半刚性防水层对基床动力特性影响的模型试验
王亮亮，杨果林
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：对铺设有半刚性防水层的铁路基床进行2种不同基床底层厚度的路基足尺模型激振试验，研究半刚性防水层对基床动应力、振动速度和加速度在基床横断面上的分布规律和沿深度方向的衰减规律的影响。研究结果表明：铺设半刚性防水层后，防水层底面的动应力和理论计算值相比减小16.9%~18.8%；振动速度和加速度沿深度呈二次曲线型衰减，防水层上方振动速度和加速度衰减速率较小；中线侧1.7 m以外基床动应力、振动速度、加速度监测结果均较小，且与基床厚度变化关系不大。
关键词：模型试验；动态响应；基床；半刚性防水层；高速铁路
中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4244-07
Model test on effects of subgrade dynamic characteristics by using semi-rigid water-proof structure layer
WANG Liangliang, YANG Guolin
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: In order to research the effects of railway subgrade dynamic responses by using semi-rigid water-proof structure layer and different thicknesses, large scale dynamic model tests were carried out. The results are as follows: compared with the theoretical dynamic stress value, the maximum value of dynamic stress under the semi-rigid water-proof structure layer decreases by 16.9%-18.8%; velocity and acceleration attenuation curves could be fitted by quadratic polynomial and decrease slowly above the semi-rigid water-proof structure layer; the value of dynamic stress, velocity and acceleration become relatively small and have little relation with subgrade thickness change when the distance is larger than 1.7 m from track middle line.
Key words: model test; dynamic response; subgrade; semi-rigid water-proof structure layer; express railway
水是引发膨胀土地区铁路基床病害的重要因素[1]，建立完备的防排水系统[2]，隔断地表水进入基床的途径，是维持基床长期稳定和减少病害发生的关键。但造成膨胀土地区铁路基床病害的水分并非完全来自于地表[3]，吕海波等[4]研究发现：受环境气候、初始含水率[5]、吸力[6]、裂缝数量和分布情况[7]、膨胀等级[8]等的影响，基底膨胀土会产生季节性胀缩变形，这类变形具有强度弱、周期长、不均匀性等特点，易产生胀缩变形差，使基床路拱破坏，降低基床排水能力，从而引发基床病害。因此，膨胀土地区铁路基床防排水结构不仅要有良好的隔水效果，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。在充分调研的基础上，结合云桂铁路膨胀土地段的建设需求，自主研发了新型半刚性防排水结构层，对膨胀土路段基床进行全封闭防水处理。研究表明基床结构变化对列车走行性能[9]和路基的动力响应[10]具有显著影响，为此，国内外研究人员对不同基床形式的动力特性开展了大量研究，Hu等[11-12]通过对动应力在土质路基中分布规律的研究，结合基床填料和地基土在长期动荷载作用下的疲劳变形特性，提出采用临界动剪应变法评判土质路基长期动力稳定性的方法，刘晓红等[13]在此基础上对武广客运专线红黏土路基的动力稳定性进行了研究，为减小基床换填厚度提供了理论支持；张千里等[14]对层状基床结构的应变控制设计方法进行了研究，结果表明基床结构各部分的刚度和应变水平变化对基床的累积变形具有显著影响；肖宏等[15]对无砟轨道桩网结构路基的动力特性进行了现场试验，研究表明桩网结构能够有效的改善地基面的动力作用。在此，本文作者通过对铺设有半刚性防排水层的2种不同厚度基床结构进行了室内足尺模型激振试验，研究半刚性防排水结构层和基床厚度变化对全封闭基床结构动力特性的影响。
1 全封闭基床结构动力特性试验
试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的MTS加载系统上进行，加载频率采用250 km/h时列车的基频[16]4 Hz，动轴力[17]为380 kN，按正弦波形加载，厚基床和薄基床各激振100万次。
根据高速铁路双线基床的对称性，取其一侧在实验室内进行足尺模型试验，模型箱为长方形钢结构箱体，长×宽×高为9.2 m×2.0 m×4.6 m。防排水结构层基本力学参数见表1，地基膨胀土物理指标见表2。路基采用人工夯实，按照铁路路基设计规范的相关要求建设完成。
(1) 厚基床：基床底层1.3 m(含防排水结构层0.2 m)+基床表层0.7 m，模型具体尺寸及元器件布置图如图1(a)所示；(2) 薄基床：基床底层0.8 m(含防排水结构层0.2 m)+基床表层0.7 m，模型具体尺寸及元器件布置图如图1(b)所示。
表1 防排水结构层基本力学性质
Table 1 Main mechanic indexes of waterproof structure layer
表2 膨胀土基本物理性质
Table 2 Main physical indexes of swelling soil
图1 基床模型尺寸及元器件布置图(单位：m)
Fig. 1 Model dimensions and layout for measuring points
2 试验结果分析
2.1 动应力变化规律
图2所示为厚、薄2种基床横断面上动应力的分布规律。经分析可知：(1) 基床厚度变化对横断面水平方向上动应力的分布规律影响不大，两种基床形式下轨道正下方(即中线位置和钢轨正下方)的动应力均明显大于其他监测点的动应力；(2) 厚基床表面最大动应力为39.8 kPa，薄基床表面最大动应力为41.0 kPa，基床厚度变化引起的最大动应力增长率为3.01%；(3) 2种基床形式下中线侧1.7 m及以外各监测点动应力均迅速降低，动应力波动区间为2.01~5.93 kPa，与基床厚度变化关系不大。
动应力沿深度的衰减规律反映了全封闭基床结构中的应力传递机制，为分析铺设半刚性防排水结构层对动应力衰减规律的影响，对模型试验监测数据进行统计分析，结果见图3。由于实测动应力绝对值具有离散性，难以对比分析，而采用动应力衰减系数沿深度的分布规律比较合理[18]，图4所示为2种基床厚度下动应力衰减系数与动应力理论计算衰减系数的关系。经分析可知：(1) 薄基床的半刚性防排水结构层位于基床表层底面，即路基面下0.7 m位置，防水层底面的动应力衰减系数为43.4%，而理论计算的动应力衰减系数约为60.0%，减小16.6%；(2) 厚基床的防排水结构层位于路基面下1.2 m，防排水层底面的动应力衰减系数为14.2%，理论计算动应力衰减系数约为33.0%，减小18.8%。由此可知：铺设半刚性防排水结构层后改变了基床内动应力的衰减规律，使防水层下方的动应力大幅减小，试验结果可为基床结构优化设计提供参考。
图2 基床横断面上动应力分布曲线
Fig. 2 Distribution curves of dynamic stress on cross-section
图3 动应力沿深度衰减曲线
Fig. 3 Dynamic stress attenuation curves
图4 动应力衰减系数沿深度的分布规律
Fig. 4 Dynamic stress attenuation coefficient curves
2.2 基床速度变化规律
对2组试验中速度计的监测数据进行整理，得到不同基床厚度时全封闭基床结构中速度在横断面上的分布规律，见图5。由图5可得：(1) 与动应力在横断面上的分布规律相似，基床厚度变化对横断面水平方向上振动速度的分布规律影响不大，轨道正下方(含中线位置和钢轨正下方)的振动速度均为最大，中线侧1.7 m以外各监测点振动速度均迅速降低；(2) 厚基床最大振动速度位于基床表层底面中线位置，最大振动速度为6.70 mm/s；薄基床最大振动速度位于基床表层表面钢轨正下方，最大振动速度为9.34 mm/s。
图6所示为2种基床厚度对应的振动速度沿深度衰减曲线。由图6可知：(1) 厚基床最大振动速度不是位于基床表面，而是位于基床表面下0.7 m，即基床表层底面，振动速度沿深度不是减小，而是先呈现小幅增大，之后再随深度的增加而逐渐减小，且速度衰减梯度随深度的增加而逐渐增大；(2) 薄基床振动速度沿深度方向的衰减规律与厚基床不同，振动速度自基床表面起，沿深度增大而逐渐减小，没有出现先增大后减小的现象，但速度衰减梯度随深度的增加而逐渐增大，这点与厚基床振动速度的衰减规律相同；(3) 2种基床厚度下，振动速度衰减曲线均可用二次多项式v=Az2+Bz+C拟合(其中：v为振动速度；z为深度，m；A，B和C为拟合参数)，拟合结果见表3。
图5 基床横断面上速度分布曲线
Fig. 5 Distribution curves of velocity on cross-section
图6 速度沿深度衰减曲线
Fig. 6 Velocity attenuation curves
表3 速度(v)衰减曲线拟合方程
Table 3 Equations of velocity attenuation curves
2.3 加速度变化规律
图7所示为厚、薄2种基床横断面上振动加速度的分布规律。由图7可得：(1) 厚基床最大振动加速度位于基床表面中线位置，最大振动加速度为0.18 m/s2，中线侧1.7 m以外基床各位置的振动加速度较小，变化区间为0.01~0.03 m/s2；(2) 薄基床最大振动加速度同样位于基床表面中线位置，最大振动加速度为0.20 m/s2，基床厚度减小后，引起基床表面最大振动加速度增大11.11%，中线侧1.7 m以外基床各位置的振动加速度较小，变化区间为0.01~0.04 m/s2；(3) 对比两种基床厚度时中线侧1.7 m以外的加速度波动区间，不难发现，基床厚度变化对中线侧1.7 m以外基床的振动加速度大小基本没有影响。
图8所示为2种基床厚度对应的振动加速度沿深度的衰减曲线。由图8可知：基床厚度对振动加速度沿深度的衰减规律存在明显影响，厚基床时振动加速度的衰减梯度随深度增加而逐渐减小，而薄基床时振动加速衰减梯度随深度的增加而逐渐增大；两种厚度基床形式下振动加速度的衰减曲线均可用二次多项式拟合，拟合结果见表4。
图7 基床横断面上加速度分布曲线
Fig. 7 Distribution curves of acceleration on cross-section
图8 加速度沿深度衰减曲线
Fig. 8 Acceleration attenuation curves
表4 加速度(a)衰减曲线拟合方程
Table 4 Equations of acceleration attenuation curves
3 讨论
(1) 我国有碴轨道基床主要采用动强度作为控制指标进行设计，即由移动列车荷载在路基中激发的动应力小于路基土临界动应力时，路基将不产生永久累积变形，从而保证路基的长期动力稳定性[13]，所以掌握动应力在路基中的衰减规律是路基结构设计的基础。近年来，随着我国铁路建设的快速发展，对铁路路基的动应力传递规律进行了大量现场测试，但现场测试受机车车型、元器件埋设情况、路基填料种类及密实度等因素的影响，测试数据离散性较大，为此，文献[14]对不同线路上的大量测试数据进行归一化处理，结果表明实测数据基本上围绕Boussinesq理论计算动应力曲线波动。由图4可知：铺设半刚性防水层后动应力沿深度的衰减速率与理论计算值相比明显加快，因此，可对拟采用半刚性防水层区段(膨胀土)的铁路基床进行优化设计，在保证防水效果的同时减小基床厚度，减少工程造价，具有重要的现实意义。
(2) 文献[19]对国内外铁路路基中振动速度和振动加速度的实测分布规律进行了详细调研，并在调研的基础上，结合武广客运专线现场测试结果进行了深入分析，结果表明路基中振动速度和振动加速度的衰减曲线基本呈指数型。由图6和图8可知：铺设半刚性防水层后，基床中振动速度和振动加速度的衰减规律发生了变化，防水层以上基床内的振动速度和振动加速度沿深度衰减速度较慢，原因是模型试验中激振产生的振动波在向下传播过程中遇到半刚性防排水结构层时，在接触界面发生反射，导致激振波在道砟与半刚性防排水层界面之间多重反射和叠加，使得波动能量很大程度上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，这对防水层上方基床部分的振动稳定性是不利的。
因此，在采用半刚性全封闭防排水基床时可以适当减小基床底层厚度，但要求半刚性防排水层上方填料必须具有足够的强度和刚度。
4 结论
(1) 半刚性防排水结构层改变了动应力沿基床深度的衰减规律，使防水层下动应力大幅度减小。半刚性防水层底面动应力和理论计算值相比，减少16.9%~18.8%。
(2) 铺设半刚性防水层后，振动速度和振动加速度沿深度成二次曲线性衰减，防水层上方基床内二者的衰减速度较慢。
(3) 2种基床厚度下中线侧1.7 m以外各点的动应力、振动速度、振动加速度监测结果均较小，且与基床厚度变化关系不大，所以在分析铺设半刚性防水层的全封闭基床长期动力稳定性时，主要考虑轨道中线至中线侧1.7 m范围内的基床长期稳定性。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-10-09；修回日期：2012-12-30
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)；湖南省博士研究生创新项目(CX2012B062)
通信作者：王亮亮(1982-)，男，陕西延安人，博士，从事道路与铁道路基、岩土工程的设计研究；电话：13787169904；E-mail：wlltm0304@163.com
