路基注漿對(duì)高速鐵路軌道-路基體系動(dòng)力特性的影響

邊學(xué)成， 李書(shū)豪， 萬(wàn)章博， 陳云敏

(1. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，杭州 310058； 2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058)

無(wú)砟軌道因其結(jié)構(gòu)剛度大、平順性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外高速鐵路[1-2]。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、CA砂漿層、混凝土底座板、基床表層、基床底層和地基土等組成；路基中的基床表層作為支撐上部軌道結(jié)構(gòu)的級(jí)配碎石壓實(shí)層，直接承受由軌道結(jié)構(gòu)傳來(lái)的列車(chē)循環(huán)荷載，并將產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散至下部土體[3-4]。在強(qiáng)降雨等極端天氣與密集列車(chē)運(yùn)行荷載的共同作用下，翻漿冒泥成為近年來(lái)無(wú)砟軌道路基的典型病害，因軌道結(jié)構(gòu)形式、水分遷移方式等差異而有別于傳統(tǒng)有砟軌道或公路路基的翻漿冒泥[5-7]。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)無(wú)砟軌道翻漿冒泥主要發(fā)生在兩塊相鄰底座板的伸縮縫附近，這是因?yàn)榱熊?chē)經(jīng)過(guò)時(shí)底座板端部的振動(dòng)強(qiáng)度明顯大于底座板中間區(qū)域的振動(dòng)強(qiáng)度，該差異變形導(dǎo)致伸縮縫處的防水材料疲勞老化，甚至開(kāi)裂，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，雨水通過(guò)縫隙進(jìn)入基床表層，而基床表層上覆混凝土封閉層導(dǎo)致入滲雨水不能及時(shí)排出，隨著降雨不斷入滲，基床表層逐漸飽和，在大周次列車(chē)循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生翻漿冒泥?，F(xiàn)場(chǎng)翻漿冒泥嚴(yán)重處相鄰底座板產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，大量細(xì)顆粒從伸縮縫和底座板側(cè)邊翻冒出來(lái)，如圖1所示，土顆粒流失后導(dǎo)致道床脫空，影響列車(chē)安全運(yùn)行。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)翻漿冒泥病害圖Fig.1 In-situ mud pumping disease

翻漿冒泥問(wèn)題日益得到關(guān)注和研究，Alobaidi等[8-9]建立了路基土-粗顆粒的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，認(rèn)為翻漿冒泥由循環(huán)荷載與粗細(xì)顆粒交界面滯留水共同作用產(chǎn)生。Duong等[10-11]發(fā)現(xiàn)有砟軌道中細(xì)顆粒向道床的運(yùn)移與超靜孔隙水壓力的消散有關(guān)。冷伍明等[12]對(duì)比研究了30組翻漿冒泥工程實(shí)例，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量較高、飽和度較大、滲透系數(shù)較低的土容易發(fā)生翻漿冒泥。無(wú)砟軌道路基發(fā)生翻漿冒泥后，由于大量細(xì)顆粒翻冒出來(lái)，底座板下方產(chǎn)生局部脫空，勢(shì)必會(huì)加劇列車(chē)通過(guò)時(shí)的振動(dòng)，進(jìn)而影響列車(chē)運(yùn)行的舒適性甚至危及安全[13-14]。蔡小培等[15]基于ABAQUS有限元軟件建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，發(fā)現(xiàn)輪軌反復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生周期性“拍打”現(xiàn)象。任娟娟等[16]建立了車(chē)輛-軌道-路基垂向耦合振動(dòng)模型，發(fā)現(xiàn)軌道脫空引起的動(dòng)態(tài)不平順對(duì)車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)起主導(dǎo)作用，車(chē)輛和軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)隨縱向脫空長(zhǎng)度的增大迅速增大。張文超等[17]的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明基床翻漿會(huì)加劇軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，且振動(dòng)放大效應(yīng)隨車(chē)速的提高而增大。孫立等[18]通過(guò)無(wú)砟軌道-路基大比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)翻漿后振動(dòng)響應(yīng)從底座板傳遞至基床表層的衰減梯度增大。已有試驗(yàn)觀測(cè)和研究有助于加深對(duì)翻漿冒泥機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而如何有效治理是另一個(gè)重要方面。

高聚物注漿作為一種有潛力的路基性能修復(fù)新技術(shù)，已經(jīng)在高速鐵路得到了初步的應(yīng)用[19]，潘振華[20]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)注漿后底座板的動(dòng)位移幅值由3 mm降低至0.1 mm，高速狀態(tài)下列車(chē)的平穩(wěn)性得到改善；邊學(xué)成等[21]通過(guò)全比尺高速鐵路無(wú)砟軌道路基模型試驗(yàn)驗(yàn)證了注漿抬升修復(fù)無(wú)砟軌道路基沉降的可行性，結(jié)果表明修復(fù)后軌道-路基系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性及耐久性滿足無(wú)砟軌道路基的技術(shù)要求。郭春梅等[22]建立了無(wú)砟軌道-路基大比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)翻漿后的基床表層進(jìn)行注漿加固，研究發(fā)現(xiàn)注漿后底座板的振動(dòng)響應(yīng)降低，注漿材料能夠有效填充底座板與基床表層之間空隙。劉亭等[23]針對(duì)無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)翻漿點(diǎn)，分別在注漿修復(fù)前后進(jìn)行行車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)注漿后軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度大幅減小。

前期的研究和初步應(yīng)用表明采用高聚物注漿來(lái)修復(fù)高速鐵路路基病害是可行的，但是如何保持修復(fù)后軌道-路基體系的動(dòng)力學(xué)特性是其中的一個(gè)關(guān)鍵難題。本文基于全比尺無(wú)砟軌道路基模型試驗(yàn)，重現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行荷載下路基的翻漿冒泥現(xiàn)象，測(cè)定了路基翻漿冒泥和注漿修復(fù)對(duì)軌道-路基動(dòng)力學(xué)特性的影響，并建立三維軌道-路基有限元數(shù)值模型，分析了注漿填充體彈性模量和注漿范圍對(duì)軌道振動(dòng)的影響規(guī)律，從而為無(wú)砟軌道路基翻漿冒泥對(duì)軌道振動(dòng)影響的評(píng)估和注漿治理關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 高速鐵路路基翻漿冒泥及治理模型試驗(yàn)

高速鐵路路基翻漿冒泥重現(xiàn)和治理試驗(yàn)在浙江大學(xué)研制的全比尺高速鐵路路基試驗(yàn)裝置上實(shí)施，模型箱的平面尺寸為15 m×5 m，高6 m，可在內(nèi)部建立實(shí)際尺寸的高鐵無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和路基模型[24]。由于無(wú)砟軌道路基翻漿冒泥主要發(fā)生在相鄰底座板的伸縮縫附近，為重現(xiàn)翻漿冒泥并準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，試驗(yàn)中將伸縮縫設(shè)置在模型中間對(duì)稱位置。實(shí)驗(yàn)室中使用與鐵路現(xiàn)場(chǎng)路基填土相同級(jí)配的土樣用于填筑路基，保證試驗(yàn)條件和現(xiàn)場(chǎng)一致(如圖2所示)，可以看到現(xiàn)場(chǎng)基床表層土的級(jí)配曲線貼近規(guī)范規(guī)定的級(jí)配上限，說(shuō)明土中細(xì)顆粒含量較多。其余結(jié)構(gòu)均按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求搭建完成，如圖3所示。

圖2 基床表層級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of roadbed

圖3 全比尺高鐵無(wú)砟軌道路基模型Fig.3 Full-scale model of ballastless track-subgrade for high-speed railway

試驗(yàn)中通過(guò)精確控制激振器陣列的加載相位差實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行速度的列車(chē)移動(dòng)荷載加載，列車(chē)運(yùn)行速度可達(dá)360 km/h[25]。試驗(yàn)中傳感器的布置如圖4所示，激光位移傳感器D1～D3設(shè)置在東側(cè)底座板上，速度傳感器V1～V4設(shè)置在伸縮縫斷面處，其中V1設(shè)置在基床表層表面，V2、V3、V4分別設(shè)置在底座板側(cè)邊、軌道板側(cè)邊、軌道板中間，可對(duì)伸縮縫斷面處軌道-路基結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

圖4 傳感器布置圖Fig.4 Layout of sensor installation

為模擬自然界的降雨過(guò)程，在軌道結(jié)構(gòu)周?chē)钤O(shè)輔助的降雨模擬裝置，如圖5(a)所示，通過(guò)不間斷注水來(lái)模擬高強(qiáng)度降雨對(duì)路基水分的補(bǔ)充過(guò)程。埋設(shè)于基床表層的TDR-1和TDR-2用于測(cè)量注水過(guò)程中基床表層的含水量變化情況，當(dāng)基床表層含水量接近飽和含水量并保持穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明基床表層達(dá)到飽和狀態(tài)，如圖5(b)所示，然后開(kāi)展大周次循環(huán)加載試驗(yàn)重現(xiàn)翻漿冒泥，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展高聚物注漿修復(fù)路基翻漿冒泥的試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)中路基表面模擬降雨Fig.5 Rainfall on roadbed surface in the testing

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 翻漿冒泥試驗(yàn)

翻漿冒泥重現(xiàn)試驗(yàn)中模擬軸重為17 t、車(chē)速為252 km/h的列車(chē)移動(dòng)荷載。定義一節(jié)車(chē)廂經(jīng)過(guò)軌道板一次為循環(huán)加載一次。當(dāng)加載至1萬(wàn)次時(shí)，伸縮縫附近的路基開(kāi)始產(chǎn)生翻漿冒泥，一些細(xì)顆粒逐漸噴出，底座板下方出現(xiàn)輕微脫空，隨著加載次數(shù)的增加，路基翻漿冒泥現(xiàn)象更為明顯，不少粗顆粒也翻冒出來(lái)，底座板下方脫空現(xiàn)象加劇，如圖6所示。

圖6 翻漿冒泥重現(xiàn)試驗(yàn)Fig.6 Mud pumping reproducibility test

正常路基和路基產(chǎn)生翻漿冒泥后的軌道板上V3觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，如圖7所示，軌道板向下振動(dòng)時(shí)數(shù)值為正，振動(dòng)速度幅值定義為振動(dòng)速度的最大峰值。后文若無(wú)特殊說(shuō)明，均以V3觀測(cè)點(diǎn)表示軌道板的振動(dòng)。在180 km/h車(chē)速下，正常路基和路基產(chǎn)生翻漿冒泥后軌道板的振動(dòng)速度幅值分別為10.70 mm/s，57.58 mm/s，翻漿后振動(dòng)幅值放大了4.38倍；在360 km/h車(chē)速下，正常路基和路基產(chǎn)生翻漿冒泥后軌道板的振動(dòng)速度幅值分別為29.40 mm/s，76.50 mm/s，翻漿后振動(dòng)幅值增大了1.60倍。高速和低速列車(chē)荷載作用下翻漿冒泥后軌道板的振動(dòng)速度均有較大程度的放大，這是因?yàn)榉瓭{冒泥后路基剛度弱化，路基的支撐作用減弱，同時(shí)由于伸縮縫處底座板下方產(chǎn)生局部脫空，在列車(chē)荷載的作用下，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)更加劇烈。

圖7 路基翻漿前后軌道板振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curves of vibration velocity at track slab before and after mud pumping

圖8給出了正常路基和路基產(chǎn)生翻漿冒泥后軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度幅值隨車(chē)速的測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)正常路基下軌道各結(jié)構(gòu)層的振動(dòng)速度比較接近，振動(dòng)速度幅值均隨著車(chē)速的增大而增大。當(dāng)車(chē)速由36 km/h增大至360 km/h時(shí)，軌道板的振動(dòng)速度幅值由1.78 mm/s增大至29.40 mm/s，車(chē)速每提高36 km/h，振動(dòng)幅值增大3.07 mm/s。路基產(chǎn)生翻漿冒泥后軌道板和底座板的振動(dòng)明顯加劇，當(dāng)車(chē)速由36 km/h增大至108 km/h時(shí)，軌道板的振動(dòng)速度幅值快速增大，由23.21 mm/s增大至65.69 mm/s；當(dāng)車(chē)速由108 km/h增大至360 km/h時(shí)，振動(dòng)幅值增大放緩，增大至76.50 mm/s?？梢?jiàn)當(dāng)路基發(fā)生嚴(yán)重翻漿冒泥后，列車(chē)低速通過(guò)時(shí)軌道板振動(dòng)也明顯加劇，而列車(chē)高速運(yùn)行產(chǎn)生的軌道板振動(dòng)達(dá)到正常路基上軌道板振動(dòng)的2.60倍。

圖8 路基翻漿前后軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度幅值隨車(chē)速的變化Fig.8 Variation of track structure vibration velocity amplitudes with train speeds before and after mud pumping

2.2 注漿修復(fù)試驗(yàn)

圖9給出了分層注漿修復(fù)技術(shù)對(duì)翻漿冒泥病害區(qū)的治理過(guò)程，其主要施工工藝如下：在底座板表面及底座板側(cè)縫處鉆孔并安裝注漿管，通過(guò)注漿機(jī)將雙組份漿液高壓混合灌入注漿管中，然后通過(guò)壓力注漿的形式將漿液注入內(nèi)部基床級(jí)配碎石層，混合后的漿液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生微膨脹力和膠結(jié)作用，對(duì)病害區(qū)土體進(jìn)行有效地填充、擠密，排出路基內(nèi)部滯留的自由水，并通過(guò)與級(jí)配碎石的膠結(jié)提高基床表層剛度。試驗(yàn)選用的注漿材料為雙組份微發(fā)泡非水反應(yīng)聚氨酯，其主要特點(diǎn)有：①黏度小，能有效滲透擴(kuò)散到路基中；②微發(fā)泡帶有微膨脹力，可擠密土體；③對(duì)水不敏感，遇水能夠保持高密度和抗壓強(qiáng)度。

圖9 注漿修復(fù)示意圖Fig.9 Sketch of the injection remediation

注漿修復(fù)后在軌道上施加列車(chē)運(yùn)行荷載，測(cè)得軌道板的振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖10所示。在180 km/h車(chē)速下，路基產(chǎn)生翻漿冒泥和注漿修復(fù)后軌道板的振動(dòng)速度幅值分別為57.58 mm/s，18.64 mm/s，注漿后振動(dòng)幅值降低了67.63%，基本恢復(fù)到正常路基時(shí)的振動(dòng)水平；在360 km/h車(chē)速下，路基產(chǎn)生翻漿冒泥和注漿修復(fù)后軌道板的振動(dòng)速度幅值分別為76.50 mm/s，63.80 mm/s，注漿后振動(dòng)幅值降低了16.60%。高速和低速列車(chē)荷載作用下注漿修復(fù)后軌道板的振動(dòng)速度均有一定程度的降低，這是因?yàn)樽{材料和級(jí)配碎石的膠結(jié)提高了路基剛度，路基的支撐作用得到恢復(fù)，同時(shí)底座板和基床表層之間的脫空區(qū)域被注漿材料填充，路基對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的約束作用加強(qiáng)，能夠有效降低軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，改善列車(chē)運(yùn)行條件下軌道-路基的動(dòng)力學(xué)特性。

圖10 注漿前后軌道板振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.10 Time-history curves of vibration velocity at track slab before and after remediation of mud pumping

為確定翻漿冒泥及注漿修復(fù)后路基的剛度變化，測(cè)定了正常路基、翻漿冒泥后、注漿修復(fù)后三種工況下路基的荷載-變形曲線，如圖11(a)所示。試驗(yàn)中通過(guò)激振器對(duì)軌道結(jié)構(gòu)逐級(jí)加載，荷載范圍為5～50 kN，每級(jí)5 kN，加載曲線如圖11(b)所示。通過(guò)安裝在底座板上的位移傳感器(D1～D3)記錄加載過(guò)程中路基的豎向變形，選取荷載分別為5 kN和50 kN時(shí)D1～D3測(cè)點(diǎn)的平均豎向位移計(jì)算路基靜剛度。計(jì)算得到三種工況下路基的靜剛度分別為121.5 kN/mm，61.3 kN/mm，105.1 kN/mm，可見(jiàn)路基產(chǎn)生翻漿冒泥后靜剛度降低達(dá)50%，而注漿加固后基本恢復(fù)原來(lái)的路基剛度。圖12給出了翻漿冒泥及注漿修復(fù)后軌道板的振動(dòng)速度幅值隨車(chē)速的變化，為了對(duì)比起見(jiàn)，圖12中給出了正常路基下的測(cè)試結(jié)果，可以看到，翻漿冒泥后軌道板的振動(dòng)速度激增，注漿修復(fù)后軌道板的振動(dòng)速度明顯降低。

圖11 路基靜剛度測(cè)試Fig.11 Roadbed stiffness test

圖12 注漿前后軌道板振動(dòng)速度幅值隨車(chē)速的變化Fig.12 Variation of track slab vibration velocity amplitudes with train speeds before and after remediation of mud pumping

將該注漿治理技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際高速鐵路的翻漿冒泥病害治理。在現(xiàn)場(chǎng)注漿修復(fù)前和注漿修復(fù)后12 h測(cè)定了列車(chē)車(chē)速為268 km/h時(shí)軌道板的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，如圖13所示。由于現(xiàn)場(chǎng)區(qū)段翻漿冒泥較為嚴(yán)重，軌道下方產(chǎn)生較大范圍的脫空，現(xiàn)場(chǎng)列車(chē)通過(guò)時(shí)測(cè)試得到的軌道板振動(dòng)速度較模型試驗(yàn)結(jié)果更大，幅值達(dá)289.28 mm/s，經(jīng)過(guò)注漿治理后軌道板的振動(dòng)速度幅值降低至165.83 mm/s，降低達(dá)42.7%，注漿治理效果明顯，說(shuō)明該注漿修復(fù)技術(shù)具有良好的實(shí)用性和有效性。在現(xiàn)場(chǎng)注漿完成后，采用硅酮封閉相鄰底座板的伸縮縫及底座板側(cè)縫，避免雨水再次入滲路基。

圖13 注漿前后軌道板振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.13 Time-history curves of vibration acceleration at track slab before and after remediation of mud pumping

3 注漿填充體模量和注漿范圍的參數(shù)分析

為進(jìn)一步分析注漿填充體彈性模量和注漿范圍對(duì)軌道-路基體系動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，優(yōu)化翻漿冒泥治理的控制參數(shù)，本文建立了車(chē)輛-軌道-路基三維有限元模型，引入了翻漿冒泥引起的軌道與路基間脫空分布，分析路基注漿對(duì)軌道振動(dòng)的影響。

3.1 有限元模型的建立

車(chē)輛-軌道-路基三維有限元模型由上至下分別為車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、車(chē)輪、鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道結(jié)構(gòu)和路基。模型沿列車(chē)行駛方向的長(zhǎng)度為40 m，寬度為13.1 m?？紤]到路基結(jié)構(gòu)和列車(chē)荷載具有對(duì)稱性，建立半結(jié)構(gòu)模型。分析模型中列車(chē)車(chē)體是由車(chē)廂、轉(zhuǎn)向架和車(chē)輪組合而成的10自由度體系，如圖14(a)所示，列車(chē)參數(shù)如表1所示[26]。輪軌之間采用赫茲接觸模型[27]。連接鋼軌和軌道板的扣件采用彈簧阻尼系統(tǒng)來(lái)模擬，根據(jù)參考文獻(xiàn)[28]確定剛度取值3.0×107N/m，阻尼取值2.385×104N·s/m；軌道結(jié)構(gòu)模型如圖14(b)所示，模型在側(cè)邊采取水平向運(yùn)動(dòng)固定、豎向運(yùn)動(dòng)自由的邊界條件，而底部采取完全固定的邊界約束，根據(jù)程翀的研究確定軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。

表2 有限元模型的軌道路基結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of the track structure and substructure in finite element model

圖14 車(chē)輛-軌道-路基三維有限元模型Fig.14 Vehicle-track-subgrade 3D finite element model

模型試驗(yàn)完成后，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸，通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到軌道下方脫空區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和高度，發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)域的寬度基本等于座板寬度，與此對(duì)應(yīng)的有限元分析模型中脫空區(qū)域尺寸取為長(zhǎng)2 520 mm，寬3 000 mm，高1.3 mm。在三維有限元模型中引入一定范圍的混凝土底座板與路基表面的脫空區(qū)域，通過(guò)在脫空區(qū)域內(nèi)路基上表面和混凝土底座板的底面設(shè)置接觸面，來(lái)模擬列車(chē)荷載經(jīng)過(guò)時(shí)混凝土底座板與路基面的接觸狀況，也即假設(shè)接觸面在垂向?yàn)閯傂越佑|來(lái)傳遞完全的接觸壓力，而當(dāng)接觸面之間的接觸壓力小于或等于0時(shí)，兩個(gè)接觸面分離開(kāi)來(lái)，處于脫空狀態(tài)。

3.2 模型驗(yàn)證

圖15對(duì)比了數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)得到的軌道板振動(dòng)速度幅值隨列車(chē)車(chē)速的變化，分別考慮了正常路基和路基產(chǎn)生翻漿冒泥后兩種狀態(tài)?？梢钥吹?，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且圖形走勢(shì)基本一致，表明采用本文方法建立的車(chē)輛-軌道-路基三維有限元模型是可靠的。

圖15 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證Fig.15 Comparison of numerical calculation and model test

3.3 注漿填充體參數(shù)優(yōu)化分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注漿材料能夠通過(guò)填充底座板和基床表層之間的脫空區(qū)域，形成注漿填充體，有效降低軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，但振動(dòng)降低程度依賴于注漿填充體與軌道-路基剛度的匹配程度。在180 km/h和360 km/h車(chē)速下，軌道板振動(dòng)速度幅值隨注漿填充體彈性模量的變化曲線，如圖16所示。當(dāng)注漿填充體的彈性模量低于1×103Pa時(shí)，注漿填充體由于剛度太低不能發(fā)揮作用，軌道板振動(dòng)速度幅值接近翻漿冒泥時(shí)的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)彈性模量超過(guò)1×103Pa時(shí)，注漿填充體逐漸發(fā)揮作用，軌道板振動(dòng)速度幅值隨著注漿體模量的增加迅速降低。當(dāng)彈性模量增大至1×106Pa時(shí)，在180 km/h車(chē)速下，軌道板振動(dòng)速度幅值由52.30 mm/s降低至12.79 mm/s，振動(dòng)降低了75.54%，接近正常路基的測(cè)試結(jié)果10.70 mm/s；在360 km/h車(chē)速下，軌道板振動(dòng)速度幅值由84.03 mm/s降低至29.13 mm/s，振動(dòng)降低了65.33%，也接近正常路基的測(cè)試結(jié)果29.40 mm/s，說(shuō)明此時(shí)注漿體能夠有效填充底座板下方脫空區(qū)域。當(dāng)彈性模量繼續(xù)增大超過(guò)1×106Pa時(shí)，軌道板振動(dòng)速度的降低已不明顯。因此，注漿修復(fù)施工中注漿形成的填充體彈性模量需介于5×104～1×106Pa。前期現(xiàn)場(chǎng)治理的注漿填充體模量約為7×104Pa，已取得較好的治理效果。

圖16 軌道板振動(dòng)速度幅值隨注漿填充體彈性模量的變化Fig.16 Variation of track slab vibration velocity amplitudes with elastic modulus of injection filler

隨著降雨入滲，基床表層在大周次列車(chē)循環(huán)荷載作用下容易產(chǎn)生翻漿冒泥，若未及時(shí)處理，翻漿冒泥病害區(qū)會(huì)逐漸發(fā)展擴(kuò)大，對(duì)列車(chē)安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而不同長(zhǎng)度的翻漿冒泥病害區(qū)在注漿修復(fù)后對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響不同。在180 km/h和360 km/h車(chē)速下，軌道板振動(dòng)速度幅值隨注漿區(qū)域長(zhǎng)度的變化，如圖17所示。

圖17 軌道板振動(dòng)速度幅值隨注漿區(qū)域長(zhǎng)度的變化Fig.17 Variation of track slab vibration velocity amplitudes with length of injection area

在有限元模型中，注漿填充體的彈性模量取實(shí)際工程施工中常見(jiàn)的7×104Pa，同時(shí)保持注漿區(qū)域的高度和寬度不變，僅改變注漿區(qū)域的長(zhǎng)度，從0.63 m(1倍扣件間距)增大至5.67 m(9倍扣件間距)。當(dāng)注漿區(qū)域的長(zhǎng)度為0，即不考慮底座板下方局部脫空時(shí)，軌道板振動(dòng)速度退化到正常路基時(shí)的振動(dòng)水平。當(dāng)注漿區(qū)域的長(zhǎng)度由0.63 m增大至3.15 m時(shí)，180 km/h車(chē)速下軌道板振動(dòng)速度幅值由15.39 mm/s增大至28.55 mm/s，360 km/h車(chē)速下軌道板振動(dòng)速度幅值由39.50 mm/s增大至67.09 mm/s。當(dāng)注漿區(qū)域的長(zhǎng)度超過(guò)3.15 m后，軌道板振動(dòng)速度基本保持不變。

4 結(jié) 論

基于全比尺無(wú)砟軌道路基模型試驗(yàn)和輔助降雨模擬裝置，重現(xiàn)了列車(chē)運(yùn)行引起的路基翻漿冒泥，結(jié)合試驗(yàn)和理論分析模型，得到的結(jié)論如下：

(1) 無(wú)砟軌道路基產(chǎn)生翻漿冒泥后底座板下方產(chǎn)生局部脫空、列車(chē)低速通過(guò)時(shí)軌道板振動(dòng)就明顯加劇，而列車(chē)高速運(yùn)行產(chǎn)生的軌道板振動(dòng)速度達(dá)到正常路基上軌道板振動(dòng)的2.6倍。

(2) 對(duì)翻漿冒泥病害區(qū)進(jìn)行注漿治理后，注漿材料能夠有效填充脫空區(qū)域并加固病害區(qū)土體，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度明顯降低。

(3) 路基產(chǎn)生翻漿冒泥后靜剛度降低達(dá)50%，注漿加固后基本恢復(fù)原來(lái)的路基剛度。

(4) 當(dāng)注漿形成的填充體彈性模量在5×104～1×106Pa時(shí)，才能有效降低軌道板的振動(dòng)；沿軌道方向的注漿加固長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致軌道振動(dòng)變大，需根據(jù)實(shí)際翻漿冒泥范圍確定合理的注漿加固范圍。