周 平， 王志杰， 張家瑞， 徐海巖， 趙啟超， 劉川昆

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室 土木工程學院，成都 610031)

高速鐵路新型路基材料的動響應減振研究

周 平， 王志杰， 張家瑞， 徐海巖， 趙啟超， 劉川昆

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室 土木工程學院，成都 610031)

泡沫輕質土在公路路基上應用廣泛，但尚未在高速鐵路路基上應用。提出一種泡沫輕質土的高速鐵路新型減振路基材料。通過對其密度，強度，應力應變特性進行深入探究，結合單軸壓縮試驗，研究不同養(yǎng)護齡期下的泡沫輕質土濕密度對抗壓強度的影響。采用有限元軟件建立傳統(tǒng)材料和新型材料下的高速鐵路路基模型，通過室內試驗和資料調研得到材料參數(shù)，梁-彈性半空間模型模擬列車移動荷載，并將泡沫輕質土與傳統(tǒng)路基材料在高速鐵路路基上應用時分別產生的動響應進行對比研究。結果表明，泡沫輕質土的抗壓強度與濕密度之間具有良好的相關性，抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長較快，后期增速逐漸降低。相對于傳統(tǒng)路基，新型路基基床表層、基床填土和地基基礎的動應力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎相對減振0.78 kPa。但在基床底層減振方面，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa，故不建議將新型材料應用于基床底層。綜上，泡沫輕質土在高速鐵路路基領域具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ芯砍晒蔀楦咚勹F路路基的進一步減振研究提供參考。

路基；泡沫輕質土；濕密度；動應力；減振

早在上世紀，日本在工程填土領域上開始應用了新型輕質土材料，特別在高速公路交通領域，日本在建設橫濱市內的公路橋維修工程中首次將其作為填充材料進行施工，并在后期的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)效果良好[1]。由此日本將其作為工程材料領域中一大突破，并且將其大量運用在公路路基等相關領域[2]。而我國由于引進泡沫輕質土技術的時間較晚，并且消化吸收較慢，技術不成熟，材料本身經(jīng)濟性不如傳統(tǒng)路基材料等原因，泡沫輕質土在國內發(fā)展相對遲緩，近些年才在相關工程領域推廣[3-4]，目前在北京，廣州，上海等城市的公路，機場等工程領域得到應用。

國內外學者對泡沫輕質土也進行了相關研究，Yasuhara等[5]得出泡沫輕質土具有密度小、壓縮模量大的特點，可以減小地基沉降，也能降低路基自身沉降，為工程沉降提供了新的途徑。盛斌[6]在特殊公路段施工中運用了泡沫水泥輕質土，對公路的橋頭、路基、擴幅等進行研究，得到效果良好。邵建惠等[7]結合工程驗證泡沫輕質土在工程橋頭地基處理中的適用性。劉元煒等[8-9]主要將泡沫輕質土運用在公路路基等領域，但在高速鐵路路基應用上基本空白。

高速鐵路速度快，振動力大，動車平穩(wěn)快速運行對高速路基提出更高的要求[10]。本文通過理論分析，模型試驗以及數(shù)值模擬研究以泡沫輕質土為主的高速鐵路新型路基材料減振能力，以期為高速鐵路的快速發(fā)展提供理論參考。

1 泡沫輕質土的特性

1.1 密度特性

泡沫輕質土的表觀密度，與其它建筑材料如混凝土相比，一方面顯示出較明顯的輕質性，另一方面，可根據(jù)工程需要在大范圍內進行調整。試驗和實際工程常用的密度范圍為400～1 300 kg/m3。

表1 表觀密度比較

1.2 強度特性

圖1為氣泡率與抗壓強度試驗，泡沫輕質土的抗壓強度隨著氣泡率的增加而逐漸降低，但氣泡率相同的條件下，其強度隨著砂的含有率越大反而越低。所以配合比對泡沫輕質土的強度影響較大，在今后工程領域里的泡沫輕質土的運用需要對配合比進行調試。

圖1 氣泡含有率與抗壓強度關系

1.3 應力應變特性

圖2為泡沫輕質土的應變與應力關系，由圖可得到，在脆性破壞前，應力與應變呈現(xiàn)較好的線彈性關系，效果良好。在破壞階段，由于內部氣孔被擠壓軸壓力急劇下降，下降到一定位置趨勢變緩慢，是由于內部氣孔壓縮完后變成整體。從圖中也可以看出整體泡沫輕質土的無側限破壞特性主要為脆性破壞。

圖2 軸應變與軸應力關系

2 單軸壓縮試驗研究

2.1 工況和試驗結果

上文可得到配合比對泡沫輕質土的強度影響較大，本文探究不同養(yǎng)護齡期下濕密度的差異對泡輕質土抗壓性能的影響。

本文采用微機控制電子萬能試驗機，對濕密度分別為400 kg/m3，700 kg/m3和1 000 kg/m3的復合發(fā)泡劑泡沫輕質混凝土試樣進行室內單軸壓縮試驗。為了盡量減小外部環(huán)境因素差異對結果的影響，對同一密度的試樣采用一次性澆筑完成，澆筑完成后，需人工振搗均勻，使?jié){液均勻填充到模具的各個角落，并防止?jié){液中存在過大的氣泡，將一層塑料薄膜覆蓋在材料表面。試件靜置于實驗室中24 h后，刮除模具外面殘余的泡沫混凝土，脫去模具并移動至標準養(yǎng)護室進行規(guī)定齡期，確保不同密度的試樣在相同條件下養(yǎng)護。

分別對其3 d，7 d，14 d，28 d 的試樣進行單軸壓縮試驗，其中每組試驗有3個試樣，為減少誤差，取其平均值作為結果。工況設置和試驗結果如表2和3所示。

表2 工況設置

表3 不同養(yǎng)護齡期的試驗結果

2.2 試驗分析

圖3為泡沫輕質混凝土抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系曲線。從圖中的趨勢可以得出濕密度越大，養(yǎng)護后的抗壓強度越大，1 000 kg/m3的抗壓強度比700 kg/m3高一倍多。不同濕密度泡沫輕質混凝土試樣的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長較快，后期增速逐漸降低。由于養(yǎng)護齡期越長，泡沫輕質土里面的間隙越堅固，不易受到擠壓破壞，整體效果好。泡沫混凝土在破壞前一段時間，由于輕質土里含有大量空隙，空隙與空隙之間存在一部分的應力，可抵抗一部分負荷，延長破壞時間。屈服后的試樣沒有發(fā)生完全破壞而是保持一個完整的整體，還能承擔一定的負荷，它對荷載具有一定的緩沖作用。濕密度較低的試樣在進行單軸壓縮試驗時，試樣破壞的時間較早，內部間隙互相連接不夠緊質，受到微小荷載容易發(fā)生多處裂縫，裂縫與裂縫形成破壞的節(jié)理，從而導致受荷初期整體失穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系曲線

3 動應力性能對比分析

高速鐵路對路基提出很高的要求：剛度大、強度高、耐久性和穩(wěn)定性好、不易變形、縱向變化均勻或變化緩慢[11]。目前泡沫輕質土在高速鐵路路基上的應用空白。若泡沫輕質土在高速鐵路路基的研究與應用，將會成為提高高速鐵路路基抗振強度的一大重要舉措，為研究高速鐵路路基新型材料提供思路。

3.1 三維有限元模型及計算參數(shù)

3.1.1 模型的結構形式

高速鐵路軌道結構主要有有砟軌道和無砟軌道兩種類型[12]。有砟軌道是鐵路的傳統(tǒng)結構，具有彈性良好、價格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點[13]。但是，有砟軌道在列車荷載反復作用下軌道殘余變形累積很快，且沿軌道縱向分布不均勻，導致軌道高低不平順，維護工作量顯著增加，我國在高速鐵路里大都采用無砟軌道。

本文有限元模型以普通板式無砟軌道為原型進行分析計算。路基動力數(shù)值模擬模型的尺寸參考《京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定》中單線標準高速鐵路5 m高路堤路基斷面圖，確定有限元仿真路基橫斷面尺寸。

對于路基系統(tǒng)，采用有限元方法進行分析時，應截取一個合理的范圍建立有限元模型。同時考慮到計算成本，經(jīng)過試算比較，在保證計算精度的前提下，本文路基長度取為48 m，網(wǎng)格劃分后如圖4所示。模型兩橫斷面約束z向位移，左右兩地基縱斷面約束x向位移，地基底面采用全約束?？紤]到鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層和支承層等上部結構對荷載起到分配作用，因此建立出軌道等上部結構。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分圖

3.1.2 計算參數(shù)

對于傳統(tǒng)的高速鐵路無砟軌道土質路基，基床表層采用合理級配的硬質碎石道砟或級配砂礫石層，基床底層為換填A，B填料層，將路基及以下結構視為彈塑性材料，路基各層和地基采用摩爾—庫倫材料模型[14]。

對于本文所研究的高速鐵路新型路基，參考室內試驗數(shù)據(jù)和調研資料，選取軌道-路基結構各部分材料的計算參數(shù)。

相關數(shù)值計算的主要參數(shù)見表4。

表4 計算參數(shù)

3.1.3 移動荷載模擬

軌道板、CA砂漿層、混凝土承載層、路基各層及地基采用三維實體單元SOLID45單元模擬；鋼軌采用BEAM188梁單元模擬，將鋼軌與軌道板之間的扣件和軌下膠墊系統(tǒng)視為彈簧一阻尼結構，采用彈簧一阻尼單元COMBIN14來模擬，鋼軌單元作為連續(xù)梁通過彈簧一阻尼單元支撐在軌道板實體單元上[15]?？奂蛙壪履z墊系統(tǒng)的等效剛度為6×107N/m，阻尼系數(shù)為2.5×104N·s/m。

3.1.4 荷載作用方式

由于研究的主要對象是路基結構，故不考慮軌道不平順、車輪偏心、扁疤等各種復雜因素引起的列車荷載的變化，將車輪荷載簡化為勻速移動恒力[16]，構建梁-彈性半空間模型，如圖5和圖6所示。將軸重為170 kN、運行速度為350 km/h 的列車移動荷載作用于有限元模型，如圖7所示。

圖5 梁-彈性半空間模型示意圖

圖6 模擬移動荷載示意圖

圖7 移動荷載模擬

3.2 高速鐵路路基動響應分析

3.2.1 傳統(tǒng)路基動力響應分析

通過有限元計算，可以得到路基的應力云圖，如圖8所示。

(a)(b)

圖8 傳統(tǒng)路基材料基床表層和底層橫截面應力云圖

Fig.8 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in traditional subgrade material

由圖8可知，在接近荷載作用處的位置，單元應力較大，選取各位置的單元，可以得到傳統(tǒng)路基材料的基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎的等效應力時程曲線，如圖9～圖13所示。由結果可知，基床表層動應力在整個高速鐵路路基中峰值最大，最大峰值可達到20.68 kPa，其次為基床底層、基床填土以及地基基礎。高速鐵路荷載引起的路基動應力主要以壓應力為主的循壞應力，在荷載作用范圍一定的條件下，應力隨著路基深度的增大而減小，不同的路基位置所引起的動應力變化規(guī)律不同，特別是在路基的不同深處，應力峰值出現(xiàn)時間有明顯的差異，但其總體表現(xiàn)較為一致，動應力數(shù)值演變從低處一直到達一定峰值，而后一直下降到穩(wěn)定在一定數(shù)值附近。

圖9 傳統(tǒng)路基基床表層

圖10 傳統(tǒng)路基基床底層

圖11 傳統(tǒng)路基基床填土

圖12 傳統(tǒng)路基地基基礎

3.2.2 泡沫輕質土新型路基動力響應分析

通過有限元計算，可以得到路基的應力云圖，如圖14所示。

圖13 傳統(tǒng)路基材料的動應力時程曲線

(a)(b)

圖14 新型路基材料基床表層和底層橫截面應力云圖

Fig.14 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in new-type subgrade

由圖可知，在接近荷載作用處的位置，單元應力較大，選取各位置的單元，可以得到新型路基材料的基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎的等效應力時程曲線，如圖15～圖19所示。由于泡沫輕質土材料的特殊性，泡沫輕質土作為高速鐵路路基上的基床底層的動應力分布規(guī)律與基床表層的相似，峰值最高相差1.11 kPa?；蔡钔梁偷鼗A的動應力變化與傳統(tǒng)路基上的變化規(guī)律類似，隨著路基的深度不斷變大，動應力影響范圍以及強度不斷減小，故基床填土和地基基礎的峰值均小于基床表層和基礎地層。

圖15 新型路基基床表層

圖16 新型路基基床底層

圖17 新型路基基床填土

圖18 新型路基地基基礎

圖19 新型路基材料的動應力時程曲線

3.3 動應力對比分析

對兩種路基模型綜合分析，對比兩種路基在基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎的動應力時程曲線，如圖20～圖23所示。由圖可知，新型路基相對于傳統(tǒng)路基，其基床表層、基床填土和地基基礎的動應力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎相對減振增加0.78 kPa。由此可得到新型路基材料在基床表層、填土以及基礎上相對于傳統(tǒng)路基動應力要弱些，抗振動力能力強。但在基床底層中，泡沫輕質土新型路基材料相對傳統(tǒng)路基材料的動應力影響大，抗振能力差，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa?；采喜坑苫驳讓雍突脖韺咏M成，是鐵路路基的關鍵部位，應具有較大的剛度和強度，以承受長期重復的列車動荷載作用。由表4計算參數(shù)可得到，表層厚度為0.7 m，底層厚度為2.3 m。在基床底層位置上，傳統(tǒng)路基材料的彈性模量為120 MPa，而通過試驗得到的泡沫輕質土的彈性模量比傳統(tǒng)路基的要大，并且由于基床底層整體厚度大，整體剛度強，所以動應力相對比傳統(tǒng)路基材料要大，減振能力相對沒有優(yōu)勢。因此，采用泡沫輕質土作為基床表層、填土以及地基基礎的新型填料，能夠有效改善路基在高速列車荷載下的力學響應，該種材料在高速鐵路路基領域具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ唤ㄗh其在基床底層的應用。

圖20 基床表層動應力對比時程曲線

Fig.20 Comparative time travel curve in dynamic stress of the surface layer of subgrade bed

圖21 基床底層動應力對比時程曲線

Fig.21 Comparative time travel curve in dynamic stress of the substrate layer of subgrade bed

圖22 基床填土動應力對比時程曲線

Fig.22 Comparative time travel curve in dynamic stress of the filling of subgrade bed

圖23 地基基礎動應力對比時程曲線

Fig.23 Comparative time travel curve in dynamic stress of the foundation of subgrade bed

3.4 減振吸能機理分析

圖24為新型路基材料相對傳統(tǒng)路基材料的抗振能力。由結果可以明顯得到除基床底層外，新型路基材料在路基基床表層、填土以及路基基礎上表現(xiàn)出較強的抗振能力。由此可得到新型泡沫輕質土在路基大部分位置上表現(xiàn)出良好的抗振效果，尤其在基床表層和填土上效果較好，抗振能力達到3.75 kPa和2 kPa。從抗振能力效果上也可反饋出該泡沫新型材料在高速鐵路路基領域具備很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖24 減振能力

從室內試驗可以看出濕密度越大，其承受的負荷越大，所以泡沫輕質土的濕密度影響著其抗壓強度，在實際工程中應考慮到承受荷載和成本之間的關系。泡沫輕質土抗壓強度與濕密度之間具有良好的相關性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強度與濕密度基本是一一對應。通過改變泡沫混凝土濕密度，進而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達到控制泡沫混凝土抗壓強度的目的。

內部機理如圖25所示，泡沫混凝土高速鐵路新型路基材料由于內部空隙內壁形成網(wǎng)狀結構，整體結構提供拉拔荷載，且增大混凝土振動時的拉完壓極限強度。內部空隙不僅起到抗壓強度，還有效分散集中荷載，承載面積變大，吸能能力提高。正式因為泡沫輕質土有許多孔壁較薄的微小蜂窩狀氣孔，氣孔的孔壁厚度小于氣孔的直徑，在發(fā)生荷載應力作用下，氣孔發(fā)生坍塌而導致破壞，但在破壞的過程中，發(fā)生了較大的變形而吸收了大量的能量。氣孔的孔壁塑性變形主要用于吸收應力波的擠壓能量。在擠壓粉碎時能夠吸收振動動能，雖然泡沫輕質土的強度較低，但其整體性好，能在荷載作用下整體不易破壞的特點，可以有效分散集中荷載，承載面積大大提高，總吸能性能不斷提高。在靜定壓力作用下試樣體積壓縮明顯，但屈服后的試樣沒有發(fā)生整體破壞而是保持一個完整的整體，這表明研制得到的泡沫混凝土具有良好的變形能力與延性，并且在破壞后，泡沫輕質土能夠起到動力振動緩沖作用。

圖25 內部機理

4 結 論

提出一種新型高速鐵路路基材料，進行了理論分析，室內試驗和數(shù)值模擬，得到以下結論：

(1) 對泡沫輕質土的密度特性、強度特性和應力應變特性進行研究，泡沫輕質土在基礎力學性能優(yōu)于普通混凝土，尤其表現(xiàn)為輕質高強。

(2) 試驗表明，濕密度越大，養(yǎng)護后的抗壓強度越大，1 000 kg/m3的抗壓強度比700 kg/m3高一倍多。不同濕密度泡沫輕質混凝土試樣的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長較快，后期增速逐漸降低。由于養(yǎng)護齡期越長，泡沫輕質土里面的間隙越堅固，不易受到擠壓破壞，整體效果好，具有一定地抗振的作用。

(3) 新型路基相對于傳統(tǒng)路基，其基床表層、基床填土和地基基礎的動應力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎相對減振增加0.78 kPa。新型路基材料在基床表層、填土以及基礎上相對于傳統(tǒng)路基動應力要小，抗振動力能力強。但在基床底層中，泡沫輕質土新型路基材料相對傳統(tǒng)路基材料的動應力影響大，抗振能力差，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa。

(4) 從機理上分析可得到泡沫混凝土高速鐵路新型路基材料內部空隙薄壁形成網(wǎng)狀結構，整體結構提供拉拔荷載，且增大混凝土振動時的拉完壓極限強度。內部空隙不僅起到抗壓強度，還有效分散集中荷載，承載面積變大，在發(fā)生荷載應力作用下，氣孔發(fā)生坍塌而導致破壞，發(fā)生較大的變形而吸收了大量的能量。

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Vibration reduction effects of new-type roadbed material of high-speed railway

ZHOU Ping, WANG Zhijie, ZHANG Jiarui, XU Haiyan, ZHAO Qichao, LIU Chuankun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Foam light soil is widely applied in highway subgrade, but not in high speed railway subgrade. Here, a new-type anti-vibration roadbed material of foam light soil was proposed to be applied in high speed railway subgrade. The influences of wet density of foam light soil on its compressive strength were studied under different curing periods through deeply studying its density, strength and stress-strain characteristics combined with its uniaxial compression tests. The traditional and new-type high speed railway subgrade models were established by using FE software, the material parameters were obtained with laboratory tests and data investigation. The train moving loads were simulated with a beam-elastic half-space model, and a comparative study was conducted for dynamic responses of foam light soil and traditional roadbed material applied in high speed railway subgrade, respectively. The results showed that there is a good correlation between wet density and compressive strength of foam light soil; foam light soil’s compressive strength increases with increase in its curing period, its compressive strength increasing rate is larger firstly, then smaller; compared with those of the traditional subgrade, dynamic stresses of surface layer, filling, and foundation of the new type subgrade decrease to a certain extent, the vibration reduction capabilities of surface layer and filling of the new type subgrade are bigger obviously, their vibration reduction amplitudes are 3.75 kPa and 2 kPa, respectively, the vibration reduction amplitude of the subgrade foundation is 0.78 kPa; but, the vibration reduction amplitude of the traditional roadbed is bigger than that of the new-type one by 3.5 kPa, so foam light soil is not recommended to be applied in the bottom layer of subgrade; generally speaking, foam light soil has a great potential in the field of high speed railway subgrade, the results can provide a reference for studying the further vibration reduction of high-speed railway subgrade.

subgrade; foam light soil; wet density; dynamic stress; vibration reduction

鐵道部科技研究開發(fā)計劃重大課題(2009GB20-B)；中央高校基本科研業(yè)務專項資金(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT0955)；交通運輸部西部科技(2013318J13340)

2016-03-09 修改稿收到日期：2016-05-25

周平 男，碩士，1991年生

王志杰 男，碩士，教授，1964年生

U213

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.13.036