cè)采用剛性支擋，另一側(cè)設(shè)置耗能層；模型底部建立耗能層阻止應(yīng)力的反射(黏彈性邊界，由1 cm厚度的聚苯乙烯板和1 cm厚度的軟木板組成)。

(3) 模型填料的分層厚度及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)控制

試驗(yàn)中A組、B組填料層和級配碎石層采用分層填筑，填筑厚度為10 cm，小型夯土機(jī)壓實(shí)，每層壓實(shí)完成后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定；泡沫輕質(zhì)土層采用與現(xiàn)場相同的澆筑工藝，主要步驟為：按照水灰比0.65進(jìn)行水泥漿攪拌，調(diào)整泡沫輕質(zhì)土制備站制備目標(biāo)澆筑密度600 kg/m3的成品泡沫輕質(zhì)土，而后進(jìn)行澆筑(見圖5)。

(4) 混凝土基礎(chǔ)板及加載裝置設(shè)計(jì)

為簡化設(shè)計(jì)，在滿足測試要求的前提下，通過加載板、加載梁、混凝土基礎(chǔ)板，在基床表面施加均布荷載，符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10621—2014)》要求。

圖5 泡沫輕質(zhì)土施工工藝Fig.5 The construction technology of foamed concrete

(5) 測點(diǎn)布置

為滿足測試分析要求，在不同的位置布置了傳感器(動土壓力盒、加速度計(jì)、動位移計(jì))和沉降板等(見圖6)，具體參數(shù)見表1。

表1 傳感器類型及相應(yīng)參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)加載

(1) 荷載幅值

根據(jù)大量的高速鐵路無砟軌道路基現(xiàn)場行車測試結(jié)果，已知無砟軌道路基基床表層頂面動應(yīng)力實(shí)測值為9.5～20.0 kPa(見表2)，本次試驗(yàn)選取加載幅值為20 kPa。

表2 無砟軌道路基表面實(shí)測動應(yīng)力

圖6 元器件布置示意圖(mm)Fig.6 The layout of instruments of schematic diagram(mm)

(2) 荷載頻率

本試驗(yàn)加載頻率設(shè)定為5 Hz。

(3)加載次數(shù)

借鑒已有研究成果[16-19]，確定循環(huán)加載次數(shù)為200 萬次。

2 試驗(yàn)成果和分析

2.1 三軸試驗(yàn)

2.1.1 滯回曲線分析

通過試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，各澆筑密度輕質(zhì)混凝土滯回圈表現(xiàn)出相似的演化規(guī)律和形狀特征，下述分析將不針對某一特定澆筑密度。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]研究成果可知，當(dāng)靜態(tài)應(yīng)力環(huán)境恒定時(shí)，循環(huán)荷載作用下材料的累積塑性變形由施加的動偏應(yīng)力決定。通過施加不同的動偏應(yīng)力，泡沫輕質(zhì)土累積塑性變形和循環(huán)荷載周期關(guān)系曲線分為破壞型和穩(wěn)定型：當(dāng)動偏應(yīng)力大于臨界動應(yīng)力時(shí)，在一定的循環(huán)荷載周期后試樣出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，屬于破壞型；而當(dāng)動偏應(yīng)力小于臨界動應(yīng)力時(shí)，隨著循環(huán)荷載周期的增加，累積塑性變形達(dá)到定值后基本保持不變，屬于穩(wěn)定型(見圖7)。

從圖7(a)可知，對于破壞型曲線，其主要表現(xiàn)為三階段，即初始階段、等速階段和加速階段；初始階段，發(fā)生在循環(huán)荷載開始階段，隨著循環(huán)周期的增加，變形速率迅速減??；等速階段，累積塑性變形曲線接近斜直線，變形速率達(dá)到最小并保持基本恒定的階段；加速階段，累積塑性變形猛然增大，變形速率迅速增大階段。三階段在整個(gè)循環(huán)過程中持續(xù)時(shí)間不同，初始階段一般很短，等速階段偏長，且其持續(xù)時(shí)間的長短和動偏應(yīng)力密切相關(guān)，其值越小，等速階段越長，當(dāng)其值接近臨界動應(yīng)力時(shí)，等速階段達(dá)到最大值。圖7(b)為穩(wěn)定型曲線，主要表現(xiàn)為兩階段特征：初始階段和穩(wěn)定階段；初始階段，與破壞型曲線初始階段相似，但累積塑性變形要小的多，持續(xù)時(shí)間更長，變形速率更?。环€(wěn)定階段，變形速率接近為0，變形發(fā)展極其緩慢，在循環(huán)荷載施加結(jié)束時(shí)，累積塑性變形值很小。

圖7 累積塑性變形與循環(huán)荷載周期關(guān)系曲線Fig.7 Relation between accumulated plastic strain and cyclic loading number

2.1.2 動靜強(qiáng)度分析

對于脆性破壞的泡沫輕質(zhì)土試樣，取應(yīng)力-應(yīng)變峰值點(diǎn)作為其靜強(qiáng)度值[22]；臨界動應(yīng)力為循環(huán)荷載作用下試樣變形曲線中破壞型和穩(wěn)定型的分界線對應(yīng)的循環(huán)偏應(yīng)力值。

自然干燥和浸水飽和狀態(tài)時(shí)澆筑密度范圍為500～700 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土的靜強(qiáng)度和臨界動應(yīng)力分別見表3。

表3 不同澆筑密度時(shí)泡沫輕質(zhì)土靜動強(qiáng)度值

通過分析，可知：各含水狀態(tài)時(shí)，靜強(qiáng)度和臨界動應(yīng)力分別隨澆筑密度的增加而增加，靜強(qiáng)度處于0.59～1.94 MPa，臨界動應(yīng)力處于0.06～0.35 MPa，且浸水飽和狀態(tài)時(shí)靜強(qiáng)度均低于自然干燥狀態(tài)；當(dāng)澆筑密度為500 kg/m3，550 kg/m3時(shí)，自然干燥狀態(tài)時(shí)臨界動應(yīng)力高于浸水飽和狀態(tài)，而當(dāng)澆筑密度為600～700 kg/m3時(shí)，自然干燥狀態(tài)時(shí)臨界動應(yīng)力低于或等于浸水飽和狀態(tài)，說明含水狀態(tài)對其靜強(qiáng)度和臨界動應(yīng)力有一定的影響。

結(jié)合高速鐵路無砟軌道路基現(xiàn)場靜力測試結(jié)果和理論計(jì)算，高速鐵路無砟軌道路基基床底層(厚度為2.3 m)靜應(yīng)力分別在60～110 kPa。顯然，在考慮水對泡沫輕質(zhì)土靜強(qiáng)度影響的條件下，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土澆筑密度達(dá)到500 kg/m3后，其靜強(qiáng)度大于590 kPa，其靜強(qiáng)度已遠(yuǎn)大于高速鐵路無砟軌道路基基床底層靜應(yīng)力。但在考慮安全儲備的條件下，建議泡沫輕質(zhì)土作為基床底層填料時(shí)澆筑密度取值大于500 kg/m3。

根據(jù)大量高速鐵路無砟軌道路基現(xiàn)場行車測試結(jié)果，已知無砟軌道路基基床表層頂面動應(yīng)力實(shí)測值為9.5.0～20.0 kPa，其傳遞至基床底層頂面后一般衰減30%以上，則基床底層動應(yīng)力為5.8～14.4 kPa[23-29]。相對于高速鐵路無砟軌道路基基床底層的動應(yīng)力環(huán)境，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土澆筑密度為500 kg/m3時(shí)，干燥狀態(tài)和浸水飽和狀態(tài)的泡沫輕質(zhì)土臨界動應(yīng)力分別為100 kPa和60 kPa，顯然澆筑密度為500 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土已可作為基床底層填料。相對高速鐵路無砟軌道路基動應(yīng)力設(shè)計(jì)值100 kPa而言，在考慮水對泡沫輕質(zhì)土動強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，并在安全系數(shù)為2.0的保障條件下，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土澆筑密度達(dá)到600 kg/m3時(shí)，泡沫輕質(zhì)土臨界動應(yīng)力滿足基床底層動應(yīng)力環(huán)境要求。

2.2 模型試驗(yàn)

基床的動力特性指基床對動荷載的響應(yīng)[30]。高速鐵路路基動力特性包括路基土體的動變形、動應(yīng)力、加速度及其影響因素等，路基動力響應(yīng)的大小及其過程直接影響高速鐵路路基的設(shè)計(jì)、施工、使用和養(yǎng)護(hù)維修，并關(guān)系到路基的強(qiáng)度疲勞特性、累積變形及其動力穩(wěn)定性[31]。

2.2.1 動應(yīng)力分析

動應(yīng)力反映列車荷載對路基作用的大小，以動力波的形式通過上部軌道結(jié)構(gòu)傳到基床面,再向深層傳播,在傳播過程中由于介質(zhì)的阻尼作用吸收能量,則動應(yīng)力沿著深度的增加而衰減。

動應(yīng)力與加載次數(shù)曲線,如圖8所示。隨著加載次數(shù)的增加，在動應(yīng)力的作用下，激振力對模型頂部影響較大，應(yīng)力進(jìn)行一定調(diào)整，級配碎石層頂部應(yīng)力值基本隨著加載次數(shù)的增加呈減小趨勢，而對于級配碎石層中部和底部的動應(yīng)力在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)前，呈增大趨勢，當(dāng)加載70 萬次后，動應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定；4#、5#、6#、7#土壓力值在整個(gè)循環(huán)加卸載過程中基本保持不變，說明動應(yīng)力對泡沫輕質(zhì)土和A組、B組填料影響已較小。

圖8 動應(yīng)力與加載次數(shù)的關(guān)系曲線Fig 8 The relation curve of dynamic stress and circle vibration

取200 萬次時(shí)動應(yīng)力值，繪制動應(yīng)力衰減系數(shù)與深度的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 路基動應(yīng)力衰減系數(shù)隨深度變化規(guī)律Fig.9 Distribution of dynamic stress attenuation coefficient along the subgrade depth

從圖9可知，隨著基床深度增加，應(yīng)力值呈減小趨勢，級配碎石層底部應(yīng)力值約為級配碎石層頂面應(yīng)力值的62.4%，泡沫輕質(zhì)土層底部應(yīng)力約為基床表層頂面應(yīng)力值的40.4%；級配碎石層對應(yīng)力耗散較快，同時(shí)泡沫輕質(zhì)土層亦有良好的耗能作用，與A組、B組填料相當(dāng)；通過與五個(gè)現(xiàn)場實(shí)測工點(diǎn)進(jìn)行比較可知：該次試驗(yàn)所得規(guī)律與武廣高鐵DK1252+878所測數(shù)據(jù)相近。

2.2.2 振動加速度分析

振動的強(qiáng)弱程度可用振動加速度描述。加速度大小與所在位置的剛度、參振質(zhì)量等相關(guān)，通過對不同位置設(shè)置加速度計(jì)，繪制加速度與加載次數(shù)關(guān)系曲線見圖10。

圖10 加速度與加載次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.10 The relation curve of acceleration and circle vibration

從圖10可知，承載板縱斷面中間位置加速度值(A1，A2)相近，承載板端部加速度值(A4)與中間位置相比稍?。浑S著循環(huán)加載次數(shù)增加，在0～70 萬次內(nèi)各測點(diǎn)振動加速度值變化較為明顯，70 萬次后，各測點(diǎn)的振動加速度值基本上保持穩(wěn)定，A1，A3位置的加速度值分別為0.165 m/s2，0.048 m/s2，與文獻(xiàn)[32]所測試得到結(jié)果0.307 m/s2，0.158 m/s2相比偏低。

2.2.3 動位移分析

動位移是反映路基剛度大小的關(guān)鍵參數(shù)之一，路基剛度低，則變形就大，影響列車行駛速度。對于高速鐵路路基而言，需提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的軌道基礎(chǔ)以減小變形，保障線路的平順性和長期穩(wěn)定性。

圖11 動位移與加載次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.11 The relation curveof dynamic deformation and circle vibration

從圖11可知，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，可得：隨著循環(huán)加載次數(shù)增加，在0～70萬次內(nèi)測點(diǎn)動位移值變化較為明顯，70萬次后，各測點(diǎn)的動位移基本上保持穩(wěn)定，承載板中心位置的動位移為0.084 mm，承載板端部動位移較小，為0.042 mm，遠(yuǎn)低于Pham研究中測試承載板中心位置得到的結(jié)果0.243 mm。說明在長期動荷載作用下，泡沫輕質(zhì)土路基動位移值較小，且在加載過程中變化幅度較小，表明泡沫輕質(zhì)土路基具有較高的整體剛度和良好的動力穩(wěn)定性。

2.2.4 累積沉降變化規(guī)律

常規(guī)散體材料填筑的高速鐵路基床在列車荷載的作用下會產(chǎn)生不可避免的塑性變形，即累積沉降。累積沉降量的大小關(guān)系到線上結(jié)構(gòu)的維修模式和成本，如果過大，將惡化軌道的平順狀態(tài)，嚴(yán)重影響列車行駛的平順性和安全性。

圖12 累積沉降與加載次數(shù)的關(guān)系Fig.12 The relation of cumulative settlement and circle vibration

圖13 累積沉降速率與加載次數(shù)的關(guān)系Fig.13 The relation of cumulative settlement rate and circle vibration

結(jié)合圖12和圖13可知：當(dāng)循環(huán)加卸載次數(shù)小于70 萬次時(shí)，三個(gè)測點(diǎn)的累積沉降變化明顯，即累積沉降速率較大；當(dāng)循環(huán)加卸載70 萬次后，各點(diǎn)的累積沉降速率趨于穩(wěn)定；當(dāng)加卸載200 萬次后，級配碎石層累積變形為0.52 mm，泡沫輕質(zhì)土層累積變形為0.03 mm，A組、B組填料層累積變形為0.135 mm；泡沫輕質(zhì)土路基填料模型試驗(yàn)中泡沫輕質(zhì)土層的累積變形較小，僅占整體累積沉降的4.2%，表明泡沫輕質(zhì)土作為一種整體澆筑填料，在動應(yīng)力作用下，不產(chǎn)生較大的塑性變形；與蘇謙等和肖軍華等現(xiàn)場測試基床頂部的累積沉降范圍0.4～0.8 mm相當(dāng)。

3 結(jié) 論

在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速鐵路路基自身結(jié)構(gòu)和荷載條件，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，測試不同位置的動應(yīng)力、振動加速度、動位移等參數(shù)，研究各參數(shù)與動荷載作用次數(shù)的長期變化規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

(1)隨著加載次數(shù)的增加，在動應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行一定調(diào)整，動應(yīng)力、振動加速度等參數(shù)在加載次數(shù)0～70萬次內(nèi)，變化較明顯，加載70萬次后，各參數(shù)趨于穩(wěn)定。

(2)隨著基床深度增加，應(yīng)力實(shí)測值呈減小趨勢，基床表層底部應(yīng)力值約為基床表層頂面應(yīng)力值的62.4%，泡沫輕質(zhì)土層底部應(yīng)力約為基床表層頂面應(yīng)力值的40.4%，說明泡沫輕質(zhì)土層能對應(yīng)力起到很好的擴(kuò)散作用。

(3)在長期動荷載作用下，泡沫輕質(zhì)土路基動位移值較小，且在加載過程中變化幅度較小，承載板中心位置的動位移為0.084 mm，表明泡沫輕質(zhì)土路基具有較高的整體剛度和良好的動力穩(wěn)定性。

(4)當(dāng)加卸載200萬次后，級配碎石層累積變形為0.52 mm，泡沫輕質(zhì)土層累積變形為0.03 mm，A組、B組填料層累積變形為0.135 mm；泡沫輕質(zhì)土路基填料模型試驗(yàn)中泡沫輕質(zhì)土層的累積變形較小，僅占整體累積沉降的4.2%。