高速鐵路泡沫輕質(zhì)混凝土路橋過渡段新結(jié)構(gòu)研究

尤星源 左澤豪 沈毅凱 周文 李雯婧

摘 要：根據(jù)路橋過渡段的一般處理原則，需要在過渡段較軟一側(cè)，增大路基基床豎向剛度，同時減輕過渡段自身荷載，以減小路基的沉降。本文通過室內(nèi)模型實驗，基于靜力指標分析泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于路橋過渡段的效果并進行評價，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用于工程實際前景廣泛，在提供剛度的同時，控制過渡段本身的沉降，達到非常理想的處理效果。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)混凝土；路橋過渡段；路基沉降

1 研究背景

由于路基與橋梁的工程特性差異極大，在其連結(jié)處極易產(chǎn)生諸如軌道剛度變化和軌面彎折變形等不平順問題。根據(jù)路橋過渡段的一般處理原則，需要在過渡段較軟一側(cè)，增大路基基床豎向剛度，同時減輕過渡段自身荷載，以減小路基的沉降。因此泡沫輕質(zhì)混凝土的各項特性非常符合過渡段處理的需求。由于泡沫輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)性、自立性、經(jīng)濟型等天然優(yōu)勢，可以在提供剛度的同時，控制過渡段本身的沉降，達到非常理想的處理效果。

2 泡沫輕質(zhì)混凝土的基礎(chǔ)性能研究

2.1 概述

泡沫輕質(zhì)土是“用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料”。從本質(zhì)上講，泡沫輕質(zhì)土也是一種加氣混凝土，它實際是加氣混凝土的一個特殊品種。

2.2 不同配合比下泡沫輕質(zhì)混凝土的力學性能

為了研究泡沫輕質(zhì)混凝土的材料力學性質(zhì)，需要分別探討泡沫輕質(zhì)混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、臨界動應(yīng)力、動彈性模量、阻尼特性等性能表現(xiàn)，因此通過無側(cè)限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、抗折試驗、動靜三軸試驗4種試驗手段，并統(tǒng)計整理測試所得數(shù)據(jù)，得到了下面的結(jié)論：

無加筋泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度、抗拉強度和抗折強度均隨著配合比目標密度增大而增大，當目標密度在600～800kg/m3范圍時，抗壓強度、抗拉強度和抗折強度快速增大，而當目標密度在800～1000kg/m3時，增速緩慢。

高速鐵路無砟軌道路基基床表層（厚度為0.4m）和底層（厚度為2.3m）靜應(yīng)力分別在50～65kPa和60～110kPa之間。當泡沫輕質(zhì)混凝土配合比密度達到500kg/m3后，其抗壓強度大于280kPa，說明在路基荷載環(huán)境下，泡沫輕質(zhì)混凝土層骨架不會產(chǎn)生破壞。在考慮高速鐵路無砟軌道路基動應(yīng)力設(shè)計值100kPa，安全系數(shù)為2.0條件下，當泡沫輕質(zhì)混凝土配合比濕密度達到600kg/m3后，泡沫輕質(zhì)混凝土臨界動應(yīng)力已滿足基床表層動應(yīng)力環(huán)境要求。

2.3 復合加筋泡沫輕質(zhì)混凝土的力學性能

當作用力大于靜強度或動強度時，泡沫輕質(zhì)混凝土呈現(xiàn)脆性破壞特征。因此，當泡沫輕質(zhì)混凝土材料應(yīng)用于受力比較特殊的區(qū)域，必須對泡沫輕質(zhì)混凝土進行改良。我們選取最為常見的玻璃纖維、碳纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維4種纖維作為復合摻料，進行試驗對比，得到如下結(jié)果：

無加筋泡沫輕質(zhì)混凝土與高強復合加筋輕質(zhì)混凝土可以在各自單獨的適用領(lǐng)域發(fā)揮各自的功效，但更多的是復合應(yīng)用，通過復合應(yīng)用達到最大程度發(fā)揮材料的功能，降低造價，體現(xiàn)其經(jīng)濟性。

3 室內(nèi)模型實驗

整理所需要的材料并對實驗設(shè)計進行規(guī)劃，采用靜力加載室內(nèi)模型試驗，通過所獲得的數(shù)據(jù)，包括土應(yīng)力以及路基水平變化，評價泡沫輕質(zhì)混凝土用于路橋過渡段的效果。

3.1 模型設(shè)計

鑒于本次模型試驗過程中各物理量間的函數(shù)關(guān)系不明確并且結(jié)構(gòu)和荷載條件較為復雜，針對不同的構(gòu)件（覆土、填料、加載），本次模型試驗采用量綱分析法或者方程分析法對模型進行相似關(guān)系設(shè)計。

一般來講，在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，模型比例n應(yīng)盡可能的小，易于滿足精度要求。參照高速鐵路設(shè)計規(guī)范，模型實際鋪設(shè)25cm高路基，使用成都黏土模擬壓實度，以及12cm高路堤，同樣使用成都黏土模擬壓實度，考慮到大模型箱的凈空尺寸并且同時預(yù)留一定的空間，綜合考慮之后，選取模型比例為n=50，于是采用100cm×60cm×60cm的模型箱，采用水玻璃封閉縫隙以模擬飽水狀態(tài)下不排水的邊界條件。

由于覆土和填料都屬于土體材料，可以作為同一種構(gòu)件來求解相似關(guān)系。

對于由量綱分析求得的相似關(guān)系式有7個，而未知量有9個，因此需要進一步分析。假設(shè)模型試驗采用原型材料，可解得相似常數(shù)如下：

因此，覆土和填料需采用原型材料，并且滿足上述相似比尺。

3.2 實驗準備

設(shè)計過渡段縱向坡度為1：2，填充泡沫輕質(zhì)混凝土，呈倒梯形。為方便測量壓力分布情況，將邊坡設(shè)計成樓梯形：

每層平臺設(shè)置兩個土壓力盒，共計8個，用以反映基床土壓力在縱向、橫向及深度方向上的變化情況。同時在中間級縱方向上共設(shè)置3個百分表用于測定軌道板沉降位移。

為了模擬鐵路線路實際情況，路堤上層用細度小于2.35的級配沙模擬一層級配碎石。

3.3 分級加載實驗過程

本次實驗以液壓千斤頂油壓表0.2刻度為一個加載等級進行加載。加載之前先加0.4刻度的預(yù)載，并持續(xù)一個小時，以保證試件與路基模型充分接觸。

加載試驗過程中要注意加載要平穩(wěn)連續(xù)，讀數(shù)要準確迅速，以防止液壓千斤頂?shù)男遁d效果。重復加載試驗三次，取平均結(jié)果作為實驗的最終結(jié)果。

同時，由于千斤頂?shù)谋肀P讀數(shù)為油壓p（單位MPa），因此需要將其轉(zhuǎn)化為實際荷載值。之前通過油壓標定，得出實際荷載值F（單位N）與油壓p的關(guān)系式為F=1466.3p-346.96。將F除以加載梁的面積，則可以得出作用于路基表層的實際應(yīng)力荷載P（kPa）。

通過對荷載模型進行靜力加載，記錄土壓力盒與百分表的讀數(shù)。土壓力盒與百分表分別記錄的是應(yīng)力和位移。因此，我們根據(jù)實驗結(jié)果，分析路橋過渡段荷載與應(yīng)力和位移的關(guān)系。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，作出試驗中荷載與7個壓力盒應(yīng)力的關(guān)系曲線，如下圖所示：

從關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn)，由于荷載很小且存在一定的誤差，故土壓力波動幅度較大；同時由于輕質(zhì)土路基的擴散作用，導致測試值比較小。

由于實驗記錄的是3個百分表在不同荷載下的讀數(shù)，因此需要將其轉(zhuǎn)化為位移的數(shù)據(jù)。各級加載后百分表讀數(shù)的變化代表著位移值，而不同的百分表位置則對應(yīng)距臺背的不同距離。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)如下表所示：

3.4 結(jié)果分析與工程建議

觀察分析所得的實驗數(shù)據(jù)，從位移與荷載關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）不管是過渡段還是路基，沉降值都隨著荷載的增長而增長。同時，沉降值與荷載值近似為線性關(guān)系。

（2）在同一級荷載下，距離臺背越遠，沉降越大。因為距離臺背較近的地方為過渡段，剛度相對較大；距離臺背較遠的地方為路基，剛度相對較小。因此這樣的結(jié)論與實際相符。

而從位移與距臺背距離關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）距離臺背1cm和35cm處的沉降值接近，而距臺背58cm處的沉降值明顯大于前兩者。前兩個距離處均位于過渡段處，相對剛度大，沉降小；第三個距離處位于路基處，相對剛度大小，沉降大。實驗結(jié)果與實際相符。

（2）沉降隨著與臺背距離的增大而增大，且隨著距離的增大，沉降增長的幅度變大。

綜上，在工程應(yīng)用實際中，本組可提出如下建議：

（1）過渡段和路基的沉降值隨著荷載增大而增大。為了控制路段沉降值，保證列車安全通過，設(shè)計路段和過渡段時，需要考慮所能承受的荷載值，保證在最大荷載下沉降不超限。

（2）過渡段和路基段由于剛度不同，在相同的荷載下沉降有所差異，從而在兩者交界處會產(chǎn)生沉降轉(zhuǎn)折角。為控制沉降轉(zhuǎn)折角，保證列車安全、平穩(wěn)地通過，需要盡量減小過渡段與路基的剛度差異，并改進過渡段結(jié)構(gòu)和施工工藝。

參考文獻

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[2]史炯.論結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁設(shè)計中的應(yīng)用[J].四川水泥，2015，（8）：267.

（作者單位：西南交通大學）