新型全封闭膨胀土路堑基床振动特性模型试验
杨果林，王亮亮
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：为满足膨胀土地区高速铁路对路堑基床长期动力稳定性的要求，设计新型全封闭路堑基床结构，并在室内进行足尺动力模型试验，研究循环荷载作用下新型基床结构的振动速度、基床动变形、动刚度分布规律，并采用有效振速法对基床的长期动力稳定性进行评价。研究结果表明：基床主要动力响应范围位于轨道中线及其两侧1.7 m宽度内；基床表面最大动位移为0.3 mm，满足高铁路基面最大动变形小于1 mm的要求；防水结构层能够增加基床表面综合动刚度的均匀性，提高列车在运行过程中平稳性和舒适性；新型基床结构能够满足长期动力稳定性的要求。
关键词：高速铁路；膨胀土；基床；振动特性
中图分类号：TU411.93 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)08-2824-06
Model test on vibration characteristic of fully-closed express railway cutting subgrade in swelling soil area
YANG Guolin, WANG Liangliang
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: In order to meet the long-term dynamic stability requirements of express railway cutting subgrade in swelling area, a new type fully-closed cutting subgrade structure was designed, and a large scale model test was carried out. The distribution laws of velocity, dynamic deformation and dynamic foundation coefficient of fully-closed cutting subgrade structure under cyclic loads were researched. The long-term dynamic stability of the subgrade was preliminary evaluated by method of effective velocity. The results show that the main dynamic response scope of fully-closed cutting subgrade structure is located between track middle line and 1.7 m beside the track middle line. The maximal dynamic deformation of subgrade surface is 0.3 mm, which is less than the limited subgrade surface dynamic deformation (1 mm) of express railway. The water-proof structure layer can increase the uniformity of subgrade surface composite stiffness, and improve the stability and comfort of express train. The new type subgrade matches the requirement of long-term dynamic stability.
Key words: express railway; expensive soil; subgrade; vibration characteristic
目前，我国膨胀土地区铁路路堑基床的防排水措施仍以复合土工膜加砂垫层[1-2]为主，这种柔性防排水层存在的主要问题是[1]：土工布宽度不足，难以完全封闭基床，且宜遭到施工机械破坏；防水材料采用搭接或焊接，施工缝多；接触网立柱需穿过防水层，土工膜与立柱之间的缝隙难密封，这些搭接位置、接触缝、未封闭基床部分均宜成为渗露点，在遇到长、大降雨时，雨水仍可进入基底，引起基床鼓胀，翻浆冒泥等病害。因此，要彻底隔断雨水进入基床的途径，防水层必须全断面铺设[3]，并与侧向排水沟无缝连接，同时要求防水层的施工缝、立柱接触缝等薄弱环节应得到有效解决。造成膨胀土路堑基床病害的“水因素”除降雨外，还有受气候影响而发生的地基土湿度重分布[4]。Tang等[5]在研究Montélimar市附近的高铁膨胀土路堑基床病害时发现，基床变形会随着气候的变化而产生周期性波动。Fityus等[6]研究发现：柔性防水层中心底面的膨胀土地表在长达7 a的监测期间持续鼓胀，原因是[7]：防水层在隔断雨水的同时也阻断了地基土中水汽的蒸发通道，从深层地基土中蒸发和迁移上来的水分在防水层下不断累积，导致表层膨胀土的湿度不断增大，并产生相应的膨胀变形，直到地基土湿度和变形达到新的平衡状态，这个过程可持续3 a以上。铁路上采用对基床底层进行换填或膨胀土改良[3]来降低环境气候对基床变形的影响。由于土体地质条件复杂多变，膨胀土的强烈大气影响深度难以确定，按照文献[3]处理后的膨胀土路堑基床在长期运营过程中，线路的平顺性能否满足高速铁路的高标准要求，尚有待进一步监测和研究[8]。大量的理论分析[9-10]、数值模拟[11]和现场试验表明[12-13]，受膨胀性、初始湿度、排水条件[14]、防水层埋设深度和刚度[15]等因素影响，气候影响下的地基膨胀土变形[12]具有显著不均匀性和持续时间长的特点，而地基土的不均匀变形又会引起基床排水横坡降低，柔性防水层凹凸不平，使基床排水不畅、藏水，最终导致基床在列车动力荷载反复作用下产生病害[16]，因此，膨胀土地区铁路路堑基床防水层不仅要能够隔断地表水，还应有一定的刚度来协调基底膨胀土由于气候环境变化而产生的不均匀变形，确保线路的平顺性。为此，针对膨胀土基床病害特点及传统柔性防水措施局限性，本文作者研发了半刚性防水结构层，设计了新型全封闭膨胀土路堑基床结构形式，并在实验室进行足尺模型激振试验，对该基床结构在循环激振荷载作用下的振动特性及长期动力稳定性展开研究。
1 新型全封闭铁路路堑基床结构
(1) 缓胀层。缓胀层的填料、压实标准等均与基床底层相同，这里单独划分出来是为了突出防水结构层以下基床部分的作用，即：1) 调整地基膨胀土在长期湿度重分布过程中可能出现的差异沉降，避免防水结构层受差异沉降影响而产生过大变形、开裂或损坏。2) 减小防水结构层受到的膨胀力。缓胀层采用A、B组填料，虽然压实度较高，但仍具有微小变形能力，研究结果表明[2]若允许膨胀土产生微小变形，则膨胀力会大幅度降低，从而在一定程度上保护了防水结构层。
(2) 半刚性基床防水结构层。基床底层施工结束后，在基床底层表面满堂铺设自行研发的改性水泥基复合防水材料，铺设厚度为0.2 m，并与侧向排水沟无缝连接(见图1)，形成基床防水结构层，其基本力学参数见表1。由于防水材料在配置初期具有一定的流动性，为保证防水结构层质量，要求施工前先在基床两侧、立柱预留位置分别立模，模板与其支护应具有足够的承载能力、刚度和稳定性，应能承受所浇筑水泥基弹性防水材料的侧压力和施工荷载，分块式模板注意模板交接边的平整性，不得出现错边。
(3) 防水结构层上方依次铺设基床底层、基床表层、道砟层、轨枕、扣件系统和钢轨。
表1 防水材料基本力学性质
Table 1 Main mechanic indexes of waterproof material
2 试验概况
按照高速铁路双线路堑基床的一侧在实验室内进行足尺路基模型试验，路基具体尺寸见图1，模型箱为钢结构长方形箱体。地基土为取自云桂高铁中—强膨胀土路堑工点的膨胀土，其基本力学指标见表2，基床部分按照高速铁路设计规范的要求建设完成，人工夯实。采用MTS伺服激振器模拟列车荷载，激振频率采用时速250 km/h时列车的基频[17]4 Hz，动轴 力[18]为380 kN，按正弦波形加载。
图1 模型尺寸及元器件布置图(单位：m)
Fig. 1 Model dimensions and layout of components
表2 膨胀土基本物理性质
Table 2 Main physical indexes of swelling soil
3 试验结果分析
3.1 基床振动速度变化规律
为研究全封闭基床结构中防水结构层对基床内振动速度分布的影响，对振动速度峰值监测数据进行统计分析，并绘制速度峰值v与振动次数N的关系曲线，见图2。由图2可知：激振初期基床各监测位置的振动速度离散性较大，但随着振动次数的增加，各监测数据的离散性迅速减小，且振动速度也随之逐渐减小，并在约20万次以后逐渐趋于稳定；轨道中线侧1.7 m以外基床不同深度处的振动速度较小，且在整个试验过程中基本保持不变。
图3所示为基床不同竖直剖面上速度v沿深度s的衰减曲线。由图3可知：(1) 3个竖直监测剖面上振动速度沿深度的变化可以用多项式v=as2+bs+c拟合，其中，s为深度，a，b，c为常数且a＜0，3条衰减曲线对应的拟合方程和相关系数见表3；(2) 防水结构层上方基床范围内速度衰减不明显；(3) 轨道中线位置竖直剖面上，最大振动速度为6.7 mm/s位于基床表层表面下0.7 m，即基床表层底面，而不是基床表层表面。显然，全封闭基床结构中速度沿深度的衰减规律与现场测试得到的呈指数函数[19]或线性[20]衰减的规律不同。原因是：现场测试中移动列车激发的振动波能量W在传播过程受基床填料和地基土的材料阻尼、波阵面扩散的几何阻尼[21]共同影响而迅速衰减，但在全封闭基床结构中，振动波在向下传播过程中遇到半刚性的防水结构层时，在接触界面发生反射，导致激振波在道砟-半刚性防水结构层界面之间多重反射和叠加，使波动能量很大程度地被限制在基床范围内，引起基床范围内各位置振动能量不同幅度的增大。因此，采用全封闭基床结构层时，为确保基床的长期动力稳定性，应根据相关动力试验结果、理论分析以及工程经验等合理选用半刚性防排水结构层上方的基床填料、基床厚度和压实标准。
图2 振动速度(v)与振动次数N关系曲线
Fig. 2 Relationship between vibration velocity and vibration time
图3 振动速度(v)与深度(s)衰减曲线
Fig. 3 Velocity attenuation curves with depth
表3 速度衰减曲线拟合方程
Table 3 Equations of velocity attenuation curves
3.2 基床动变形分析
利用Coinv DASP V10软件中的波形全程微积分转换模块对速度监测数据进行全程积分转换，得到相应的动位移。取轨道中线位置基床不同深度处的动位移为代表，绘制动位移幅值与振次关系曲线(见图4)。可知：防水结构层以上基床表层顶面、底面的动位移在激振20万次以后的波动性整体较小，但防水结构层底面的动位移在激振全过程中波动性均较大，说明铺设半刚性防水结构层能够在一定程度上增加线路的平顺性；激振20万次后，基床表层底面的动位移略大于基床表层顶面，约0.3 mm，这与振动速度沿基床深度方向的分布规律是一致的；基床动位移远小于高速铁路路基面动位移不大于1 mm要求。
图4 动位移时程曲线
Fig. 4 Time-history curves of dynamic deformation
3.3 基床动刚度分析
移动列车荷载作用下基床的振动属于小变形有阻尼强迫振动，经过一定振动时间后，振动体系将保持稳定，称为稳态振动[21]，基床变形可视为动弹性变形，所以基床的动地基系数可定义为Kd=σd/ud，其中，σd为动应力峰值，ud为对应的动位移。基床不同位置动地基系数时程曲线见图5。
图5 动地基系数时程曲线
Fig. 5 Time-history curves of dynamic foundation coefficient
由图5可知，基床表层顶面和底面的动地基系数在振动初期波动性较大，约激振20万次以后，波动性相对减小，可视为基床进入稳态振动。稳态振动阶段的基床表层顶面和底面动地基系数波动区间分别为123.3~163.4 MPa/m和78.1~96.8 MPa/m；防水结构层底面基床动地基系数的波动性明显增大，变化区间为45.1~180.5 MPa/m。由此可见，半刚性防水结构层能够在一定程度上增加基床表面综合动刚度的均匀性，从而提高列车在运行过程中平稳性和舒适性。
4 全封闭路堑基床稳定性评价
由于新型全封闭膨胀土路堑基床结构中，半刚性防水结构层厚度有限、强度较高，且位于路基面下1.4 m，受到的列车动荷载影响较小，其产生的动静变形量可忽略不计，而基床表层、基床底层、缓胀层的填料、压实标准等均采用《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)的相关规定，因此，在长期移动列车荷载作用下，基床部分的累积塑性变形能够得到有效控制，路基的长期动力稳定性取决于地基土。
德国铁路路基规范DS836[22]指出：当行车速度超过100 km/h时，应考虑有效振动速度对路基长期动力稳定性的影响，并指出当路基有效振动速度小于5 mm/s时，不再考虑振动对路基的影响。
从图3可知：膨胀土地基面的实测振动速度v最大值为4.7 mm/s，位于轨道中线下2.0 m位置。根据文献[22]，有效振动速度veff,s约为振动速度峰值v的2/3，则Veff,s为3.1 mm/s，即膨胀土地基面的有效振动速度Veff,s=3.1 mm/s＜5 mm/s，因此，从模型试验结果来看，新型膨胀土路堑基床的长期动力稳定性即可得到保障。
5 结论
(1) 基床最大振动速度位于基床表层底面，且半刚性防水结构层顶面以上基床内振动速度沿深度方向衰减不明显。因此，采用全封闭基床结构层时，必须严格控制半刚性防水结构层以上基床的填料和压实标准，以保证基床的长期动力稳定性。
(2) 新型基床结构中基床表层顶面和底面的动位移基本相等，约为0.3 mm，满足高速铁路对路基面动变形不大于1 mm的要求。
(3) 基床进入稳态振动时，基床表层顶面和底面的动地基系数波动区间分别为123.3~163.4 MPa/m和78.1~96.8 MPa/m，而防水结构层底面基床动地基系数波动范围为45.1~180.5 MPa/m，因此，半刚性防水结构层能够在一定程度上增加基床表面综合动刚度的均匀性。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-08-12；修回日期：2013-11-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278499)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G016-B)；湖南省博士研究生科研创新项目(CX2012B062)
通信作者：王亮亮(1982-)，男，陕西延安人，博士研究生，从事道路与铁道路基、岩土工程的设计研究；电话：13808424551；E-mail：wlltm0304@163.com
