王亞威

中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

中國鐵路工程建設的高質量發(fā)展是今后交通建設的主要方向。路基作為軌道結構的承載部位，是一種典型的線下支撐結構。相對于傳統(tǒng)路基結構，箱式路基可以避免大體量路基填料的運輸以及大體量填料的分層壓實，節(jié)約了物料和用地，可以有效降低我國橋隧比，是一種迎合低碳、裝配式發(fā)展的新型路基結構。因此對拼裝式箱式路基及其基礎的工后沉降、靜動力性能的研究尤為重要。

鐵路路基結構的典型工程問題為路基沉降控制及力學特性研究，因此在我國軟土、黃土等特殊土地區(qū)，國內外眾多學者提出了多種新型路基結構來控制整體變形和提高路基承載能力，其中包括X 形樁復合地基［1-2］、樁筏樁網結構［3-6］、樁板結構［7-9］等，針對新型路基結構研究其動力響應特征、長期累積變形特性與承載機制等。詹永祥等［10］在遂渝線針對非埋式樁板結構采用理論分析、循環(huán)動態(tài)加載試驗與離心模型試驗等開展沉降變形與動力特性研究。蘇謙等［11-12］針對京滬高速鐵路淺埋式樁板路基結構，通過數值分析與原位激振試驗，系統(tǒng)地研究了深厚軟土淺埋樁板式低矮路堤結構的長期變形與動力穩(wěn)定性。杜廣印等［13］利用模型試驗研究透水混凝土樁復合地基的承載力。劉宏揚等［14］采用離心模型試驗研究水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁失穩(wěn)破壞特性。

當前對于高速鐵路路基、高速公路路基復合地基加固技術已進行了較多研究。由于箱式路基結構是拼裝式預制混凝土結構，對變形和地基各項力學性能要求甚高，但對箱式路基新結構下復合地基變形及靜動力學性能研究鮮有報道。因此本文依托室內模型試驗，以新建箱式路基端承式復合地基的靜載和長期疲勞加載變形，復合地基中墊層、樁間和樁底土壓力分布為觀測指標對其動靜態(tài)性能進行研究，以期為相關工程建設提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 模型設計

本次室內模型試驗在西南交通大學陸地交通地質災害防治技術國家工程研究中心進行，采用實驗室先進的加載和測試設備完成加載步驟和測試內容。受實驗室加載條件限制，在保證試驗可靠性與安全性的前提下，按照相似比1∶6 確定箱式路基模型結構尺寸。單節(jié)箱式路基箱體長度為1.66 m，高度為1.17 m，寬度為2.02 m，見圖1。路基箱體下方有墊層高度為0.1 m（包含0.067 m 碎石 + 0.033 m 中粗砂）夾鋪兩層土工格柵，在墊層里摻3%的水泥。箱式路基室內模型見圖2。

圖1 箱式路基橫截面（單位：m）

圖2 箱式路基室內模型試驗

箱式路基為鋼筋混凝土結構，混凝土采用C45 混凝土。地基擬采用CFG 樁加固，CFG 樁樁徑0.08 m，高度擬定為0.95 m，樁間距0.32 m（垂直線路方向） ×0.33 m（線路方向）。樁帽長度0.15 m，寬度0.15 m，高度0.06 m。CFG 樁體原材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成，材料按C15 混凝土配比；樁頂鋪設墊層（碎石+中粗砂），墊層粒徑不大于30 mm。同時，樁頂采用C35 混凝土樁帽。地基樁間土質為粉質黏土，樁底為基巖。模型試驗中，基巖采用現澆混凝土層，樁基嵌入混凝土層模擬端承效果。

1.2 試驗工況

本模型試驗加載模式分靜力加載試驗和動力加載試驗兩部分，首先開展靜力加載試驗，然后進行動力加載試驗。

1）靜力加載試驗

靜力加載試驗所選取的加載量級不能超過試驗模型承受極限，不能造成試驗模型產生破壞。根據荷載的相似關系，采用單個轉向架模型，模型荷載為原型荷載的1/36。根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》采用ZKH 標準活載，一個轉向架對軌面上的荷載為500 kN，故對結構施加的模型荷載為13.89 kN，豎向靜荷載加載形式見圖3。豎向靜荷載分為跨中截面加載和邊側截面加載這兩種試驗工況。

圖3 靜力荷載加載時程曲線

2）疲勞加載試驗

箱式路基結構模型疲勞試驗為循環(huán)荷載試驗，模擬雙線鐵路列車反復荷載作用下對其長期性能的影響。列車荷載的大小是通過液壓伺服激振器的輸出荷載來反映的。試驗時加載控制系統(tǒng)輸出荷載頻率擬采用5 Hz，輸出的波形為正弦波，荷載加載次數擬定為100 萬次。根據模型相似比，波峰值和波谷值分別為20、3 kN。靜載和疲勞加載作用位置見圖4（實際加載時靜載和疲勞分開加載），圖中編號為位置編號。

圖4 模型加載點位及位置編號

2 試驗結果與分析

2.1 地基靜力變形特性

箱式路基結構變形較小，位移主要是由地基沉降引起的，地基沉降不便于直接準確監(jiān)測，故以箱式路基位移反映地基變形。靜力載荷從0開始分級加載到20 kN，每次增長5 kN?？缰屑虞d過程中，激光位移計實時監(jiān)測箱式梁結構在靜力載荷加載作用下跨中豎向位移的變化規(guī)律，見圖5?？芍寒敽奢d施加到設計載荷13.89 kN 時，箱式梁結構跨中截面的豎向位移為0.16 mm，以相似比換算到實際最大豎向位移僅為0.96 mm，且箱式路基結構的位移分級增長，與荷載基本處于同步變化。判定在未超出正常服役荷載13.89 kN 時，箱式路基結構整體可看作處于彈性階段。

圖5 箱式路基結構跨中豎向位移

2.2 墊層靜載土壓力分布

靜力加載位置分跨中加載和邊側加載兩種工況，而土壓力監(jiān)測位置也分邊側截面（編號1—6）位置和跨中截面（編號13—18）位置。墊層土壓力沿橫向分布曲線見圖6?？芍涸谀Ｐ蜋M向方向上（以最左編號位置為原點），墊層土壓力由靠近加載點一側向另一側逐漸衰減，存在偏峰現象，且邊側加載引起的土壓力要比跨中加載引起的土壓力大。在跨中加載工況下，墊層跨中土壓力和邊側土壓力接近，土壓力最大值在26 kPa 左右。在邊側加載工況下，墊層邊側土壓力要明顯大于跨中土壓力，邊側土壓力最大值在61 kPa左右，跨中土壓力最大值在32 kPa 左右，相差接近50%，該結果符合結構偏心受力規(guī)則，且最大應力并未超過混凝土的抗壓強度，這說明在鐵路靜載下箱式路基整體性良好，傳力正常。

圖6 墊層土壓力分布曲線

2.3 樁間與樁底靜載土壓力

復合地基樁間（樁底）土壓力盒布置與墊層內對應，即邊跨截面編號1—6，跨中截面編號13—18。復合地基樁間中部土壓力分布曲線見圖7，復合地基樁底土壓力分布曲線見圖8。

圖7 復合地基樁間中部土壓力分布曲線

圖8 復合地基樁底土壓力分布曲線

由圖7、圖8 可知：樁中和樁底土壓力在模型橫向上變化規(guī)律相同，均是由靠近加載點一側向另一側逐漸遞減，也存在偏峰現象。邊側加載工況下的土壓力要比跨中加載工況下的土壓力大。在邊側和跨中加載下，樁中部土壓力均在0.2 kPa 以內，分布起伏不大；樁底土壓力在邊側加載工況下，邊側土壓力比跨中土壓力大，邊側土壓力最大值在205 kPa 左右，跨中土壓力最大值在90 kPa 左右。樁底土壓力在跨中加載工況下，跨中土壓力與邊側土壓力大小相差非常小，土壓力最大值在90 kPa左右。

相比樁底土壓力，樁中部土壓力與之相差4 個數量級，說明端承式復合地基樁中部土幾乎不承擔荷載，荷載主要通過樁基傳遞至下部基巖，這基本符合端承樁的傳力機制。

2.4 沉降特性

選取加載頻率為5 Hz 情況下的動力累積沉降測試結果進行分析，動位移計安置于圖4 中的2（左邊側）、14（中部）和26（右邊側）位置。箱式梁結構的沉降隨循環(huán)加載次數的變化曲線見圖9?？芍汉奢d循環(huán)次數在0 ～ 10 萬次時，測點豎向累積沉降逐漸增加，當循環(huán)次數達到10萬次后，箱式路基結構各測點的豎向累積沉降基本保持穩(wěn)定。在跨中兩臺作動器的雙線對稱加載下，對稱位置處的累積沉降接近。在變形穩(wěn)定后，邊側截面測點累積沉降在0.22 mm左右，跨中截面測點累積沉降在0.29 mm 左右。根據相似比換算得實際工程邊側的累積沉降為1.32 mm，跨中為1.74 mm?？缰薪孛婧瓦厒冉孛娴睦鄯e沉降差異較小，滿足目前已有研究［15］的高速鐵路箱式路基沉降限值要求，即說明在單節(jié)梁體內基本不會發(fā)生不均勻沉降。

圖9 箱式梁結構沉降隨循環(huán)加載次數變化曲線

2.5 復合地基長期動應力

2.5.1 墊層動應力

墊層中動土壓力盒布置在邊側截面（編號1—6）和跨中截面（編號13—18）。墊層土壓力分布曲線見圖10。可知：墊層土壓力在模型橫向上對稱分布，土壓力大小由中間向兩側逐漸增大，土壓力最大值在60 kPa左右。這是由于應力在箱式路基中是通過兩側的腹板向下傳遞到墊層，故在墊層中兩側土壓力要比中間大。對比跨中和邊側土壓力可知，跨中和邊側土壓力基本相差不大，整體處于均勻狀態(tài)，說明箱式結構對列車動載分散性較好，在長期服役過程中墊層中的土壓力演化仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 墊層土壓力分布曲線

2.5.2 樁間和樁底土壓力分析

樁間和樁底動土壓力盒布置與墊層內相對應，即邊側截面（編號1—6）和跨中截面（編號13—18）。樁間和樁底土壓力分布曲線見圖11?？芍簶堕g土壓力在跨中截面和邊側截面大小均非常小，在0.2 ～ 0.3 kPa左右，幾乎可以忽略不計，說明端承式復合地基樁中部土體在雙線疲勞加載下基本不承擔荷載。樁底土壓力在模型橫向上跨中截面與邊側截面的土壓力大小相差并不大，均在180 kPa 左右，可知端承式樁土復合地基荷載主要由樁基承擔。這種力的分擔模式，在整個復合地基中均處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，說明端承樁復合地基在長期加載過程中，傳力路徑穩(wěn)定，沒有出現退化現象，復合地基整體工作良好。

圖11 樁底土壓力分布曲線

3 結論

本文設計了箱式路基結構與端承復合地基相似試驗模型，進行了靜力分級加載與低周頻循環(huán)加載試驗研究，通過測試分析，得到以下結論：

1）在鐵路靜載下，箱式路基及下部結構處于彈性工作范圍，并通過分析地基的樁土壓力規(guī)律，發(fā)現樁土傳力機制正常。

2）在鐵路疲勞加載下，箱式路基復合路基累積沉降差異較小，沒有出現明顯不均勻沉降，且傳力路徑穩(wěn)定，整體性良好。