高速铁路基床表层级配碎石翻浆机理研究

程爱君

（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）

我国高速铁路路基基床表层普遍采用级配碎石。这对于改善高速铁路路基基床结构力学性能，减少列车荷载所产生的弹性变形和残余变形，提高路基服役性能起到了很大作用［1-6］，但仍有某些线路路基出现了翻浆问题。上海铁路局在沪宁城际高速铁路上共查出此类病害1 400多处，分布在K111+910—K283+900区段76.2 km（桥隧除外）的路基地段［7-8］。这些病害引起轨道形位变化，增大路基和线路维修工作量，降低了路基长期服役性能和列车运营品质，甚至影响高速列车安全运营，危害巨大。因此，有必要对翻浆原因进行分析，为高速铁路基床病害整治提供依据。

1 现场调查

沪宁城际高速铁路无砟轨道底座与基床顶面间翻浆问题表现为从承重层的伸缩缝处或从封闭层与承重层缝隙间渗出灰白色泥状物（图1），引起轨道板下承重层空吊，影响轨道平顺性。经初步调查K111+910—K283+900区段有1 400余处，累计约11.7 km，翻浆病害多数发生在无砟轨道底座伸缩缝两端5 m范围内，向两侧发展，铺设框架轨道板地段较为严重，路肩上流淌或堆积着由水与级配碎石层细颗粒混合成的泥浆，路肩及两线间均存在渗出灰白色泥状物现象，严重处渗出物厚达10～50 mm［6］。

图1 沪宁城际高速铁路基床表层翻浆现象

2 翻浆机理研究

2.1 翻浆过程的分析

1）离缝的产生

从受力的角度分析，承重层伸缩缝部位为其受力集中部位，在列车荷载作用下，易出现局部的离缝问题，尤其是在伸缩缝未处理好且有外界水分渗入的情况下。

2）外界水分的侵入

沪宁城际高速铁路处于我国南方潮湿多雨地区，雨量充足、降水集中是其特点。水是引起路基多种病害的原因之一，渗入的雨水如果无法顺利排除会影响路基的使用性能，进而引起病害。

3）列车荷载的作用

当轨道结构层间离缝内充满水分，离缝部位就形成了一个薄弱环节，如图2所示。

图2 离缝部位示意

列车通过时，在列车荷载作用下，离缝上下结构层发生相向运动，挤压离缝内水分。当列车离开后，两结构层之间发生反向运动，对外部水分产生抽吸作用。在列车荷载作用下对离缝内水分反复抽吸、挤压，最终引起结构层接触冲刷问题。

2.2 无砟轨道基床表层级配碎石冲刷分析

冲刷的产生归根到底是水流力的作用［9-10］。从该角度出发，可利用水流速度的某一临界值作为衡量冲刷产生条件的指标。文献［10］对土体颗粒在水冲刷作用下受力平衡状态进行了分析，获得了粗粒土填料颗粒起动粒径与水流速度的关系，如图3所示。

图3 粗粒土填料颗粒起动粒径与水流速度的关系

由图3可知，对无黏性均匀路基填料，颗粒的冲刷水流速度与起动粒径呈非线性幂函数关系，随起动粒径的变大，冲刷起动水流速度迅速增大。

2.3 离缝部位流速分析

假定离缝深1.5 m，高1 mm，宽1 m，如图4所示。假定离缝内被水分完全充满，且当列车通过时离缝内水分完全被挤出。离缝内水的流量与离缝体积相当，流量Q=1.5×0.001×1=1.5×10-3m3。

图4 离缝示意

当列车以速度300 km/h通过时，每秒通过离缝位置处的车轴数约为4次，即离缝每次抽吸的间隔时间约为0.25 s，由此可计算出列车通过时离缝内水分的瞬间流速v=0.001×1×1.5/（0.001×1×0.25）=6 m/s。

结合图3可知，在水流速度达到6 m/s时，可以携带粒径约为50 mm的颗粒移动。在此情况下，不仅级配碎石中细粒会被离缝内水分携带冲走，其粗颗粒也会被水流反复冲刷，长此以往形成翻浆现象。

3 室内模型试验

为更好地说明翻浆机理，运用室内模型试验模拟现场翻浆过程［9］。

3.1 试验设备

本次试验采用MTS试验机。模型箱采用厚1 cm的有机玻璃制成，尺寸为40 cm×50 cm×60 cm。加载板采用1 cm厚钢板制成，尺寸为30 cm×30 cm。试验系统如图5所示。

图5 无砟轨道基床表层翻浆问题室内模拟系统

3.2 试验方案

利用MTS试验机模拟列车高速通过时支撑层与基床表层表面间的相互作用，可以分为以下2种情况：

1）支撑层与基床表层表面间无离缝

级配碎石渗透系数较大，列车通过时基床表层表面无积水的情况；级配碎石渗透系数较小，列车通过时基床表层表面有积水的情况。

2）支撑层与基床表层表面间有离缝

级配碎石渗透系数较大，列车通过时基床表层表面无积水的情况；级配碎石渗透系数小，列车通过时基床表层表面有积水的情况。

3.3 加载方式

加载方式分为应力控制、应变控制2种。

1）应力控制

模拟支撑层与基床表层表面间无离缝情况。动荷载为单向循环荷载。荷载频率选用4 Hz。试验动应力波形如图6所示。

图6 试验动应力波形

2）应变控制

模拟支撑层与基床表层表面间有离缝情况。动荷载为单向循环荷载。荷载频率选用4 Hz。试验动变形波形如图7所示。

3.4 试验结果分析

3.4.1 支撑层与基床表层表面间无离缝

1）基床表层表面无积水采用应力控制进行加载，试验初始应力为30 kPa，荷载为正弦波，应力幅值为20 kPa，试验循环次数为10 000次，试验结果见图8。可知，经过10 000次循环后，基床表层未出现翻浆现象。

图7 试验动变形波形

图8 支撑层与基床表层表面间无离缝、基床表层表面无积水

2）基床表层表面有积水采用应力控制进行加载，试验初始应力为30 kPa，荷载为正弦波，应力幅值为20 kPa。循环次数为10 000次，试验结果见图9。可知，经过10 000次应力循环后，级配碎石未出现翻浆现象。

图9 支撑层与基床表层表面间无离缝、基床表层表面有积水

3.4.2 支撑层与基床表层表面间有离缝

1）基床表层表面无积水采用应变控制进行加载，荷载为正弦波，应变幅值为2 mm，循环次数为10 000次。基床表层表面无积水且有离缝的情况，试验结果见图10。可知，经过10 000次应力循环后，级配碎石未出现翻浆情况。

图10 支撑层与基床表层表面间有离缝、基床表层表面无积水

2）基床表层表面有积水采用应变控制进行加载，应变幅值为2 mm，荷载为正弦波，循环次数为10 000次。当基床表层表面有积水时，动荷载作用下试验结果见图11。可知，经过10 000次应力循环后，级配碎石未出现较为严重的翻浆现象。

图11 支撑层与基床表层表面间有离缝、基床表层表面有积水

综合以上试验结果可知，支撑层与基床表层表面之间离缝是翻浆病害产生的主要条件；外界水分渗入离缝且无法及时排除，是基床表层表面翻浆病害的诱因；列车荷载通过时对离缝内水分产生的抽吸及挤压作用最终导致了翻浆问题。

4 结论

本文以沪宁城际高速铁路无砟轨道底座与基床顶面间翻浆病害为研究背景，通过对病害现场调查、理论分析和室内模型试验来说明了高速铁路基床表层级配碎石翻浆的机理。得出翻浆形成过程如下：离缝出现→外界水分填充离缝→列车高速通过时对水分产生挤压→水分高速流出对级配碎石产生冲刷→列车通过后外界水分吸入，如此往复循环即产生翻浆问题。以上研究成果为高速铁路基床表层级配碎石翻浆病害整治提供理论依据。