高速铁路泡沫混凝土路基结构稳定性能试验研究

摘 要：【目的】通过进行室内模型试验，探究高速铁路工程中泡沫混凝土路基结构在工程应用中的可行性。【方法】将部分基床底层利用泡沫混凝土浇筑层进行替代浇筑大比例模型，通过施加静荷载及等频、等幅的动荷载测试泡沫混凝土路基结构的长期静、动力稳定性能。【结果】①路基基床表层高度一致时，静载作用下随着测点与加载点水平、竖直距离的增大，测点处附加应力值不断减小，且在穿过泡沫混凝土层时应力降幅显著。②随着测点深度的不断增加，动应力衰减系数减小，动应力值不断降低。级配碎石层及泡沫混凝土层均存在显著的耗能作用，且级配碎石层对动应力的耗散程度高于泡沫混凝土A、B组填料层。③当级配碎石层厚度分别为0.5 m和0.7 m时，在循环动应力加卸载作用下泡沫混凝土层累积变形分别占整体累积沉降的3.18%和3.80%，泡沫混凝土作为整体浇筑填料不产生较大的塑性变形，变形主要由级配碎石层产生。【结论】荷载作用下泡沫混凝土路基结构具备良好的减力、耗能及抗变形性能。研究成果可为今后类似工程提供试验参数依据。

关键词：高速铁路；泡沫混凝土；路基结构；附加应力；动应力；累积沉降量

中图分类号：U213" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）22-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.015

Experimental Study on the Stability Performance of Foamed Concrete Subgrade Structure in High-Speed Railway

Abstract： [Purposes] In order to explore the feasibility of foamed concrete subgrade structure in high speed railway engineering， laboratory model test method was established to make the test. [Methods] The foam concrete layer is used to replace the large scale model for part of the foundation bed， and the long-term static and dynamic stability of the foamed concrete subgrade structure is tested by applying static load and constant frequency and amplitude dynamic load. [Findings]①When the surface height of the subgrade is the same， the additional stress at the measuring point decreases with the increase of horizontal and vertical distance between the measuring point and the loading point under static load， and the stress decreases significantly when passing through the foamed concrete layer. ②The attenuation coefficient of dynamic stress decreases and the value of dynamic stress decreases with the increasing depth of measuring point. Both graded gravel layer and foamed concrete layer have significant energy dissipation effect， and the degree of dissipation to dynamic stress of graded gravel layer is higher than that of foamed concrete layer than that of group A and B packing layer. ③When the thickness of graded gravel layer is 0.5 m and 0.7 m， the cumulative deformation of foamed concrete layer under cyclic dynamic stress loading and unloading accounts for 3.18% and 3.80% of the total cumulative settlement， respectively. Foamed concrete as a whole packing does not produce large plastic deformation， the deformation is mainly caused by graded gravel layer. [Conclusions] The foamed concrete subgrade structure under load has good performance of reducing force， energy dissipation and deformation resistance. The research results can be used as reference for similar engineering upgrading test parameters in the future.

Keywords： high-speed railroad; foamed concrete; subgrade structure; additional stress; dynamic stress; cumulative settlement

0 引言

对既有京沪高速铁路进行帮宽填筑时，不仅要控制帮填部分的工后沉降，还要严格控制既有路基沉降，保证既有京沪高铁的运营速度和运营安全。采用常规的地基处理和路基填筑法，路基填筑荷载大，在既有路基内产生新的附加应力，容易造成既有路基发生沉降［1-3］。同时常规地基处理方法使用的施工设备尺寸较大，对既有线安全运营构成了一定的威胁，施工扰动也是造成既有路基沉降的因素之一［4-5］，因此常规的帮填方法难以保证既有线路的正常运营及运营安全。

为解决上述问题，需要研究新路基填筑材料和新路基结构，其中轻质填料用于路基填筑为解决这一问题提供了新的思路，是路基工程领域研究的新方向。以泡沫混凝土为代表的轻质材料具有表观密度低、强度高、便于施工等特点，作为帮宽路基填料应用时可有效减轻对既有路基的侧向和竖向荷载，有效控制既有路基的变形［6-7］。由于气泡混合泡沫混凝土具有重度比一般土体小，而强度和变形特性可以达到甚至超过良好的土体，固化后的材料自立性好，便于施工，施工单价比EPS便宜一半以上等优点，被广泛地用于软基上的路堤填筑、道路加宽及台背填土等，可减轻施加于软基的附加应力，抑制软基的破坏和沉降，从根本上解决线路软基路堤中的填挖方路堤、新旧路堤及路堤与结构物之间的差异沉降问题，减少地下结构物所承受的土压力，提高结构物的使用寿命。近些年，泡沫混凝土技术是软基处理最有效的方法之一。同时铁路路基在应用过程中会受到各种荷载（静载、动载）的反复作用［8-10］，这对路基自身的长期安全稳定性存在极大的影响，因此探究路基在荷载作用下的稳定性对铁路安全性意义重大。

本研究通过室内模型试验的方式将铁路部分基床底层利用泡沫混凝土浇筑层进行替代，对模型施加静、动荷载，分析静、动荷载下模型的应力、位移及累积沉降等参数变化规律。研究成果可为泡沫混凝土路基结构在高速铁路中的长期安全应用提供试验依据。

1 试验

1.1 试验模型

该模型试验中所浇筑的模型试件如图1所示。单组模型从下至上包括三层（表层、中层及底层），所浇筑的三组模型中仅上表层高度不一致（0.4、0.5和0.7 m），其余部分保持不变。其中表层为鲁南高速铁路过程现场所使用的级配碎石，中层为现场浇筑厚度为1 m的泡沫混凝土层，底层为A、B组填料，浇筑厚度为0.6 m，为保证试验结果的有效性，三组模型所使用的原材料均保持一致。基于等比原则，试验模型长度、宽度及高度分别取1.4、5.1 和2.0 m，在模型最上端布设混凝土加载板以施加均布载荷，其中加载板的长度、宽度及厚度分别取1、3.1和0.3 m。为了更契合工程现场环境，利用刚性土挡墙作为路基侧方边界条件，并在其内侧表面涂抹凡士林来模拟润滑层。模型底部通过布设软木板及聚苯乙烯板组合件建立耗能层，选用最优含水率及优质的级配曲线碎石对A、B组填料层及级配碎石层进行填筑，填筑振荡压实后对各性能指标进行监测，以满足试验要求。

1.2 试验设备和试验加载方案

本次试验过程所采用的设备包括加载装置系统及采集装置系统，加载装置为北京佛力公司所生成的液压循环加载仪，可实现静载、动载的反复施加。信号采集装置为TST5916动态信号采集分析仪，其可实现多信号变速率采集，自身具备滤波、除杂、优化等功能，所采集的数据多，精度高。试验设备如图2所示。

根据多处高速铁路现场测试结果可知，轨道路基处表层应力测量值在9.5～20.0 kPa之间，因此本次试验选用加载幅值为20.0 kPa，加载频率为5 Hz。根据现有研究成果可知轨道路基在达到稳定状态时等同于列车至少循环通过200万次，此次加载最终所选用循环加载次数为200万次。

2 结果与分析

2.1 静力特性

当基床表层（级配碎石层）高度分别为0.4、0.5 和0.7 m时，测点位置处静态加载附加应力值与横向变形间的关系如图3所示，附加应力随竖向深度变化如图4所示。

由图3可知，当基床表层高度为0.4 m时，加载板中心位置方向不同位置处的附加应力不同，其中级配碎石底部、泡沫混凝土底部及A、B组填料底部处附加应力分别为9.45、8.47、8.18 kPa，加载板边界位置正下方三个位置处附加应力分别为8.79、6.40 、6.39 kPa，模型边界位置正下方三个位置处附加应力分别为0.52、4.42、5.02 kPa。基础板中心位置、基础板边界位置随着测点位置与加载位置间距离的增大，测点处附加应力值不断减小，而模型边界位置处级配碎石底部附加应力最小。当基床表层高度为0.5、0.7 m时，级配碎石底部对应基础板中心位置、基础板边界位置和模型边界位置处附加应力分别为9.24、8.20、0.80 kPa和8.89、7.39、1.39 kPa，基床表层高度的增大使得加载板范围内的竖向附加应力值减小，而加载板范围外的竖向附加应力值增大。

由图4可知，当基床表层高度保持一致时，竖向深度的增大使得测点附加应力降低，且表层高度0.2 m范围内应力值变化不明显，应力在穿过泡沫混凝土层后降幅明显。究其原因是混凝土基础板与碎石间存在一定的刚度差距，在两者的接触面混凝土板产生部分变形使力重新分布，从而在边界位置产生较大的竖向力。随着碎石层厚度的增加应力重新产生调整，使得碎石层下方应力衰减明显。泡沫混凝土层作为刚性板，使得附加应力在此层衰减更为明显。

2.2 动应力分析

当基床表层（级配碎石层）高度分别为0.4、0.5 和0.7 m时，测点位置动应力值与加载次数的关系如图5所示，动应力衰减系数与深度关系如图6所示。

由图5可知，基床表层高度及加载次数的不同均使级配碎石内部应力产生重分布，各测点在加载次数前期产生明显变化，随着加载次数的不断增大，各测点应力均逐渐达到稳定状态。具体表现形式如下：测点1#处随着加载次数的增加，测点处动应力值整体呈降低趋势；测点2#、3#处应力呈先小幅上升后趋于稳定变化的趋势；测点4#、5#、6#、7#处应力值基本保持不变。在基床表层高度为0.4、0.5和0.7 m时，基床表层内部动应力值达到稳定状态时所对应的加载次数分别为70、90、100万次，动应力在级配碎石层内部变化较为明显，在泡沫混凝土层及A、B组填料层内变化不明显。

随着测点深度的增加，动应力呈不断衰减变化趋势，这是由于填料自身的对应力传播的阻尼、分散作用所致。将不同级配碎石层动应力与深度进行归一化处理，得到动应力衰减系数与测点深度间的关系如图6所示。由图6可知，随着测点深度的不断增加，动应力衰减系数减小，动应力值不断降低。对于不同填料层其衰减速率不一致，其中基床表层高度为4 、0.5 和0.7 m时，级配碎石层底部动应力衰减系数分别为62.4%、54.6%、46.5%，泡沫混凝土层底部动应力衰减系数分别为40.4%、33.9%、26.5%，级配碎石层及泡沫混凝土层均存在明显的耗能作用，且级配碎石层对动应力的耗散程度高于泡沫混凝土层，也高于A、B组填料层。

2.3 累积沉降变化规律

高铁运行过程中高速铁路路基基床会不可避免地产生变形沉降，沉降量的大小关乎铁路的维修成本与安全，因此对此次模拟试验各测点累积沉降量进行监测。当基床表层（级配碎石层）高度分别为0.4、0.5和0.7 m时，各位置累积沉降值与加载次数关系曲线如图7所示，各位置累积沉降速率与加载次数关系曲线如图8所示。

结合图7、8可知，三组模型中各测点的累积沉降量及累积沉降速率变化规律保持一致，在荷载循环作用70万次前，各测点累积沉降量及累积沉降速率最大，随着循环荷载的继续作用，各测点沉降量增幅明显降低，在加载至200万次时各测点变形均达到稳定状态。当基床表层高度（级配碎石层厚度）为0.4 m时，各测点累积变形稳定时对应级配碎石层、泡沫混凝土层及A、B组填料层累积变形量分别为0.52、0.03、0.135 mm，各填料层占模型整体变形量的75.91%、4.42%、19.67%，泡沫混凝土层在循环荷载作用下沉降变形量最小。当基床表层高度（级配碎石层厚度）为0.5 m时，各测点累积变形稳定时对应级配碎石层、泡沫混凝土层及A、B组填料层累积变形量分别为0.62、0.025、0.14 mm，各填料层占模型整体变形量的78.98%、3.18%、17.83%；当基床表层高度（级配碎石层厚度）为0.4 m时，各测点累积变形稳定时对应级配碎石层、泡沫混凝土层及A、B组填料层累积变形量分别为0.74、0.034、0.12 mm，各填料层分别占模型整体变形量的82.77%、3.80%、13.42%，级配碎石层厚度的增加使得模型整体沉降量增大，且级配碎石层沉降变形量占比最大，而泡沫混凝土层沉降变形量始终是最小的。由此可知，在上部动应力作用下，级配碎石作为基床填料会产生较大的变形，而泡沫混凝土作为填料会极大减小基床的沉降变形量，则采用泡沫混凝土代替部分级配碎石作为基床填料将极大减小路基基床沉降量，保证铁路路基基床的安全性。

3 结论

①路基基床表层高度一致时，静载作用下随着测点与加载点水平、竖直距离的增大，测点处附加应力值不断减小，且在穿过泡沫混凝土层时应力降幅明显。

②测点深度的增加使得测点处动应力衰减系数减小，动应力值不断降低。级配碎石层及泡沫混凝土层均存在明显的耗能作用，且级配碎石层对动应力的耗散程度高于泡沫混凝土层，也高于A、B组填料层。

③泡沫混凝土作为整体浇筑填料，在上部动应力的作用下，未产生较大的塑性变形，变形主要由级配碎石层产生，因此荷载作用下泡沫混凝土路基结构具备良好的减力、耗能及抗变形性能。

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