高速铁路泡沫轻质混凝土路桥过渡段新结构研究

尤星源 左泽豪 沈毅凯 周文 李雯婧

摘 要：根据路桥过渡段的一般处理原则，需要在过渡段较软一侧，增大路基基床竖向刚度，同时减轻过渡段自身荷载，以减小路基的沉降。本文通过室内模型实验，基于静力指标分析泡沫轻质混凝土应用于路桥过渡段的效果并进行评价，发现其应用于工程实际前景广泛，在提供刚度的同时，控制过渡段本身的沉降，达到非常理想的处理效果。

关键词：轻质混凝土；路桥过渡段；路基沉降

1 研究背景

由于路基与桥梁的工程特性差异极大，在其连结处极易产生诸如轨道刚度变化和轨面弯折变形等不平顺问题。根据路桥过渡段的一般处理原则，需要在过渡段较软一侧，增大路基基床竖向刚度，同时减轻过渡段自身荷载，以减小路基的沉降。因此泡沫轻质混凝土的各项特性非常符合过渡段处理的需求。由于泡沫轻质混凝土具有轻质性、自立性、经济型等天然优势，可以在提供刚度的同时，控制过渡段本身的沉降，达到非常理想的处理效果。

2 泡沫轻质混凝土的基础性能研究

2.1 概述

泡沫轻质土是“用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料”。从本质上讲，泡沫轻质土也是一种加气混凝土，它实际是加气混凝土的一个特殊品种。

2.2 不同配合比下泡沫轻质混凝土的力学性能

为了研究泡沫轻质混凝土的材料力学性质，需要分别探讨泡沫轻质混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、临界动应力、动弹性模量、阻尼特性等性能表现，因此通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、抗折试验、动静三轴试验4种试验手段，并统计整理测试所得数据，得到了下面的结论：

无加筋泡沫轻质混凝土抗压强度、抗拉强度和抗折强度均随着配合比目标密度增大而增大，当目标密度在600～800kg/m3范围时，抗压强度、抗拉强度和抗折强度快速增大，而当目标密度在800～1000kg/m3时，增速缓慢。

高速铁路无砟轨道路基基床表层（厚度为0.4m）和底层（厚度为2.3m）静应力分别在50～65kPa和60～110kPa之间。当泡沫轻质混凝土配合比密度达到500kg/m3后，其抗压强度大于280kPa，说明在路基荷载环境下，泡沫轻质混凝土层骨架不会产生破坏。在考虑高速铁路无砟轨道路基动应力设计值100kPa，安全系数为2.0条件下，当泡沫轻质混凝土配合比湿密度达到600kg/m3后，泡沫轻质混凝土临界动应力已满足基床表层动应力环境要求。

2.3 复合加筋泡沫轻质混凝土的力学性能

当作用力大于静强度或动强度时，泡沫轻质混凝土呈现脆性破坏特征。因此，当泡沫轻质混凝土材料应用于受力比较特殊的区域，必须对泡沫轻质混凝土进行改良。我们选取最为常见的玻璃纤维、碳纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维4种纤维作为复合掺料，进行试验对比，得到如下结果：

无加筋泡沫轻质混凝土与高强复合加筋轻质混凝土可以在各自单独的适用领域发挥各自的功效，但更多的是复合应用，通过复合应用达到最大程度发挥材料的功能，降低造价，体现其经济性。

3 室内模型实验

整理所需要的材料并对实验设计进行规划，采用静力加载室内模型试验，通过所获得的数据，包括土应力以及路基水平变化，评价泡沫轻质混凝土用于路桥过渡段的效果。

3.1 模型设计

鉴于本次模型试验过程中各物理量间的函数关系不明确并且结构和荷载条件较为复杂，针对不同的构件（覆土、填料、加载），本次模型试验采用量纲分析法或者方程分析法对模型进行相似关系设计。

一般来讲，在满足约束条件的基础上，模型比例n应尽可能的小，易于满足精度要求。参照高速铁路设计规范，模型实际铺设25cm高路基，使用成都黏土模拟压实度，以及12cm高路堤，同样使用成都黏土模拟压实度，考虑到大模型箱的净空尺寸并且同时预留一定的空间，综合考虑之后，选取模型比例为n=50，于是采用100cm×60cm×60cm的模型箱，采用水玻璃封闭缝隙以模拟饱水状态下不排水的边界条件。

由于覆土和填料都属于土体材料，可以作为同一种构件来求解相似关系。

对于由量纲分析求得的相似关系式有7个，而未知量有9个，因此需要进一步分析。假设模型试验采用原型材料，可解得相似常数如下：

因此，覆土和填料需采用原型材料，并且满足上述相似比尺。

3.2 实验准备

设计过渡段纵向坡度为1：2，填充泡沫轻质混凝土，呈倒梯形。为方便测量压力分布情况，将边坡设计成楼梯形：

每层平台设置两个土压力盒，共计8个，用以反映基床土压力在纵向、横向及深度方向上的变化情况。同时在中间级纵方向上共设置3个百分表用于测定轨道板沉降位移。

为了模拟铁路线路实際情况，路堤上层用细度小于2.35的级配沙模拟一层级配碎石。

3.3 分级加载实验过程

本次实验以液压千斤顶油压表0.2刻度为一个加载等级进行加载。加载之前先加0.4刻度的预载，并持续一个小时，以保证试件与路基模型充分接触。

加载试验过程中要注意加载要平稳连续，读数要准确迅速，以防止液压千斤顶的卸载效果。重复加载试验三次，取平均结果作为实验的最终结果。

同时，由于千斤顶的表盘读数为油压p（单位MPa），因此需要将其转化为实际荷载值。之前通过油压标定，得出实际荷载值F（单位N）与油压p的关系式为F=1466.3p-346.96。将F除以加载梁的面积，则可以得出作用于路基表层的实际应力荷载P（kPa）。

通过对荷载模型进行静力加载，记录土压力盒与百分表的读数。土压力盒与百分表分别记录的是应力和位移。因此，我们根据实验结果，分析路桥过渡段荷载与应力和位移的关系。

根据实验数据，作出试验中荷载与7个压力盒应力的关系曲线，如下图所示：

从关系曲线中可以发现，由于荷载很小且存在一定的误差，故土压力波动幅度较大；同时由于轻质土路基的扩散作用，导致测试值比较小。

由于实验记录的是3个百分表在不同荷载下的读数，因此需要将其转化为位移的数据。各级加载后百分表读数的变化代表着位移值，而不同的百分表位置则对应距台背的不同距离。经过处理后的数据如下表所示：

3.4 结果分析与工程建议

观察分析所得的实验数据，从位移与荷载关系曲线中可以发现：

（1）不管是过渡段还是路基，沉降值都随着荷载的增长而增长。同时，沉降值与荷载值近似为线性关系。

（2）在同一级荷载下，距离台背越远，沉降越大。因为距离台背较近的地方为过渡段，刚度相对较大；距离台背较远的地方为路基，刚度相对较小。因此这样的结论与实际相符。

而从位移与距台背距离关系曲线中可以发现：

（1）距离台背1cm和35cm处的沉降值接近，而距台背58cm处的沉降值明显大于前两者。前两个距离处均位于过渡段处，相对刚度大，沉降小；第三个距离处位于路基处，相对刚度大小，沉降大。实验结果与实际相符。

（2）沉降随着与台背距离的增大而增大，且随着距离的增大，沉降增长的幅度变大。

综上，在工程应用实际中，本组可提出如下建议：

（1）过渡段和路基的沉降值随着荷载增大而增大。为了控制路段沉降值，保证列车安全通过，设计路段和过渡段时，需要考虑所能承受的荷载值，保证在最大荷载下沉降不超限。

（2）过渡段和路基段由于刚度不同，在相同的荷载下沉降有所差异，从而在两者交界处会产生沉降转折角。为控制沉降转折角，保证列车安全、平稳地通过，需要尽量减小过渡段与路基的刚度差异，并改进过渡段结构和施工工艺。

参考文献

[1]秦呈华.道路桥梁设计中结构化设计的应用探析[J].科技展望，2015，（13）：152.

[2]史炯.论结构化设计在道路桥梁设计中的应用[J].四川水泥，2015，（8）：267.

（作者单位：西南交通大学）