重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段長期服役性能試驗(yàn)研究

李泰灃 韓自力 張棟 陳鋒 李中國

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

重載鐵路路基容易發(fā)生路基開裂、下沉、翻漿冒泥及邊坡坍塌等病害。路基的破壞變形最終將導(dǎo)致軌道的變形破損，從而造成維修工作量加大，維修成本增加［1-2］，甚至危及鐵路行車安全。

我國在25～30 t軸重既有重載鐵路加固和新建鐵路技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)［3］。為了滿足“一帶一路”倡議需求，有必要開展35～40 t軸重下路基結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究與試驗(yàn)工作，提出適用于35～40 t軸重的路橋過渡段結(jié)構(gòu)，為完善我國重載鐵路路橋過渡段設(shè)計(jì)理念與方案提供理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)支撐。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土具有密度小、強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，用于鐵路路基填筑可大幅度地減輕施加于地下結(jié)構(gòu)物上的土壓力，使路基內(nèi)應(yīng)力更大范圍地均勻擴(kuò)散，減小作用于地下結(jié)構(gòu)物上的附加應(yīng)力［4］。采用泡沫輕質(zhì)土替代普通路基填料，可有效解決優(yōu)質(zhì)填料難以獲取、遠(yuǎn)運(yùn)成本較大、施工條件較為困難等問題，尤其適用于重載鐵路路橋過渡段填筑，對(duì)過渡段不易壓實(shí)和不均勻沉降等問題是較好的解決方案。

中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所于2016年研發(fā)了適用于35～40 t軸重的重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)［5-6］，并于2018年應(yīng)用在美國交通技術(shù)中心（Transportation Technology Center Inc.，TTCI）的加速試驗(yàn)線（FAST）大運(yùn)量環(huán)線（High Tonnage Loop，HTL）上。大運(yùn)量環(huán)線2018年9月—2020年10月底累計(jì)通過總質(zhì)量達(dá)到3.25×108t。本文結(jié)合現(xiàn)場觀測(cè)、長期監(jiān)測(cè)等，對(duì)重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段的耐久性和長期服役性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況

鐵道建筑研究所于2018年在TTCI的加速試驗(yàn)線大運(yùn)量環(huán)線上，鋪設(shè)了一段長度20 m的泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段重載試驗(yàn)段。具體位置位于大運(yùn)量環(huán)線東鐵橋的西過渡段附近，如圖1所示。

圖1 TTCI大運(yùn)量環(huán)線試驗(yàn)段

主要試驗(yàn)內(nèi)容包括：①建造現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土重載鐵路路橋過渡段，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；②對(duì)其變形進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)，驗(yàn)證其整體服役性能；③當(dāng)通過總質(zhì)量達(dá)到3.25×108t后，對(duì)泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段進(jìn)行開挖，觀測(cè)輕質(zhì)土表面裂縫發(fā)展情況，評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)完整性；④通過鉆芯取樣，獲得泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部劣化趨勢(shì)，驗(yàn)證其長期服役性能；⑤通過長期服役性能測(cè)試，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、施工方法提出改進(jìn)建議。

2 泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段設(shè)計(jì)施工

2.1 路橋過渡段設(shè)計(jì)

泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段主體結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土構(gòu)成，總共分為三個(gè)臺(tái)階，單層臺(tái)階高為0.8 m。泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段結(jié)構(gòu)整體采用復(fù)合土工膜全包裹的形式，并在泡沫輕質(zhì)土頂面設(shè)置砂墊層。距泡沫輕質(zhì)土頂部0.1 m處設(shè)置金屬網(wǎng)。過渡段每隔10 m左右及厚度變化處設(shè)置沉降縫，縫寬2 cm，深0.2 m。泡沫輕質(zhì)土性能指標(biāo)［8］見表1，過渡段具體結(jié)構(gòu)形式見圖2。

表1 泡沫輕質(zhì)土性能指標(biāo)

圖2 泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段結(jié)構(gòu)形式

2.2 路橋過渡段施工

泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段主要施工材料包括現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土、砂漿、復(fù)合土工膜、鋼絲網(wǎng)、沉降縫嵌縫材料、路基填土、砂、底砟（級(jí)配碎石）、道砟等。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段施工，通過澆筑10 cm厚的砂漿保護(hù)層，找平并保護(hù)輕質(zhì)土底面。這項(xiàng)工作于2018年7月10日完成。砂漿材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度約為13.8 MPa。在底層復(fù)合土工膜鋪設(shè)完成后，可對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行澆筑。為了減少直角處可能導(dǎo)致的后期破壞，將原有直角臺(tái)階設(shè)置優(yōu)化為45°斜角，并將整個(gè)澆筑過程分為五次，如圖3所示。

圖3 泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段施工

第1次澆筑于2018年7月11日開始，第5次澆筑于2018年7月19日結(jié)束。最終的輕質(zhì)土材料符合濕密度和28 d強(qiáng)度要求（圖4）。固化完成后，對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行鉆芯取樣，以檢查整體質(zhì)量和其他存在的問題。結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，施工質(zhì)量良好（圖5）。

圖4 抗壓強(qiáng)度變化

圖5 輕質(zhì)土施工最終狀況

通過現(xiàn)場澆筑可以發(fā)現(xiàn)，由于泡沫輕質(zhì)土初始固化過程中釋放熱量較多，會(huì)導(dǎo)致空洞、離縫進(jìn)而影響澆筑后的整體強(qiáng)度，因此須嚴(yán)格控制單次澆筑時(shí)間及厚度。每次澆筑泡沫輕質(zhì)土?xí)r間應(yīng)控制在1 h內(nèi)，以便有利于泡沫輕質(zhì)土的固化。澆筑后第二天，應(yīng)檢查泡沫輕質(zhì)土表面的材料及其黏結(jié)情況。

3 泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段監(jiān)測(cè)結(jié)果

長期服役性能觀測(cè)從2018年秋季一直持續(xù)到2020年秋季，大運(yùn)量環(huán)線累計(jì)通過總質(zhì)量達(dá)到3.25×108t。大運(yùn)量環(huán)線上運(yùn)行的列車編組為三節(jié)北美標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)車牽引100輛標(biāo)稱143 t的重載車（軸重35.4 t）和10輛標(biāo)稱130 t的重載車（軸重32.7 t），最大運(yùn)行速度64 km∕h。重載列車在每年2月至5月期間，每周運(yùn)行4晚（每晚累計(jì)超過2×106t），然后在9月至11月再次運(yùn)行。

3.1 測(cè)量參數(shù)

監(jiān)測(cè)參數(shù)有軌道頂面高程、沉降標(biāo)高程、軌道剛度等。軌道頂面高程測(cè)量的目的是獲得輕質(zhì)土路橋過渡段范圍內(nèi)軌道沿縱向的變形規(guī)律，該測(cè)量值包括軌枕、道砟、底砟（級(jí)配碎石）、砂墊層、泡沫輕質(zhì)土和基底的總沉降。

沉降標(biāo)被放置在不同結(jié)構(gòu)層表面上，在六個(gè)測(cè)試斷面（表2）處各分為三個(gè)測(cè)試面：輕質(zhì)土底面、輕質(zhì)土表面和級(jí)配碎石表面。

表2 六組沉降標(biāo)具體埋設(shè)位置

軌道頂面高程和沉降標(biāo)測(cè)量點(diǎn)所處橫向位置不同，故二者觀測(cè)值存在一定差異。

3.2 沉降標(biāo)觀測(cè)

沉降標(biāo)與軌道頂面高程觀測(cè)具有相同觀測(cè)周期，可以比較并獲得各結(jié)構(gòu)層沉降的發(fā)展趨勢(shì)。33#軌枕處（測(cè)試斷面5，距橋臺(tái)水平距離16.2 m，單臺(tái)階）結(jié)構(gòu)層沉降隨通過總質(zhì)量的變化規(guī)律見圖6。

圖6 33#軌枕處（距橋臺(tái)16.2 m）三個(gè)沉降標(biāo)觀測(cè)結(jié)果

由圖6可知：輕質(zhì)土基底幾乎沒有沉降，與預(yù)期一致；泡沫輕質(zhì)土表面在最初的5×106t中，初始沉降約為4～5 mm，之后幾乎沒有沉降發(fā)展。

當(dāng)通過總質(zhì)量達(dá)到3.25×108t后，六個(gè)測(cè)試斷面各結(jié)構(gòu)層的最終沉降見表3。可知：各測(cè)試斷面相同結(jié)構(gòu)層的測(cè)試結(jié)果基本一致。距離橋臺(tái)水平距離10.4 m位置處較低的沉降是由于設(shè)置沉降縫導(dǎo)致的。

表3 各結(jié)構(gòu)層表面沉降

3.3 分層沉降數(shù)據(jù)分析

根據(jù)軌道頂面高程和沉降標(biāo)的數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出各結(jié)構(gòu)層的沉降。整個(gè)運(yùn)量考核試驗(yàn)完成時(shí)和通過總質(zhì)量4×107t后各結(jié)構(gòu)層平均沉降見表4。可知：大部分沉降發(fā)生在道砟層，其次是底砟（級(jí)配碎石）層；約75%～80%發(fā)生在輕質(zhì)土上方的各顆粒層中，泡沫輕質(zhì)土自身沉降較小。

表4 各結(jié)構(gòu)層分層沉降

雖然輕質(zhì)土表面存在一些初始沉降，但在4×107t后，該沉降可忽略不計(jì)。路基基底未發(fā)生明顯沉降，表明泡沫輕質(zhì)土整體服役性能良好。

4 泡沫輕質(zhì)土長期性能分析

為了對(duì)泡沫輕質(zhì)土長期服役性能進(jìn)行更深入的研究，在累計(jì)通過總質(zhì)量3.25×108t后，于2020年夏季對(duì)泡沫輕質(zhì)土上覆結(jié)構(gòu)進(jìn)行移除和開挖，并對(duì)其表面進(jìn)行人工觀測(cè)。

4.1 輕質(zhì)土沉降分析

通過分層沉降（沉降標(biāo)）觀測(cè)，可計(jì)算得出輕質(zhì)土自身的沉降。各測(cè)試斷面處輕質(zhì)土表面沉降隨通過總質(zhì)量的變化規(guī)律見圖7?？芍?，大部分沉降發(fā)生在最初的通過總質(zhì)量1×107t，然后是相對(duì)平穩(wěn)的沉降發(fā)展階段，表明輕質(zhì)土具有較好的長期穩(wěn)定性。

圖7 泡沫輕質(zhì)土表面各測(cè)點(diǎn)沉降情況

4.2 輕質(zhì)土表面狀況

從2020年6月30日至7月1日，對(duì)輕質(zhì)土上方的砂、底砟（級(jí)配碎石）和道砟進(jìn)行了開挖移除；揭除復(fù)合土工膜后可以發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)土表面仍具有較好的完整性，與大運(yùn)量試驗(yàn)前的狀態(tài)相比無明顯劣化。開挖移除后的輕質(zhì)土表面?zhèn)麚p情況見圖8。輕質(zhì)土表面輕微刻痕和凹痕是由于機(jī)械開挖導(dǎo)致的，其整體完整性并未受到影響；沉降標(biāo)附近存在部分裂縫，是由于埋設(shè)標(biāo)桿應(yīng)力集中所致。

圖8 通過總質(zhì)量3.25×108 t后輕質(zhì)土表面?zhèn)麚p

4.3 輕質(zhì)土表面縱向高程變化

對(duì)輕質(zhì)土表面縱向高程進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)位于軌枕的內(nèi)、外側(cè)下方，每三根軌枕測(cè)量一次，即軌道頂面高程測(cè)點(diǎn)的正下方。

測(cè)量結(jié)果表明內(nèi)、外軌下方的高程趨勢(shì)相似，凹陷發(fā)生在距橋臺(tái)水平距離4～8 m以及12～18 m處，凸起發(fā)生在距橋臺(tái)水平距離8～12 m處。

通過總質(zhì)量3.25×108t后不同比例尺條件下輕質(zhì)土表面高程測(cè)量和沉降標(biāo)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比見圖9?？芍?，輕質(zhì)土表面縱向變形規(guī)律較為一致，不均勻沉降隨著埋深的增大而減小。

圖9 輕質(zhì)土表面高程與沉降標(biāo)觀測(cè)對(duì)比

4.4 輕質(zhì)土表面橫向高程變化

對(duì)距橋臺(tái)水平距離1.7、8.5、14.3 m三個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的橫向高程進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)測(cè)試斷面有21次個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置如圖10所示。

圖10 輕質(zhì)土表面橫向高程測(cè)量

輕質(zhì)土表面橫向高程變化見圖11。紫色豎直虛線對(duì)應(yīng)鋼軌下方，黑色豎直虛線對(duì)應(yīng)軌枕末端?？芍喝齻€(gè)測(cè)試斷面處均顯示出相似的特征，距軌道中心-1.6～1.6 m內(nèi)表面橫向高程變化較小，軌枕外側(cè)略微向下傾斜，這與輕質(zhì)土表面排水坡設(shè)置有關(guān)。

圖11 輕質(zhì)土表面高程橫向變化

4.5 輕質(zhì)土鉆芯取樣和底面情況

從不同測(cè)試斷面（不同臺(tái)階）處，進(jìn)行鉆芯取樣：①距橋臺(tái)水平距離1.7 m處1.2 m深鉆芯；②距橋臺(tái)水平距離8.5 m處0.9 m深鉆芯；③距橋臺(tái)水平距離14.3 m處0.6 m深鉆芯。不同位置處鉆芯取樣的情況見圖12。可知，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部不存在任何損壞或劣化跡象，其整體狀況良好。

圖12 不同位置處鉆芯取樣情況

5 結(jié)論

1）泡沫輕質(zhì)土可安全應(yīng)用于重載鐵路路橋過渡段，施工過程中應(yīng)確保原材料選型、規(guī)格和施工工藝滿足設(shè)計(jì)要求。

2）泡沫輕質(zhì)土在累計(jì)通過總質(zhì)量達(dá)到3.25×108t后，約65%～75%的沉降發(fā)生在前4×107t，約50%的沉降發(fā)生在道砟層中，其余發(fā)生在底砟（級(jí)配碎石）和砂墊層中。輕質(zhì)土底面沉降約為0.5 mm，泡沫輕質(zhì)土平均沉降約4.0 mm。后續(xù)通過總質(zhì)量增加對(duì)各結(jié)構(gòu)層沉降無明顯影響。

3）泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段表面不存在明顯裂縫發(fā)展趨勢(shì)；鉆芯取樣表明泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部狀況良好，沒有損壞或劣化跡象。

4）泡沫輕質(zhì)土路橋過渡段在大運(yùn)量試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，其長期服役性能較好。