王 勇

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司, 陜西西安 710032)

高速鐵路具有高速、舒適、安全的特點(diǎn)，為滿(mǎn)足高速鐵路系統(tǒng)高平順性、高穩(wěn)定性的要求，無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、變形、耐久性等方面的功能要求。路基作為軌道的基礎(chǔ)與上部軌道結(jié)構(gòu)一起形成列車(chē)走行的基礎(chǔ)，作為一種土工構(gòu)筑物暴露于外界不僅受到自然環(huán)境、地形地貌的制約，而且服役過(guò)程中長(zhǎng)期受到列車(chē)循環(huán)動(dòng)荷載作用，是高速鐵路運(yùn)營(yíng)中最為關(guān)鍵和薄弱的部分[1]，己有研究表明，水下滲進(jìn)入路基基床，不僅會(huì)減小基床土體強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)降低基床土體的抗變形能力[2]。無(wú)砟軌道路基為空間多層復(fù)合體結(jié)構(gòu)，路基結(jié)構(gòu)層分別為基床表層、基床底層、路基本體，其中基床表層是路基結(jié)構(gòu)中承受動(dòng)力荷載和環(huán)境影響最大的區(qū)域。根據(jù)高速鐵路路基基床表層水力損傷病害發(fā)生原因和特征，借鑒我國(guó)高速公路基層在水穩(wěn)定性和防沖刷設(shè)計(jì)思想，在基床表層上應(yīng)用具有協(xié)調(diào)層間變形和防滲功能的防水聯(lián)結(jié)層是解決水損傷病害的有效途徑[3-5]。

針對(duì)此本文提出了一種新型防排水基床結(jié)構(gòu)，即在基床表層增設(shè)膠凝級(jí)配碎石防水層(圖1)，并開(kāi)展了結(jié)構(gòu)層防水性能室內(nèi)試驗(yàn)。

圖1 聚氨酯碎石防排水型基床結(jié)構(gòu)

1 試驗(yàn)方法內(nèi)容

1.1 模型制作

(1)模型尺寸。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖錇殇摻Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)方體(長(zhǎng)×寬×高=58cm×52cm×65cm)，底部鋼板厚度為2.5cm，其余部分鋼板厚度為1.5cm，兩側(cè)分別采用夾具固定在立柱上進(jìn)行限位，限制模型箱在加載過(guò)程中發(fā)生晃動(dòng)。

(2)邊界條件。

為降低模型箱對(duì)結(jié)構(gòu)邊界受力方式的影響，在模型箱左右兩個(gè)分別粘貼1cm厚的擠塑板，并通過(guò)在側(cè)向放置土壓力盒監(jiān)測(cè)側(cè)邊邊界對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，而在底部不設(shè)置擠塑板為剛性邊界。

(3)測(cè)點(diǎn)布置。

為監(jiān)測(cè)試驗(yàn)各結(jié)構(gòu)層的受力和變形特性，在聚氨酯膠凝碎石表面、級(jí)配碎石底部、級(jí)配碎石中部和表面中埋設(shè)了土壓力、濕度計(jì)，在聚氨酯級(jí)配碎石的表面和底部分別安裝了沉降板，模型的傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置

2.2 試驗(yàn)加載

加載荷載由西南交通大學(xué)線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的液壓伺服加載系統(tǒng)提供，試驗(yàn)加載荷載幅值按應(yīng)力等效原則進(jìn)行換算，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明無(wú)砟軌道路基面動(dòng)應(yīng)力幅值范圍為10～20kPa，根據(jù)應(yīng)力等效原則計(jì)算荷載幅值為5kN，動(dòng)力荷載加載頻率為5Hz，自然狀態(tài)下激振2.4萬(wàn)次，浸水狀態(tài)下加載2.4萬(wàn)次。

圖3 加載荷載

3 試驗(yàn)成果

3.1 級(jí)配碎石含水率分析

級(jí)配碎石層含水率變化反映了聚氨酯膠凝碎石加強(qiáng)層的阻水性能。由圖4可見(jiàn)，注水前后，級(jí)配碎石內(nèi)部含水率穩(wěn)定，在深度方向上：下部>上部>中部，上部含水率控制在14 %左右，中部含水率控制在5 %左右，下部含水率控制在17 %左右，設(shè)置加強(qiáng)層后，結(jié)構(gòu)層具有較好的阻水能力。

圖4 各層位含水率變化曲線(xiàn)

3.2 動(dòng)應(yīng)力分析

動(dòng)應(yīng)力反映了激振荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用的大小，以應(yīng)力波的形式在各層傳遞，在傳播過(guò)程中由于土體的阻尼的作用吸收能量，則土壓力沿著深度方向逐漸減小。如圖5所示，前期在級(jí)配碎石頂部一定范圍內(nèi)，應(yīng)力波需要進(jìn)行一定的調(diào)整，土壓力曲線(xiàn)有所波動(dòng)但是中后期土壓力變化穩(wěn)定，且注水前后對(duì)動(dòng)應(yīng)力變化不明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，激振力經(jīng)過(guò)5cm加強(qiáng)層后，土壓力衰減了20 %，可見(jiàn)聚氨酯碎石加強(qiáng)層具有顯著的耗能。

3.3 累積沉降分析

散體材料在激振力作用下會(huì)產(chǎn)生塑性變形，過(guò)大的變形將會(huì)惡化軌道的平順狀態(tài)，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性與安全性。由于圖6所示，激振2萬(wàn)次之后，沉降較穩(wěn)定，聚氨酯層塑性變形為1.11mm，之后變化穩(wěn)定。

圖5 各層位土壓力累積變化曲線(xiàn)

圖6 聚氨酯混合料表層、級(jí)配碎石表層沉降曲線(xiàn)

4 結(jié)論

鑒于現(xiàn)行高速鐵路基床翻漿病害愈演愈烈，嚴(yán)重危及到線(xiàn)路安全，本文提出一種新型的新型防排水基床結(jié)構(gòu)，即在基床表層增設(shè)膠凝級(jí)配碎石防水層，并開(kāi)展了結(jié)構(gòu)層防水性能室內(nèi)試驗(yàn)。得出如下結(jié)論：聚氨酯膠凝級(jí)配碎石具有穩(wěn)定的隔水阻水性，且能顯著的衰減上部激振應(yīng)力波，同時(shí)塑性變形較小，約為1.11mm。