桩网结构路基沉降模型试验研究

谭 阳

(成都铁路局工务处,成都 610082)

铁路的快速、便捷和舒适化是一个国家发达与否的重要标志之一。传统的有砟轨道结构因其变形积累过快,列车运营速度难于提高,维修改善工作表现突出。无砟轨道结构因其高平顺性和少维修甚至免维修的优点,在国外高速铁路上获得了广泛应用。路基作为铁路轨道结构的基础,必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好,并能抵抗各种自然因素的影响,在运营条件下将线路轨道的设计参数维持在要求的精度范围内,确保轨道高平顺性,满足高速行车要求[1]。

路基工程受岩土体材料本身特性的限制,工后沉降难以避免。与普速铁路相比,客运专线铁路路基不论是采用有砟轨道结构还是采用无砟轨道结构,均对轨下基础的沉降、差异沉降及弯折变形提出了严格要求。以遂渝铁路客运专线无砟轨道综合试验段为工程背景,选取DK134+820典型断面做大比例模型动态测试试验,深入考察桩网结构的沉降特性。

1 试验原型简介

试验段DK134+820路基断面如图1所示。路堤高15.2 m,上部高7.2 m,边坡1∶1.5,基床表层为0.7 m的级配碎石,之下是6.5 m厚A、B组填料；路堤下部为已填8 m的人工填土,边坡1∶1.75。设计单位要求对已填路堤采用强夯追加压密,然后设置钢筋混凝土桩网结构补强加固。各层土的物理力学参数见表1。DK134+820桩网结构断面采用正方形布置,桩径60 cm,桩间距2 m。在模型试验中为了考察桩网结构在不利情况下的工作特性,桩间距取23.1 cm(对应现场3.0 m桩间距)。

图1 DK134+820路基断面(单位：m)

表1 各层土物理力学参数

注：表中的W4指全风化,W2指微风化。

2 模型试验制作方案

2.1 模型相似律的研究

为了模型试验结果能够再现原型体系的动力特性,进行了模型相似设计。考虑加载设备与试验空间,模型几何相似比例取为1∶13[2～3]。

2.2 模型设计[4～6]

2.2.1 地基与路堤模型制作

模型的地基土按天然物理指标配制及制作,地基各种土层的厚度：粉质黏土为107 mm,淤泥质黏土123 mm,粉质黏土107 mm,泥岩夹砂岩取392 mm,将地基土按50 mm分层填筑,并逐层夯实,使其密度达到天然地基状态。

路堤部分级配碎石厚度54 mm,A、B组填料厚度500 mm,网垫层厚度取60 mm。根据设计要求和现场施工的标准配制和制作并分层填筑夯实,使其密实度达到设计要求。在填筑过程中每层都要进行相关的指标测定,以达到各物理指标的要求。

2.2.2 桩、网模型制作

钻孔灌注桩,模拟按1∶13的比例制作模型,根据相似理论,模型桩应对几何尺寸、桩土相对刚度、表面糙度等方面与原型相似,采用原型混凝土制作桩。模型桩的桩径4.6 cm,桩长14.6 cm,共60根；桩横向间距为23.1 cm,桩纵向间距为23.1 cm,入持力层为15.4 cm。桩身进行打磨刮毛处理,模拟现场钻孔灌注桩的侧摩阻力。

模型网垫层厚度60 mm,采用粗砂填筑,垫层中间铺设磷青铜带网以模拟土工格栅。根据模型相似律计算所得的土工格栅抗拉强度及变形特性,确定磷青铜带宽度及单位宽度内的条数,并焊接成网状。

路堤两侧边坡布置的双向土工格栅加筋,采用磷青铜带来模拟设计。

2.2.3 轨道部分制作

模型承载板采用原型混凝土制作,按尺寸长×宽×高：110.0 cm×38.0 cm×7.5 cm整体浇筑。轨道采用间距为11.2 cm、长110 cm的两根8号小钢轨模拟,下部垫橡胶垫用埋设在混凝土中的螺栓和扣件连接。

2.2.4 边界条件考虑

路堤沿线路纵向方向按平面应变问题考虑,采用刚性挡墙模拟其边界条件。

3 模型试验测试方案

3.1 试验测点布置

在路基中分层埋设了土压力传感器、加速度传感器、位移传感器、沉降板及应变片,测量加速度、土压力沿路基深度的变化,动位移振幅随加载次数的变化,沉降随加载次数的关系及格栅的应力应变。模型中埋设仪器如表2所示,沉降板布置如图2所示。模型中埋设了12个沉降板,“CD”型5个,“CX”型7个。“CD”沉降板表示大沉降板,板的直径为10 cm；“CX”沉降板表示小沉降板,板的直径为7 cm。所有沉降板数据都通过百分表人工读出。

表2 模型试验埋设仪器汇总

图2 桩网大比例模型试验沉降板布置

3.2 测试仪器及加载方案

根据本试验目的及要求,试验采用的测试仪器元件主要有：(1)CA-YD-117型压电式加速度计,频率范围0.2～3 kHz,最大横向灵敏度比<5%；(2)YHD-50型位移传感器,量程±25 mm,基本误差<±5 με；(3)JXY-2型土压力传感器,量程0.2 MPa和0.3 MPa,非线性度<2%FS,分辨率≤0.2%FS,综合误差<2%FS；(4)BY-2型土压力传感器,量程0.2 MPa和0.3 MPa,非线性<±0.5%FS,输出灵敏度：满量程时1 mV/VFS；(5)BY-3型土压力传感器,量程0.2 MPa和0.3 MPa,非线性<±0.5%FS,输出灵敏度：满量程时1 mV/VFS；(6)数据采集系统：中国南京汽轮高新技术开发公司制造的QL-116型随机信号与振动分析系统CRAS；YE3818型动态应变仪；江苏扬州无线电二厂的YE5853、YE5853A型电荷放大器；丹东市电器仪表厂的SS-2B型数字式钢弦频率接收仪。

本试验为重复荷载试验,模拟列车运量对路基动态特性的影响。列车荷载的大小和运行速度通过伺服激振器的荷载输出和频率来反映,这与国外有关这方面的试验采用的方法是相同的。试验时伺服激振器的荷载26.64 kN,频率5 Hz。试验输入波形采用正弦波。

4 模型试验沉降分析

本文将只对沉降进行深入讨论。

模型做好以后静置1周,使模型地基土、路基土在土层自重与结构自重荷载作用下进行部分固结,排除表面在渗透固结过程中产生的自由水,然后开始加载。表3为模型试验沉降值。

表3 模型试验沉降值 mm

桩网结构模型试验加载后,不同深度沉降随激振次数的曲线如图3所示。图中CD1测路肩外桩间土沉降值,CD2测路堤6.0 m(针对原型,下同)处对应的沉降值,CD3测路堤AB组填料处对应的沉降值,CD4测继配碎石下对应的沉降值；CX1～CX7均测网垫层处的沉降值,其中CX1、CX2、CX4、CX5测桩间土处对应的沉降值,CX3、CX6、CX7测桩顶对应的沉降值。

图3 沉降随激振次数曲线

由图3中曲线可以看出,桩网结构路基在激振2 000次以前变化最为剧烈,2 000次后,沉降开始变得平缓,到2万次时趋于稳定。从图中还可看出,模型路基在激振情况下的最大沉降值为0.14 mm(不包括路基在激振力26.64 kN下的弹性变形)。

从表3中可知,桩顶的平均沉降为0.042 3 mm,桩间土的平均沉降值为0.042 5 mm,桩间土和桩顶的沉降基本相等,认为这是由于红层泥岩在室内试验这种环境下,受大气影响不大,土质性能稳定,能保持较高的强度,基本不会产生桩间土沉降。通过计算还可知,模型路基本体在激振4万次后累积沉降值为0.098 mm。

5 结论

桩网结构模型路基在激振2万次后沉降变得平缓,4万次后路基累积沉降达到稳定,累积沉降值为0.14 mm。通过计算发现,在人工填土为红层泥岩时,桩间土和桩顶的沉降基本相等,桩间土不会产生沉降。

综上分析,桩网结构路基能够满足铺设无砟轨道的设计要求,可以作为一种路基工法得以大量推广,在我国高速铁路实施跨越式发展战略的客运专线建设和既有线改造工程中发挥巨大作用。

[1]蒋关鲁,詹永祥,等.无砟轨道桩板结构路基设计理论及计算理论的探讨[C]∥铁道部工程设计鉴定中心.铁路客运专线建设技术交流会论文集.武汉：长江出版社，2005.

[2]袁文忠.相似理论与静力学模型试验[M].成都：西南交通大学出版社,1998.

[3]左东启.模型试验的理论和方法[M].北京：水利水电出版社,1984.

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[5]李德寅,王邦楣,林亚超.结构模型实验[M].北京：科学出版社,1996.

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