水泥土挤密桩加固过渡段路基对平顺性影响研究

赵秀绍，王志军，祝建农，乔志邦 ，刘庆杰

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013;2.中铁上海设计院集团有限公司, 上海 200070)



水泥土挤密桩加固过渡段路基对平顺性影响研究

赵秀绍1，王志军2，祝建农2，乔志邦2，刘庆杰1

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013;2.中铁上海设计院集团有限公司, 上海 200070)

宁启铁路新丰河中桥过渡段路基承载力和Evd的检测表明，过渡段路基承载力严重不足，不能满足提速至200 km/h的要求。承载力不足引起过渡段路基出现道砟槽病害，路基表层动土压力峰值过大(达到196.03 kPa)，轨道整体刚度和挠度不在合理值范围等问题，表明过渡段存在较大不平顺。过渡段采用了水泥土挤密桩加固，加固后路基顶面各测点的动土压力平均降低24.2%，轨道整体刚度平均提高23.14%，挠度降低31.40%，说明水泥土挤密桩可以较有效减缓过渡段不平顺问题。

路基工程;轨道整体刚度;加固对比;过渡段路基;动土压力

国内外研究资料及高速、重载铁路的运营经验表明，轨道结构刚度、轨道总刚度沿纵向的变化率是影响轨道反力分布、轨道结构振动和动态传递特性的关键因素，也是影响轮轨相互作用和列车运行品质的重要因素。关于路桥过渡段刚度的平顺过渡问题，一直受到国内外研究人员的重视，随着既有线提速的进一步发展，在路桥过渡段的轨道刚度平顺过渡问题显得越来越重要。试验表明， 机车车辆通过刚度突变区时，附加动力作用明显增大，导致轨道累积变形增大，石碴粉化，道床翻浆，轨枕空吊，继而诱发行车事故[ 1-2]。轨道刚度不均导致线路不平顺和钢轨磨耗加剧[3]。过渡段路基刚度和强度是影响轨道整体刚度的重要因素之一，结合新丰河中桥过渡段水泥土挤密桩加固工程，分析加固对轨道整体刚度、轨道挠度及路基顶面动应力的影响，根据试验结果对过渡段路基仍然存在较大不平顺的原因进行分析，并提出加固建议。

1　工程概况

新丰河中桥位于宁启线K243 +388.65～437.25里程处，桥长48.6 m，路桥过渡段未专门进行过渡段设计，而是按照一般路基进行填筑。过渡段基床表层0～20 cm内填料为粉质黏土水泥改良层，部分地段的表面改良层风化剥蚀严重，厚度变为5～10 cm左右，开挖道床发现路基中央出现道砟囊病害。过渡段路基20 cm以下填料为低液限粉质黏土填筑，塑限19.5%，液限31.2%，塑性指数11.7。路基中央沉陷较大，靠近桥台的15 m范围存在道砟陷槽，深度为40～50 cm。

2　测试原理与测点布置

2.1轨道整体刚度测试原理与测试方法

轨道整体刚度定义为：当一个集中荷载作用在钢轨上，钢轨产生单位下沉所对应的集中荷载大小。假设集中荷载为P，钢轨最大下沉为Zmax，则轨道整体刚度为K=P/Zmax。赵国堂[4]通过轨道允许变形法和临界速度法推导出列车350 km/h时合理的刚度值为67～100 MN/m。张格明[5]根据实测数据和以往的试验测试数据，得出我国60 kg/m配套轨道结构的整体垂向刚度优化分析范围为65～100 MN/m。

测试过渡段的轨道整体刚度首先要测定轮轨力，测定轮轨力的方法有轨腰压缩法和剪力法。剪力法是在距离两轨枕中点110 mm距离处，沿45°方向粘贴应变片，组成测试桥路，如图1所示。当荷载作用在两轨枕正中时，应变片黏贴点处于纯剪状态，45°的主应力与剪应力相等。因此可以通过在轨腰中和轴处粘贴45°方向的应变片测取主应力的方法来测取剪应力，再通过标定换算求得P值。采用剪力法测试轮轨垂向力，每测点贴 4 个应变花，接全桥，采取静载千斤顶标定。钢轨垂向位移测点采用应变片在轨底进行应变测试，然后换算成轨道垂向位移，测点布置于枕跨中间钢轨轨底位置[6](见图1)。由于剪力法相对于轨腰压缩法有更高的精度，因此在新丰河中桥过渡段采用了剪力法测试。现场利用生机SJ-ADC无线动静态数据采集仪采集列车通过时的轮轨力和轨底应变。

图1　剪力法测试原理与测试应变片布置Fig.1 Shear stress testing principle and test strain gauge arrangement

2.2路基顶面动土压力测试方法

测试动土压力时采用了SJ-BWL型动土压力盒，直径12 cm，高2 cm，量程0.3 MPa，采用全开挖道床法进行土压力盒预埋。土压力盒埋置在轨道与轨枕交叉点的正下方的路基顶面，土压力盒上下各铺5 cm砂层并压实，然后再回填道砟捣实完成预埋。土压力盒布置点见图2。

2.3路基刚度与承载力测试方法

在轮轨力测点旁轨枕间路基顶面进行了Evd值和N10值测试，以了解过渡段路基承载力情况。Evd值采用Evd仪(动态变形模量仪)进行测试，在开挖道砟时，在基床表面先找平后预冲击3次，然后进行3次冲击正式测试，采用公式(1)计算测点的Evd值。

(1)

测试完Evd值后，然后在Evd测点处进行轻型动力触探仪进行路基承载力试验，勘探深度为90 cm，记录每30 cm的锤击数N10值，然后根据测得的N10值查 《铁路桥涵地基基础设计规范》 获得路基基床层0～90 cm的承载力。

2.4测点布置

在轮轨力和轨底应变测点布置中，为使有限的测点能充分反映出列车通过路桥过渡段时的轨道动力响应，测点布置应跨越桥梁和路基，并且间距合理。考虑到桥梁上线下基础刚度较为均匀，因此桥梁上布置一个测点；在过渡段轨道上布置4～5个测点，测定轨道刚度沿线路纵向变化，同时在相应测点附近测定路基的Evd值、路基承载力、路基顶面的动土压力，测试点力求至少避开轨缝4～5个轨枕间距。测点布置如图2所示。

图2　过渡段轨道刚度和动土压力测点布置图Fig.2 Track stiffness and pressure measuring points layout for bridge transition section

3　路基基床Evd与基本承载分析

3.1Evd测试分析

新丰河中桥两端路桥过渡段基床表层顶面Evd测试值如图3所示，横坐标为离桥台的距离，纵坐标为Evd值。

Evd测试值表明，基床表层的Evd测试值均低于55 MPa的控制要求，上下行过渡段基床表层平均Evd值仅为22.4 MPa，远低于《新建客货共线铁路设计暂行规定》中基床表层55 MPa的要求。

图3　各测点的Evd测试值Fig.3 Evd test value for measuring points

3.20～90 cm基床承载力情况

新丰河中桥两端过渡段路基0～90 cm深度范围测试的承载力统计如图4所示。

由图4可知，0～30 cm,30～60 cm,60～90 cm的平均承载力分别为186.2,113.3和108.9 kPa，除基床表层0～30 cm承载力可基本满足180 kPa[7]要求外(靠近桥台处不满足)，30～90 cm的承载力均大大低于相应的控制标准。基床表层0～60 cm平均承载力为150.0 kPa，60～90 cm各测点的平均值为108.9 kPa，低于基床表层和基床底层的相关要求。按各层位总体统计时，低于150 kPa的测点层次占总量的74%，甚至有17%的测点层低于100 kPa，说明路基承载力存在严重不足。

单位:kPa图4　路基0～90 cm深度内承载力统计图Fig.4 Bearing capacity statistical chart within 0～90 cm depth in subgrade

4　过渡段路基加固施工

由于过渡段承载力低于相关标准，过渡段采用水泥土挤密桩进行加固。从桥台起桩长按2.5，2,1.5 m递减(示意图见图2)，每种桩型实际加固的纵向长度约为6.5 m。每个枕盒内布置6根水泥土挤密桩，桩径为24 cm，夯扩后直径约26 cm，路基横断面上桩间距为60～70 cm，纵断面桩间距为轨枕间距，过渡段加固范围为距桥台20 m以内范围[8]。借助每天晚上21∶00～00∶00 3 h的天窗时间进行施工，加固时采用隔4个枕盒开挖一个枕盒的道床，然后在开挖的枕盒内按钻孔、填料、夯实成桩、质量监测、恢复道床的步骤进行施工，每个枕盒加固完工后回填道砟并用捣镐捣实。水泥土桩顶面为道床与路基的接触面，没有对基床中的道砟槽进行处理。加固初期采用人工橄榄锤夯实，由于监管不到位，造成部分桩体未达到夯实标准，后改为气动锤夯实，夯实质量得以保证。

5　加固前后的基床顶面动应力测试分析

测试基床顶面动土压力时，列车为东风机车+18节客车厢，实测时速118 km/h，测试在加固后30 d。动土压力采用计算机无线采集，然后通过动土压力时程曲线提取机车产生的最大动土压力。基床表面产生的最大动土压力数据如图5和图6所示。

图5　上行端动土压力测试结果Fig.5 Dynamic earth pressure test result at upstream end of the transition section

图6　下行端动土压力测试结果Fig.6 Dynamic earth pressure test result at downstream end of the transition section

图5和图6表明，上行和下行过渡段路基顶面最大动土压力出现在12～14 m的范围之内，当远离桥台时，基床顶面的动土压力迅速减小。加固前上行最大动应力达到了196.03 kPa，下行最大动应力达到115 kPa。而根据文献[9]理论计算最大动土压力如式(2)所示。

σdl=0.26×p×(1+αv) =0.26×220×

(1+0.004×118)=84.2 kPa[9]

(2)

实测值远大于理论计算值说明过渡段路基在没有专门设置过渡段存在较大的线路动不平顺。

加固工程完成后，下行过渡段一个土压力盒电缆损坏，无法测出数据，其它测点均正常测出了列车118 km/h通过时的路基表面的最大动应力，测试值见图5和图6所示。经过加固后，动土压力最大值从196.03 kPa降至140.75 kPa，降低63.8 kPa，降幅为28.2%。平均动土压力从106.97 kPa降至82.70 kPa，平均降低24.27 kPa，平均降幅达22.7%，表明水泥土挤密桩加固能有效减小过渡段路基顶面的动土压力。从图5和图6可以看出，加固后的最大动土压力仍高达140.75 kPa，仍高于理论计算值84.66 kPa，考虑动静比换算时，动强度约为静强度的60%[10]，换算成作用在基床顶面的静压力高达234.58 kPa，大于目前基床的承载力，说明加固后机车施加于路基顶面的动压力仍可能造成路基进一步破坏。

6　加固前后挠度和轨道整体刚度测试分析

轨道整体动刚度，包含路基、道床、扣件及钢轨弯曲刚度，测试轨道挠度和轮轨力时，各车轮产生的轮轨力和挠度有一定的离散性，因此采用客车车厢产生的轮轨力与挠度的平均值进行计算和统计，轨道整体刚度就是平均轮轨力和平均挠度的比值，如式(3)所示。

(3)

式中:K为轨道整体刚度,MN/m;Pi为车厢车轮通过测点时的最大测试轮轨力，MN;Si为车厢车轮通过测点时的最大挠度(经轨底应变换算后)，m。

根据实测数据，前两节车厢受机车影响较大，后16节车厢测试数据离散性较低，因此采用后16节车厢数据进行计算轨道整体刚度和轨道挠度。采用水泥土挤密桩加固时，轨道、扣件没有进行调整，道床经过捣固且经过多天稳定后才进行轨道刚度测试，所以可以认为轨道、扣件、道床加固前后基本没有变化，轨道刚度和挠度的变化主要是路基加固引起的。加固前后轨道整体刚度见图7所示。

图7　加固前后轨道整体刚度变化Fig.7 Track integral stiffness changes before and after reinforcement

图7为各测点轨道整体刚度测试数据，加固前后的轨道整体垂向刚度对比可得，过渡段路基处轨道刚度测试值有不同程度的增加，平均动刚度从加固前的39.54 MN/m增加至48.69 MN/m，增加了9.15 MN/m，增幅为23.14%。以上分析表明，运用水泥土挤密桩加固可有效增加轨道整体动刚度，有利于过渡段的平顺过渡。虽然加固后轨道整体动刚度有所增加，但过渡段路基处的整体刚度仍然低于轨道的合理刚度范围65～100 MN/m[5]，也未达到刘学毅计算的轨道刚度下限值62 MN/m[11]。可见仅用水泥土挤密桩难以达到相关要求。

评价轨道平顺性的另一指标是刚度变化率[13]，其计算公式如式(4)所示。

(4)

式中：Δ为刚度变化率；Kq为桥上轨道整体动刚度；Kt为过渡段测点的整体动刚度。

罗强在[13]给出了有砟轨道轨道刚度与K30对应关系如表1所示。

表1　轨道变化率与基床地基系数之间的关系Table 1 Relationship between Track integral stiffness changes’ rate and subgrade coefficient

根据《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出的路基基床结构设计标准，有碴钢筋混凝土轨道结构路桥间轨道刚度变化率小于0.25，对行车的安全和舒适性的影响比较小。根据表1高速铁路对基床表层的K30要求还是较高的，当变化率为0.25时，对应的K30为232 MPa/m，高于新建客货共线铁路设计标准，而宁启线提速后属于客货共线铁路，可以适当降低刚度变化率标准；当刚度变化率为0.3时，要求K30为194 MPa/m，近似于《新建客货共线铁路设计暂行规定暂行规定》[3]中基床表层K30的的要求(190 MPa/m)。宁启既有铁路属于提速至200 km/h的客货共线铁路，根据《新建客货共线铁路设计暂行规定》规范对应，设计路桥过渡段的刚度变化率为0.3较为合适。根据图7中给出的桥上最小轨道刚度为66.9 MN/m，按0.3的刚度变化率计算，则过渡段的刚度值至少应达到51.5 MN/m。实测数据表明，经过加固后除个别测点满足要求外，大部分测点仍然不能满足刚度变化率的要求。

轨道挠度测试数据如图8所示。加固前后轨道挠度(轨道垂向位移)对比表明，加固后轨道平均挠度从2.40 mm降至1.64 mm，减小幅度为31.4%。最大轨道挠度从加固前的4.0 mm降至2.6 mm，降幅为35%。数据表明，通过水泥土挤密桩对路基基床进行加固后，轨道挠度降低，有利于线路平顺过渡。但加固前后，轨道的挠度仍大于高速铁路轨道挠度建议值1.5 mm[14]。

图7和图8中加固前后的轨道动刚度和轨道挠度测试数据表明，运用水泥土挤密桩加固路基后，过渡段上轨道的整体动刚度增加，轨道挠度减小，同时也减小了轨道刚度变化率和轨道挠度变化率，有利于过渡段的平顺过渡。

数据表明，大部测点的刚度变化率及挠度仍超过了前人研究的建议值，结合现场施工情况，主要原因为2个方面：1)加固质量问题，部分水泥土挤密桩夯实后大大低于规定的密实度；2)加固仅对土路基面以下进行了水泥土挤密桩处理，未对土路基面以上的道砟陷槽进行处理。建议施工时加大施工监管，并对道砟陷槽中的碎石开挖后掺入5%的水泥进行夯实处理。

图8　加固前后轨道挠度变化Fig.8 Track deflection changes before and after reinforcement

7　结论

1) 轨道整体动刚度和轨道挠度测试表明宁启铁路新丰河中桥过渡段存在较大不平顺，基床层承载力低是导致过渡段轨道刚度值低和轨道挠度大的重要原因。

2)经加固后路基顶面动土压力平均值降至82.70 kPa，降幅为22.7%，最大动土压力从196.03 kPa降至140.75 kPa，降幅为28.2%，表明水泥土挤密桩加固后可以有效降低基床表面的动压力。

3)根据新丰河水泥土挤密桩加固后整体刚度与挠度的实测数据，各测点轨道整体刚度平均提高了9.15 MN/m，提升幅度为23.14%。轨道挠度降低了0.75 mm，降幅为31.40%。数据表明通过水泥土挤密桩能较有效减缓过渡段的不平顺。

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Track regularity influence study of reinforce bridge transition section by cement soil compaction pile

ZHAO Xiushao1, WANG Zhijun2,ZHU Jiannong2, QIAO Zhibang2,LIU Qingjie1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao tong University, Nanchang 330013，China;2.Shanghai Design Institute Group Co．Ltd，Shanghai 200070，China)

Some site tests are carried out at Xin-feng river bridge transition section in Nanjing-Qidong existing railway, such as bearing capacity, dynamic elastic modulus(Evd). It is found that the subgrade bearing capacity is serious insufficient before reinforcement, andEvdvalue also can not meet the requirements of speed up to 200 km/h. Insufficient bearing capacity produces a series of problems, such as ballast groove disease, peak dynamic stress is too large (reach to 196.03 kPa), tracks stiffness and deflection value is not in reasonable range, etc. Because of these problems, the bridge-subgrade transition section is found to be not smooth. Cement-soil compaction piles were used to reinforce the transition section subgrade. After reinforcement, test shows that each measuring point average dynamic earth pressure reduced by 23.14%. At the sametime, track overall stiffness increased by 23.14% and deflection reduced by 31.40%. These results indicate that cement-soil compaction pile can effectively slow down the transition section irregularity problem.

subgrade engineering; track integral stiffness; reinforced contrast; bridge transition section; dynamic earth pressure

2015-12-14

国家自然科学基金资助项目 (51208198,51668018);江西省教育厅资助项目(JXJG-13-5-15);华东交通大学博士科研启动基金项目(01306022)

赵秀绍(1978-)，男，河南淇县人，副教授，博士，从事铁道工程和岩土工程研究；E-mail: Zhaoxiushao@163.com

U218

A

1672-7029(2016)10-1919-07