游軍營

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 保定 071000)

道床軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接依賴于道床層的性能，用土工合成材料加筋軌道可以提高道床層的性能。孫建[1]強(qiáng)調(diào)在路基和底砟層的界面處放置一層土工格柵和土工織物能獲得減少沉降的最有益效果。邊學(xué)成等[2]基于物理模型的研究指出土工格柵在道床層中的最佳位置是在軌枕拱腹以下125 mm。土工格柵改善軌道性能的基本機(jī)制主要是顆粒聯(lián)鎖限制顆粒的橫向流動(dòng)，從而增強(qiáng)軌道穩(wěn)定性[3]。顆粒聯(lián)鎖和道床-土工格柵界面處的相關(guān)剪切強(qiáng)度是土工格柵孔徑大小(A)的函數(shù)，推薦A/D50(土工格柵孔徑尺寸與道床平均粒徑比值)的最佳值為1.2，以最大限度地提高界面剪切強(qiáng)度[4]。然而，土工格柵-道床界面抗剪強(qiáng)度對道床變形和退化方面的影響尚未得到明確的研究證明。因此，本研究采用改進(jìn)過程模擬試驗(yàn)(MPST)裝置對土工格柵加筋道床進(jìn)行大型排水循環(huán)試驗(yàn)，以確定土工格柵對道床性能的益處，從而確定道床-土工格柵界面上的顆粒聯(lián)鎖對整個(gè)軌道的作用。

1土工格柵加筋道床試驗(yàn)研究

新建興國至泉州鐵路寧化(含)至泉州(含)段站前工程施工總價(jià)承包XQNQ-6標(biāo)段，本標(biāo)段線路起于華安大橋小里程臺尾(含)(DK334+594.09)，終于戴云山二號隧道出口(含)(DK384+422)，位于福建省三明市大田縣及泉州市德化縣、永春縣境內(nèi)，正線長49.9 km。仙峰村隧道全長5622 m，全為單線隧道，線路縱坡為11.8‰的單面坡，隧道最大埋深594 m。進(jìn)口緊鄰華安大橋橋臺，出口先鋒村中橋橋臺伸入隧道出口9.11 m。本研究采用興泉鐵路XQNQ-6標(biāo)仙峰村隧道的新鮮玄武巖，使用平面尺寸為800 mm×600 mm的MPST設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。該設(shè)備平行于枕木的側(cè)壁中心部分由五個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)板(編號1-5)組成，每個(gè)寬600 mm，高64 mm，沿深度組裝(見圖1a)。試驗(yàn)樣本包括MPST裝置底部150 mm的次道床層及覆蓋的325 mm厚的道床層，三層壓實(shí)，密度為1550 kg/m3。試驗(yàn)時(shí)，在負(fù)載道床上方放置軌枕和軌道部分組件以及厚度達(dá)150 mm的軌枕間道碴(圖1b)。對于加筋試件，土工格柵放置在(a)z=0 mm或(b)z=65 mm處，其中z是次道床-道床界面上方的距離。所采用土工格柵(標(biāo)記為G1～G4)的物理特性和技術(shù)指標(biāo)見表1。本研究根據(jù)直接剪切試驗(yàn)獲得的道床-土工格柵界面抗剪強(qiáng)度選擇使用的土工格柵[5]。圖1c為研究中使用的土工格柵圖。

對試件施加460 kPa的動(dòng)態(tài)豎向應(yīng)力，在裝有5塊活動(dòng)板的側(cè)壁上施加10 kPa的側(cè)向圍壓。MPST設(shè)備的其他三個(gè)側(cè)壁保持固定，只允許修改后的側(cè)壁橫向移動(dòng)(見圖1d)。本研究選擇20 Hz加載頻率以確定在提高列車速度約150 km/h時(shí)道床的變形和退化行為。在每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對道床試樣進(jìn)行篩分以評估級配的變化，并量化顆粒的破碎。研究所用土工格柵的物理特性和技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

(a)MPST設(shè)備側(cè)壁示意圖

表1 研究所用土工格柵的物理特性和技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 道床的橫向擴(kuò)展

采用不同土工格柵加筋的道床在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的側(cè)向變形如圖2所示，從中可以明顯看出土工格柵孔徑與道床平均粒徑比值(A/D50)的影響。隨著A/D50從0.6增加到1.21，板1的橫向變形從14.04 mm顯著減小到6.8 mm(見圖2)。土工格柵G4的A/D50為1.21，其由于土工格柵與道床聯(lián)鎖效果較好，橫向變形最小，為6.8 mm，隨著A/D50從1.21增加到1.85，側(cè)向變形從6.8 mm增加到8 mm。A/D50對板2和板3橫向位移的影響也很明顯，但隨著距離次道床-道床界面的距離的增大，影響減小，這表明土工格柵孔徑大小的改變無法限制該位置的道床移動(dòng)。

圖2 土工格柵增強(qiáng)壓載的橫向位移隨A/D50的變化

2.2 道床沉降

通過減去枕木-道床和道床-次道床界面處的豎向位移可以確定道床的豎向沉降。不同土工格柵加筋道床的豎向沉降量隨著土工格柵孔徑與平均粒徑比值(A/D50)的變化如圖3所示。隨著放置在次道床-道床界面的土工格柵A/D50從0.6增加到1.21，道床的豎向沉降從19.28 mm減小到13.19 mm；在A/D50為1.85時(shí)，沉降量為14.67 mm，這種與橫向位移變化的相似性也可以在距離次道床上方65 mm處的土工格柵上觀察到，這意味著部分豎向沉降受到道床橫向移動(dòng)的影響。本研究采用有限數(shù)量的土工格柵和道床級配進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以土工格柵孔徑大小與道床平均粒徑的比值(A/D50)表示，原則上可以推廣到其他道床級配和土工格柵類型中。

圖3 土工格柵加筋道床豎向沉降隨A/D50的變化

2.3 未加筋道床和加筋道床的軸向應(yīng)變比

軸向應(yīng)變(εa)與荷載循環(huán)次數(shù)(N)是軸向應(yīng)變在第一個(gè)循環(huán)的函數(shù)，軸向應(yīng)變比εar[定義為未加筋和土工格柵加筋道床的軸向應(yīng)變(εa)與第一個(gè)循環(huán)軸向應(yīng)變(εa1)的比值]，與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，無論土工格柵的類型和放置位置如何，未加筋和土工格柵加筋的道床均落在窄帶內(nèi)。

圖4 軸向應(yīng)變比隨循環(huán)次數(shù)的變化

2.4 顆粒破碎

顆粒破碎影響道床的豎向變形和極限強(qiáng)度[6]，進(jìn)而影響軌道性能。本研究通過測定道床粒度分布(PSD)的變化來評估道床破損情況。圖5a為未加筋的道床和加G4土工格柵道床(z=65 mm)的初始和終止PSD，與未加筋道床相比，加筋道床的終止PSD更接近于初始PSD，說明土工格柵降低了顆粒破碎程度。隨著終止PSD接近任意破碎邊界，道床破損指數(shù)(BBI)逐漸增高，未加筋道床和加G 4土工格柵(z=65 mm)的道床的BBI分別為9.89%和4.6%。

2.5 不同尺寸顆粒的降解

根據(jù)道床破損指數(shù)評估的顆粒降解代表整個(gè)道床樣品的平均破損程度。為了解道床樣品中不同粒徑顆粒的降解程度，根據(jù)測試前后顆粒保留的百分比差值(ΔWk)隨未加筋道床和土工格柵加筋道床篩孔尺寸的變化繪制數(shù)據(jù)。

圖5(b和c)顯示了土工格柵放置在次道床-道床界面以及次道床上方65 mm處未加筋和土工格柵加筋道床的ΔWk隨篩孔尺寸的變化。對于給定的篩孔尺寸，正ΔWk表示顆粒保留在該篩子中的百分比降低，而較小篩子中的負(fù)ΔWk則表示由于破碎顆粒通過較大篩子時(shí)的遷移導(dǎo)致該篩子中保留的百分比增加?？梢钥闯?，粒徑在37.5～53 mm之間的顆粒比粒徑較小的顆粒更容易破碎，這可能是由于它們存在更多的自然缺陷。

(a)道床PSD隨循環(huán)荷載的變化

(c)z=65 mm時(shí)未加筋和土工格柵加筋道床顆粒分布隨粒徑的變化

土工格柵(G3)減少顆粒破碎的效果也很明顯，土工格柵加筋道床減少顆粒破碎的基本機(jī)制是顆粒在土工格柵孔內(nèi)的聯(lián)鎖，土工格柵在道床-土工格柵界面施加非位移邊界條件，增強(qiáng)了道床層的圍壓，進(jìn)而減少了顆粒破碎。

大顆粒破碎程度較高的事實(shí)表明，土工格柵在用作軌道加筋時(shí)能夠阻止大顆粒的運(yùn)動(dòng)以減少整體道床的退化。因此，限制相對較大顆粒運(yùn)動(dòng)的土工格柵能更有效地減少破損程度。

2.6 道床-土工格柵界面的影響

圖6確定了在循環(huán)荷載作用下道床-土工格柵界面處的剪切特性對道床平均橫向位移和豎向響應(yīng)的影響。本研究對道床橫向位移和豎向沉降隨道床-土工格柵界面剪切強(qiáng)度的變化進(jìn)行分析，剪切強(qiáng)度以界面效率因子(α)表示。板1和板2的平均橫向位移表示顆粒在道床-土工格柵界面上的擴(kuò)展?？梢钥闯觯S著α的增加，道床的橫向位移和豎向沉降都減小(見圖6)。α值最大的土工格柵G4平均水平位移為5.49 mm，豎向沉降為9.8 mm。同樣，土工格柵G1和G3在α=1.09和1.07時(shí)的橫向位移分別為8.82 mm和6.5 mm，豎向沉降分別為11.9 mm和10.8 mm，這證實(shí)了道床-土工格柵界面處的剪切特性對道床在循環(huán)荷載作用下的橫向和豎向變形響應(yīng)起著重要作用。

圖6 平均水平位移和沉降隨界面效率因子的變化

3 豎向應(yīng)力的影響

由于軌道和車輪表面的不規(guī)則性，一些軌道段可能會比其他軌道段承受更高的豎向動(dòng)應(yīng)力[7]。鋼軌波紋引起的高應(yīng)力在缺陷存在的區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)，而車輪平直引起的高應(yīng)力區(qū)在車輪沿軌道長度滾動(dòng)時(shí)反復(fù)出現(xiàn)，這兩種情況意味著兩個(gè)相鄰的軌道段在實(shí)踐中可能會受到不同的豎向動(dòng)應(yīng)力，從而導(dǎo)致不同程度的沉降和顆粒破碎，最終導(dǎo)致沿軌道長度的不同變形。此外，由于軌枕-道床接觸點(diǎn)的數(shù)量不同，軌枕-道床接觸應(yīng)力沿軌道長度可能會有所不同。鑒于此，在施加豎向應(yīng)力為230 kPa的情況下，對未加筋的道床和G3(z=65 mm)土工格柵道床進(jìn)行了額外試驗(yàn)以研究豎向動(dòng)應(yīng)力對道床性能的影響。本研究中考慮的460 kPa和230 kPa軌枕-道床接觸應(yīng)力可被視為代表有和沒有軌道/車輪不規(guī)則的軌道部分。

3.1 道床的沉降和降解

未加筋道床和土工格柵加筋道床在不同豎向應(yīng)力作用下的沉降特性如圖7所示。可以看出，無論施加的豎向應(yīng)力如何，豎向沉降主要發(fā)生在最初的30 000次循環(huán)期間，在此之后，道床達(dá)到安定狀態(tài)。未加筋道床和土工格柵加筋道床的沉降程度都隨著豎向應(yīng)力的減小而減小，例如對于未加筋的道床，總豎向沉降從460 kPa時(shí)的23.5 mm減少到230 kPa時(shí)的9.5 mm；而對于加了G3的道床，總豎向沉降從10.7 mm減少到4.10 mm。由于施加應(yīng)力的差異，未加筋的道床的沉降差異為14 mm，即在軸重為25 t的情況下，兩個(gè)相鄰的未加筋軌道段(有或沒有軌道/車輪缺陷)將承受14 mm的永久沉降差異。另一方面，土工格柵加筋道床的總沉降差異僅為6.60 mm，與未加筋條件相比減少了50%以上。這些初步結(jié)果表明了土工格柵在減少由于沿軌道長度的軌枕-道床接觸應(yīng)力差異而引起道床不同沉降方面的作用。此外，隨著豎向應(yīng)力的降低，BBI從未加筋的9.89%下降到3.97%，G3加筋的BBI從4.8%下降到1.85%(見表2)。

圖7 豎向應(yīng)力為230 kPa時(shí)未加筋和土工格柵加筋道床在荷載循環(huán)次數(shù)下的沉降響應(yīng)

表2 未加筋和土工格柵加筋道床的沉降差異和破損指數(shù)(BBI)

3.2 橫向擴(kuò)展減少指數(shù)(LSRI)和土工格柵影響區(qū)(GIZ)

邵帥等[8]提出的橫向擴(kuò)展減小指數(shù)(LSRI)定義為未加筋和加筋道床的橫向位移差與未加筋道床的橫向位移之比，見式(1)。

(1)

圖8顯示了土工格柵G3(z=65 mm)在豎向應(yīng)力為230 kPa和460 kPa時(shí)次道床-道床界面的LSRI隨距離的變化?？梢钥闯?，無論施加的豎向應(yīng)力如何，LSRI都遵循相似的趨勢。土工格柵影響區(qū)(GIZ)的定義是次道床-道床界面到LSRI變?yōu)榱愕狞c(diǎn)的距離，確定為225 mm。

圖8 采用G3土工格柵加筋的道床在不同豎向應(yīng)力作用下LSRI隨次道床-道床界面距離變化的比較

4 結(jié)論

本文介紹了利用MPST裝置對土工格柵加筋道床進(jìn)行的大規(guī)模循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，土工格柵能有效地抑制道床的變形和退化。例如，隨著A/D50比值從0.6增加到1.21，在次道床-道床界面放置土工格柵的道床豎向沉降從19.28 mm降低到13.19 mm。對不同粒徑顆粒的降解分析顯示，大粒徑顆粒(>37.5 mm)的破碎率較高，表明土工格柵在用作加筋時(shí)能阻止較大顆粒的運(yùn)動(dòng)以有效地控制道床的退化。此外，道床的變形與道床-土工格柵界面的界面效率因子(α)相關(guān)，隨著α值從0.9增加到1.16，道床的平均橫向位移和豎向沉降分別從24 mm和26.89 mm減少到5.49 mm和9.8 mm。豎向應(yīng)力由460 kPa降至230 kPa，未加筋道床的豎向沉降和顆粒破碎程度分別由23.5 mm和9.89%降至9.5 mm和3.97%。試驗(yàn)結(jié)果還驗(yàn)證了土工格柵能將道床的沉降差從14 mm降低到6.6 mm。采用G3土工格柵加筋的道床在230 kPa和460 kPa時(shí)的LSRI相似，且在施加230 kPa和460 kPa的豎向應(yīng)力時(shí)確定的GIZ為225 mm，表明在這兩種動(dòng)態(tài)豎向應(yīng)力下，土工格柵對道床的穩(wěn)定效果相同。