35～40 t轴重重载铁路轻质混凝土路基结构的力学特性

李泰灃，韩自力，蔡德钩，陈 锋，李中国，张 栋，叶志超

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081； 3.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100080)

近年来，重载铁路运输技术发展迅速，其中美国、澳大利亚等国在重载运输技术方面占有世界性的主导地位，其铁路基床研究设计水平达到了一个新的高度。我国在30 t轴重重载铁路技术方面积累了丰富的经验，已成功建成国内首条30 t轴重重载瓦日铁路，但目前我国尚无成熟的35～40 t轴重轨道结构技术体系。为了满足重载铁路“走出去”的需求，推进重载铁路技术国际化，有必要开展35～40 t轴重下轨道结构研发工作，进一步认识大轴重(35～40 t)列车荷载作用下路基结构内的应力传递规律、应力应变关系、动态响应等特性[1-3]。

本文通过实尺模型试验、室内力学试验及理论分析相结合的方法，针对提出的适用于35～40 t轴重重载铁路轻质混凝土路基结构架构方案，验证其力学可行性，并对轻质混凝土路基结构的应力传递规律及受力变形关系进行研究。

1 轻质混凝土力学特性试验

优选并制备湿密度800 kg/m3的轻质混凝土，分别测定养护7,28 d的抗压强度[4-5]。其中，轻质混凝土7 d抗压强度为1.55 MPa,大于0.8 MPa，28 d抗压强度为2.63 MPa,大于1.5 MPa，符合TB 10625—2017《重载铁路设计规范》、CECS 249—2008《现浇泡沫轻质土技术规程》等的规定，满足重载铁路轻质混凝土路基结构的设计要求。

2 重载铁路轻质混凝土路基结构

轻质混凝土具有较为优良的耐久性、隔热性及环保性，适合用作重载铁路路桥过渡段；因其质量较轻且具有较高的刚度，可以有效控制过渡段的沉降变形及解决应力分配不均匀的问题，从而解决路桥过渡段的差异沉降及填料不易压实的工程难题[6-7]。新型重载铁路轻质混凝土路基结构的设计断面如图1所示。

图1 新型重载铁路轻质混凝土路基结构设计断面

3 室内实尺模型试验

实尺模型试验所用重载铁路轻质混凝土路基结构(如图2所示)的轻质混凝土层厚1 m，替代部分路基本体及基床底层。为了保护级配碎石层(厚0.2 m)对轻质混凝土的侵蚀作用，减缓应力集中效应，在二者之间增设0.2 m的砂垫层,砂垫层内设复合土工膜，以增强路基结构的整体抗渗性能。级配碎石层上覆 0.45 m 厚的道砟。采用重载铁路专用轨道结构形式。

图2 试验所用重载铁路轻质混凝土路基结构(单位：m)

实尺模型试验着重测试轻质混凝土路基结构在35～40 t动力荷载作用下的应力分布、受力传递规律、动力响应特性及受力变形特征。

采用大型脉冲疲劳试验机进行实尺模型试验，运用加载梁对轨道结构施加动力荷载，以模拟列车动荷载[8-10]。为了确定轻质混凝土路基结构的稳定性和可靠性，先对整体结构逐级施加25～45 t轴重的静态应力，确定受力变形无明显异常后对试验结构(自然干燥条件)逐级施加30，35，40，45 t轴重且频率为5 Hz的动力荷载。最后对浸水条件下的轻质土路基结构分别施加35，40 t轴重动力荷载各200万次，以验证该结构的力学稳定性及抗渗性能。室内实尺模型试验加载方案见表1。

表1 室内实尺模型试验加载方案

脉冲疲劳试验机的最大动试验力为500 kN，频率为2～5 Hz。模型试验槽尺寸为6.8 m(长)×5 m(宽)×3.3 m(深)。动土压力盒、压力分布传感器、沉降观测标+线性可变差动变压器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)动态变形传感器布置参见图2。

4 试验结果分析

4.1 静力加载试验

对试验结构依次加载25，27，30，35，40，45 t轴重荷载，各部位沉降情况见图3。可知，随着静荷载的增加，各部位整体沉降呈现递增状态。竖向沉降随深度增加逐步减小，45 t轴重条件下竖向沉降由路基表面钢轨正下方的0.85 mm逐步减小为轻质混凝土底面的0.20 mm。不同轴重下各部位沉降发展趋势基本呈现线性关系，累积变形较小；随轴重的增加各部位差异沉降呈现微弱增长。

图3 25～45 t轴重静力加载时各部位沉降

级配碎石和砂垫层压缩变形较为明显，25 t轴重条件下级配碎石和砂垫层的压缩变形约为0.32 mm;45 t轴重条件下级配碎石和砂垫层的压缩变形约为0.50 mm，较25 t条件增幅约为55%。轻质混凝土自身的压缩变形较小，且随荷载增大压缩变形基本稳定在0.12 mm左右，说明该结构具有足够的稳定性和抵抗压缩变形的能力。

4.2 动力加载试验

本次试验着重分析35，40 t轴重动力加载条件下，轻质混凝土路基结构的受力变形特征。对试验结构逐级施加5 Hz动力荷载，其中自然干燥条件下35，40 t轴重分别施加200，360万次。

4.2.1 竖向压力

30～40 t轴重动力加载时各部位的竖向压力及压力分布见图4、图5。可知，各层竖向压力随外荷载的增加呈现线性规律，同等荷载条件下竖向压力的大小取决于该点所处的位置，符合应力传递规律。

图4 30～45 t轴重动力加载时各部位竖向压力情况

图5 30～45 t轴重动力加载时各部位竖向压力分布

轻质混凝土表面2种不同类型传感器的土压力对比见表2。可知，在同等作用条件下压力分布传感器的数值是相同位置处土压力盒测得压力值的1.34～1.45倍。这是由土压力盒自身刚度较大导致的，因此间接证明了压力分布传感器柔性编织材料可以更为准确地测量土体内部的压力分布情况。

表2 轻质混凝土表面2种不同类型传感器的土压力对比

4.2.2 竖向压力传递规律

35 t轴重动力加载时不同部位的竖向压力及应力传递路径见图6。可知，轨枕中心处的竖向压力与上述情况呈现相同规律，竖向深度相差0.4 m，压力差稳定在5 kPa左右，间接解释了竖向压力传递符合力学基本原理。其中TY8,TY4刚好处在45°扩散角的边缘，因此竖向压力接近最小值；由于TY8,TY3处于同一等压线上，所以数值较为接近，可间接解释轨道下方一定范围内竖向应力呈现“圆弧状”分布。同样处于等压线上的TY5较TY7竖向压力增大1.0～1.5倍，间接证明了两轨之间竖向压力存在应力叠加，叠加后的压力传递路径呈现“马鞍形”分布，即轨下应力较为集中，两轨中间应力叠加，竖向应力随着扩散广度及深度增加逐渐降低。

图6 35 t轴重动力加载时不同部位的竖向压力及应力传递路径(单位：m)

35 t轴重动力加载时，轻质混凝土路基结构级配碎石表面连续3根轨枕的压力分布情况见图7。可知，竖向压力沿纵向逐步降低，基本呈现线性规律。

不同轴重动力加载时级配碎石表面相应轨枕下方及相邻轨枕下方竖向压力见表3。可知，在各级荷载条件下，相邻轨枕的竖向压力呈现相同分布规律，即第2根轨枕级配碎石表面竖向压力为加载轨枕(中心枕)级配碎石表面的0.72倍左右，第3根轨枕竖向压力为加载轨枕(中心枕)级配碎石表面的0.53倍左右，且竖向压力与施加荷载呈现线性递增关系。与横向传递规律类似，沿线路纵向的竖向压力传递规律也存在应力集中和叠加现象。

图7 35 t轴重动力加载时级配碎石表面压力分布

表3 不同轴重动力加载时级配碎石表面竖向压力 kPa

5 结论及建议

1)在25～45 t静荷载条件下，轻质混凝土自身的压缩变形较小，基本稳定在0.12 mm左右，说明轻质混凝土结构具有较强的抵抗压缩变形的能力。

2)湿密度为800 kg /m3的轻质混凝土具有较高的抗压强度和良好的力学稳定性，适用于对变形要求较为严格的特殊铁路路基区段及路桥过渡段。可以有效降低各结构体间的差异沉降，并提供足够的承载力。

3)沿线路横向与纵向竖向应力传递规律类似，存在应力集中和叠加现象。