高速鐵路新型路基材料的動(dòng)響應(yīng)減振研究

周 平， 王志杰， 張家瑞， 徐海巖， 趙啟超， 劉川昆

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 土木工程學(xué)院，成都 610031)

高速鐵路新型路基材料的動(dòng)響應(yīng)減振研究

周 平， 王志杰， 張家瑞， 徐海巖， 趙啟超， 劉川昆

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 土木工程學(xué)院，成都 610031)

泡沫輕質(zhì)土在公路路基上應(yīng)用廣泛，但尚未在高速鐵路路基上應(yīng)用。提出一種泡沫輕質(zhì)土的高速鐵路新型減振路基材料。通過(guò)對(duì)其密度，強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行深入探究，結(jié)合單軸壓縮試驗(yàn)，研究不同養(yǎng)護(hù)齡期下的泡沫輕質(zhì)土濕密度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。采用有限元軟件建立傳統(tǒng)材料和新型材料下的高速鐵路路基模型，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和資料調(diào)研得到材料參數(shù)，梁-彈性半空間模型模擬列車(chē)移動(dòng)荷載，并將泡沫輕質(zhì)土與傳統(tǒng)路基材料在高速鐵路路基上應(yīng)用時(shí)分別產(chǎn)生的動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度與濕密度之間具有良好的相關(guān)性，抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)較快，后期增速逐漸降低。相對(duì)于傳統(tǒng)路基，新型路基基床表層、基床填土和地基基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎(chǔ)相對(duì)減振0.78 kPa。但在基床底層減振方面，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa，故不建議將新型材料應(yīng)用于基床底層。綜上，泡沫輕質(zhì)土在高速鐵路路基領(lǐng)域具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ芯砍晒蔀楦咚勹F路路基的進(jìn)一步減振研究提供參考。

路基；泡沫輕質(zhì)土；濕密度；動(dòng)應(yīng)力；減振

早在上世紀(jì)，日本在工程填土領(lǐng)域上開(kāi)始應(yīng)用了新型輕質(zhì)土材料，特別在高速公路交通領(lǐng)域，日本在建設(shè)橫濱市內(nèi)的公路橋維修工程中首次將其作為填充材料進(jìn)行施工，并在后期的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)效果良好[1]。由此日本將其作為工程材料領(lǐng)域中一大突破，并且將其大量運(yùn)用在公路路基等相關(guān)領(lǐng)域[2]。而我國(guó)由于引進(jìn)泡沫輕質(zhì)土技術(shù)的時(shí)間較晚，并且消化吸收較慢，技術(shù)不成熟，材料本身經(jīng)濟(jì)性不如傳統(tǒng)路基材料等原因，泡沫輕質(zhì)土在國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)遲緩，近些年才在相關(guān)工程領(lǐng)域推廣[3-4]，目前在北京，廣州，上海等城市的公路，機(jī)場(chǎng)等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫輕質(zhì)土也進(jìn)行了相關(guān)研究，Yasuhara等[5]得出泡沫輕質(zhì)土具有密度小、壓縮模量大的特點(diǎn)，可以減小地基沉降，也能降低路基自身沉降，為工程沉降提供了新的途徑。盛斌[6]在特殊公路段施工中運(yùn)用了泡沫水泥輕質(zhì)土，對(duì)公路的橋頭、路基、擴(kuò)幅等進(jìn)行研究，得到效果良好。邵建惠等[7]結(jié)合工程驗(yàn)證泡沫輕質(zhì)土在工程橋頭地基處理中的適用性。劉元煒等[8-9]主要將泡沫輕質(zhì)土運(yùn)用在公路路基等領(lǐng)域，但在高速鐵路路基應(yīng)用上基本空白。

高速鐵路速度快，振動(dòng)力大，動(dòng)車(chē)平穩(wěn)快速運(yùn)行對(duì)高速路基提出更高的要求[10]。本文通過(guò)理論分析，模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究以泡沫輕質(zhì)土為主的高速鐵路新型路基材料減振能力，以期為高速鐵路的快速發(fā)展提供理論參考。

1 泡沫輕質(zhì)土的特性

1.1 密度特性

泡沫輕質(zhì)土的表觀密度，與其它建筑材料如混凝土相比，一方面顯示出較明顯的輕質(zhì)性，另一方面，可根據(jù)工程需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)和實(shí)際工程常用的密度范圍為400～1 300 kg/m3。

表1 表觀密度比較

1.2 強(qiáng)度特性

圖1為氣泡率與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨著氣泡率的增加而逐漸降低，但氣泡率相同的條件下，其強(qiáng)度隨著砂的含有率越大反而越低。所以配合比對(duì)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度影響較大，在今后工程領(lǐng)域里的泡沫輕質(zhì)土的運(yùn)用需要對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)試。

圖1 氣泡含有率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

1.3 應(yīng)力應(yīng)變特性

圖2為泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系，由圖可得到，在脆性破壞前，應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)較好的線彈性關(guān)系，效果良好。在破壞階段，由于內(nèi)部氣孔被擠壓軸壓力急劇下降，下降到一定位置趨勢(shì)變緩慢，是由于內(nèi)部氣孔壓縮完后變成整體。從圖中也可以看出整體泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限破壞特性主要為脆性破壞。

圖2 軸應(yīng)變與軸應(yīng)力關(guān)系

2 單軸壓縮試驗(yàn)研究

2.1 工況和試驗(yàn)結(jié)果

上文可得到配合比對(duì)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度影響較大，本文探究不同養(yǎng)護(hù)齡期下濕密度的差異對(duì)泡輕質(zhì)土抗壓性能的影響。

本文采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)濕密度分別為400 kg/m3，700 kg/m3和1 000 kg/m3的復(fù)合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)混凝土試樣進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)。為了盡量減小外部環(huán)境因素差異對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)同一密度的試樣采用一次性澆筑完成，澆筑完成后，需人工振搗均勻，使?jié){液均勻填充到模具的各個(gè)角落，并防止?jié){液中存在過(guò)大的氣泡，將一層塑料薄膜覆蓋在材料表面。試件靜置于實(shí)驗(yàn)室中24 h后，刮除模具外面殘余的泡沫混凝土，脫去模具并移動(dòng)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行規(guī)定齡期，確保不同密度的試樣在相同條件下養(yǎng)護(hù)。

分別對(duì)其3 d，7 d，14 d，28 d 的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，其中每組試驗(yàn)有3個(gè)試樣，為減少誤差，取其平均值作為結(jié)果。工況設(shè)置和試驗(yàn)結(jié)果如表2和3所示。

表2 工況設(shè)置

表3 不同養(yǎng)護(hù)齡期的試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)分析

圖3為泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線。從圖中的趨勢(shì)可以得出濕密度越大，養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度越大，1 000 kg/m3的抗壓強(qiáng)度比700 kg/m3高一倍多。不同濕密度泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)較快，后期增速逐漸降低。由于養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，泡沫輕質(zhì)土里面的間隙越堅(jiān)固，不易受到擠壓破壞，整體效果好。泡沫混凝土在破壞前一段時(shí)間，由于輕質(zhì)土里含有大量空隙，空隙與空隙之間存在一部分的應(yīng)力，可抵抗一部分負(fù)荷，延長(zhǎng)破壞時(shí)間。屈服后的試樣沒(méi)有發(fā)生完全破壞而是保持一個(gè)完整的整體，還能承擔(dān)一定的負(fù)荷，它對(duì)荷載具有一定的緩沖作用。濕密度較低的試樣在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，試樣破壞的時(shí)間較早，內(nèi)部間隙互相連接不夠緊質(zhì)，受到微小荷載容易發(fā)生多處裂縫，裂縫與裂縫形成破壞的節(jié)理，從而導(dǎo)致受荷初期整體失穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

3 動(dòng)應(yīng)力性能對(duì)比分析

高速鐵路對(duì)路基提出很高的要求：剛度大、強(qiáng)度高、耐久性和穩(wěn)定性好、不易變形、縱向變化均勻或變化緩慢[11]。目前泡沫輕質(zhì)土在高速鐵路路基上的應(yīng)用空白。若泡沫輕質(zhì)土在高速鐵路路基的研究與應(yīng)用，將會(huì)成為提高高速鐵路路基抗振強(qiáng)度的一大重要舉措，為研究高速鐵路路基新型材料提供思路。

3.1 三維有限元模型及計(jì)算參數(shù)

3.1.1 模型的結(jié)構(gòu)形式

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要有有砟軌道和無(wú)砟軌道兩種類(lèi)型[12]。有砟軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有彈性良好、價(jià)格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點(diǎn)[13]。但是，有砟軌道在列車(chē)荷載反復(fù)作用下軌道殘余變形累積很快，且沿軌道縱向分布不均勻，導(dǎo)致軌道高低不平順，維護(hù)工作量顯著增加，我國(guó)在高速鐵路里大都采用無(wú)砟軌道。

本文有限元模型以普通板式無(wú)砟軌道為原型進(jìn)行分析計(jì)算。路基動(dòng)力數(shù)值模擬模型的尺寸參考《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中單線標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路5 m高路堤路基斷面圖，確定有限元仿真路基橫斷面尺寸。

對(duì)于路基系統(tǒng)，采用有限元方法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)截取一個(gè)合理的范圍建立有限元模型。同時(shí)考慮到計(jì)算成本，經(jīng)過(guò)試算比較，在保證計(jì)算精度的前提下，本文路基長(zhǎng)度取為48 m，網(wǎng)格劃分后如圖4所示。模型兩橫斷面約束z向位移，左右兩地基縱斷面約束x向位移，地基底面采用全約束。考慮到鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層和支承層等上部結(jié)構(gòu)對(duì)荷載起到分配作用，因此建立出軌道等上部結(jié)構(gòu)。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分圖

3.1.2 計(jì)算參數(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)的高速鐵路無(wú)砟軌道土質(zhì)路基，基床表層采用合理級(jí)配的硬質(zhì)碎石道砟或級(jí)配砂礫石層，基床底層為換填A(yù)，B填料層，將路基及以下結(jié)構(gòu)視為彈塑性材料，路基各層和地基采用摩爾—庫(kù)倫材料模型[14]。

對(duì)于本文所研究的高速鐵路新型路基，參考室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研資料，選取軌道-路基結(jié)構(gòu)各部分材料的計(jì)算參數(shù)。

相關(guān)數(shù)值計(jì)算的主要參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算參數(shù)

3.1.3 移動(dòng)荷載模擬

軌道板、CA砂漿層、混凝土承載層、路基各層及地基采用三維實(shí)體單元SOLID45單元模擬；鋼軌采用BEAM188梁?jiǎn)卧M，將鋼軌與軌道板之間的扣件和軌下膠墊系統(tǒng)視為彈簧一阻尼結(jié)構(gòu)，采用彈簧一阻尼單元COMBIN14來(lái)模擬，鋼軌單元作為連續(xù)梁通過(guò)彈簧一阻尼單元支撐在軌道板實(shí)體單元上[15]。扣件和軌下膠墊系統(tǒng)的等效剛度為6×107N/m，阻尼系數(shù)為2.5×104N·s/m。

3.1.4 荷載作用方式

由于研究的主要對(duì)象是路基結(jié)構(gòu)，故不考慮軌道不平順、車(chē)輪偏心、扁疤等各種復(fù)雜因素引起的列車(chē)荷載的變化，將車(chē)輪荷載簡(jiǎn)化為勻速移動(dòng)恒力[16]，構(gòu)建梁-彈性半空間模型，如圖5和圖6所示。將軸重為170 kN、運(yùn)行速度為350 km/h 的列車(chē)移動(dòng)荷載作用于有限元模型，如圖7所示。

圖5 梁-彈性半空間模型示意圖

圖6 模擬移動(dòng)荷載示意圖

圖7 移動(dòng)荷載模擬

3.2 高速鐵路路基動(dòng)響應(yīng)分析

3.2.1 傳統(tǒng)路基動(dòng)力響應(yīng)分析

通過(guò)有限元計(jì)算，可以得到路基的應(yīng)力云圖，如圖8所示。

(a)(b)

圖8 傳統(tǒng)路基材料基床表層和底層橫截面應(yīng)力云圖

Fig.8 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in traditional subgrade material

由圖8可知，在接近荷載作用處的位置，單元應(yīng)力較大，選取各位置的單元，可以得到傳統(tǒng)路基材料的基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎(chǔ)的等效應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖9～圖13所示。由結(jié)果可知，基床表層動(dòng)應(yīng)力在整個(gè)高速鐵路路基中峰值最大，最大峰值可達(dá)到20.68 kPa，其次為基床底層、基床填土以及地基基礎(chǔ)。高速鐵路荷載引起的路基動(dòng)應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主的循壞應(yīng)力，在荷載作用范圍一定的條件下，應(yīng)力隨著路基深度的增大而減小，不同的路基位置所引起的動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律不同，特別是在路基的不同深處，應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)間有明顯的差異，但其總體表現(xiàn)較為一致，動(dòng)應(yīng)力數(shù)值演變從低處一直到達(dá)一定峰值，而后一直下降到穩(wěn)定在一定數(shù)值附近。

圖9 傳統(tǒng)路基基床表層

圖10 傳統(tǒng)路基基床底層

圖11 傳統(tǒng)路基基床填土

圖12 傳統(tǒng)路基地基基礎(chǔ)

3.2.2 泡沫輕質(zhì)土新型路基動(dòng)力響應(yīng)分析

通過(guò)有限元計(jì)算，可以得到路基的應(yīng)力云圖，如圖14所示。

圖13 傳統(tǒng)路基材料的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

(a)(b)

圖14 新型路基材料基床表層和底層橫截面應(yīng)力云圖

Fig.14 Stress nephogram of cross-section of surface and substrate layer of subgrade bed in new-type subgrade

由圖可知，在接近荷載作用處的位置，單元應(yīng)力較大，選取各位置的單元，可以得到新型路基材料的基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎(chǔ)的等效應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖15～圖19所示。由于泡沫輕質(zhì)土材料的特殊性，泡沫輕質(zhì)土作為高速鐵路路基上的基床底層的動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律與基床表層的相似，峰值最高相差1.11 kPa。基床填土和地基基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力變化與傳統(tǒng)路基上的變化規(guī)律類(lèi)似，隨著路基的深度不斷變大，動(dòng)應(yīng)力影響范圍以及強(qiáng)度不斷減小，故基床填土和地基基礎(chǔ)的峰值均小于基床表層和基礎(chǔ)地層。

圖15 新型路基基床表層

圖16 新型路基基床底層

圖17 新型路基基床填土

圖18 新型路基地基基礎(chǔ)

圖19 新型路基材料的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3 動(dòng)應(yīng)力對(duì)比分析

對(duì)兩種路基模型綜合分析，對(duì)比兩種路基在基床表層、基床底層、基床填土和地基基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖20～圖23所示。由圖可知，新型路基相對(duì)于傳統(tǒng)路基，其基床表層、基床填土和地基基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎(chǔ)相對(duì)減振增加0.78 kPa。由此可得到新型路基材料在基床表層、填土以及基礎(chǔ)上相對(duì)于傳統(tǒng)路基動(dòng)應(yīng)力要弱些，抗振動(dòng)力能力強(qiáng)。但在基床底層中，泡沫輕質(zhì)土新型路基材料相對(duì)傳統(tǒng)路基材料的動(dòng)應(yīng)力影響大，抗振能力差，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa。基床上部由基床底層和基床表層組成，是鐵路路基的關(guān)鍵部位，應(yīng)具有較大的剛度和強(qiáng)度，以承受長(zhǎng)期重復(fù)的列車(chē)動(dòng)荷載作用。由表4計(jì)算參數(shù)可得到，表層厚度為0.7 m，底層厚度為2.3 m。在基床底層位置上，傳統(tǒng)路基材料的彈性模量為120 MPa，而通過(guò)試驗(yàn)得到的泡沫輕質(zhì)土的彈性模量比傳統(tǒng)路基的要大，并且由于基床底層整體厚度大，整體剛度強(qiáng)，所以動(dòng)應(yīng)力相對(duì)比傳統(tǒng)路基材料要大，減振能力相對(duì)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。因此，采用泡沫輕質(zhì)土作為基床表層、填土以及地基基礎(chǔ)的新型填料，能夠有效改善路基在高速列車(chē)荷載下的力學(xué)響應(yīng)，該種材料在高速鐵路路基領(lǐng)域具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ唤ㄗh其在基床底層的應(yīng)用。

圖20 基床表層動(dòng)應(yīng)力對(duì)比時(shí)程曲線

Fig.20 Comparative time travel curve in dynamic stress of the surface layer of subgrade bed

圖21 基床底層動(dòng)應(yīng)力對(duì)比時(shí)程曲線

Fig.21 Comparative time travel curve in dynamic stress of the substrate layer of subgrade bed

圖22 基床填土動(dòng)應(yīng)力對(duì)比時(shí)程曲線

Fig.22 Comparative time travel curve in dynamic stress of the filling of subgrade bed

圖23 地基基礎(chǔ)動(dòng)應(yīng)力對(duì)比時(shí)程曲線

Fig.23 Comparative time travel curve in dynamic stress of the foundation of subgrade bed

3.4 減振吸能機(jī)理分析

圖24為新型路基材料相對(duì)傳統(tǒng)路基材料的抗振能力。由結(jié)果可以明顯得到除基床底層外，新型路基材料在路基基床表層、填土以及路基基礎(chǔ)上表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗振能力。由此可得到新型泡沫輕質(zhì)土在路基大部分位置上表現(xiàn)出良好的抗振效果，尤其在基床表層和填土上效果較好，抗振能力達(dá)到3.75 kPa和2 kPa。從抗振能力效果上也可反饋出該泡沫新型材料在高速鐵路路基領(lǐng)域具備很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖24 減振能力

從室內(nèi)試驗(yàn)可以看出濕密度越大，其承受的負(fù)荷越大，所以泡沫輕質(zhì)土的濕密度影響著其抗壓強(qiáng)度，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮到承受荷載和成本之間的關(guān)系。泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度與濕密度之間具有良好的相關(guān)性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與濕密度基本是一一對(duì)應(yīng)。通過(guò)改變泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的目的。

內(nèi)部機(jī)理如圖25所示，泡沫混凝土高速鐵路新型路基材料由于內(nèi)部空隙內(nèi)壁形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)提供拉拔荷載，且增大混凝土振動(dòng)時(shí)的拉完壓極限強(qiáng)度。內(nèi)部空隙不僅起到抗壓強(qiáng)度，還有效分散集中荷載，承載面積變大，吸能能力提高。正式因?yàn)榕菽p質(zhì)土有許多孔壁較薄的微小蜂窩狀氣孔，氣孔的孔壁厚度小于氣孔的直徑，在發(fā)生荷載應(yīng)力作用下，氣孔發(fā)生坍塌而導(dǎo)致破壞，但在破壞的過(guò)程中，發(fā)生了較大的變形而吸收了大量的能量。氣孔的孔壁塑性變形主要用于吸收應(yīng)力波的擠壓能量。在擠壓粉碎時(shí)能夠吸收振動(dòng)動(dòng)能，雖然泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度較低，但其整體性好，能在荷載作用下整體不易破壞的特點(diǎn)，可以有效分散集中荷載，承載面積大大提高，總吸能性能不斷提高。在靜定壓力作用下試樣體積壓縮明顯，但屈服后的試樣沒(méi)有發(fā)生整體破壞而是保持一個(gè)完整的整體，這表明研制得到的泡沫混凝土具有良好的變形能力與延性，并且在破壞后，泡沫輕質(zhì)土能夠起到動(dòng)力振動(dòng)緩沖作用。

圖25 內(nèi)部機(jī)理

4 結(jié) 論

提出一種新型高速鐵路路基材料，進(jìn)行了理論分析，室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1) 對(duì)泡沫輕質(zhì)土的密度特性、強(qiáng)度特性和應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行研究，泡沫輕質(zhì)土在基礎(chǔ)力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土，尤其表現(xiàn)為輕質(zhì)高強(qiáng)。

(2) 試驗(yàn)表明，濕密度越大，養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度越大，1 000 kg/m3的抗壓強(qiáng)度比700 kg/m3高一倍多。不同濕密度泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)較快，后期增速逐漸降低。由于養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，泡沫輕質(zhì)土里面的間隙越堅(jiān)固，不易受到擠壓破壞，整體效果好，具有一定地抗振的作用。

(3) 新型路基相對(duì)于傳統(tǒng)路基，其基床表層、基床填土和地基基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力都有一定程度的減弱，其中基床表層和基床填土的減振能力最為明顯，消減幅度分別為3.75 kPa和2 kPa，地基基礎(chǔ)相對(duì)減振增加0.78 kPa。新型路基材料在基床表層、填土以及基礎(chǔ)上相對(duì)于傳統(tǒng)路基動(dòng)應(yīng)力要小，抗振動(dòng)力能力強(qiáng)。但在基床底層中，泡沫輕質(zhì)土新型路基材料相對(duì)傳統(tǒng)路基材料的動(dòng)應(yīng)力影響大，抗振能力差，傳統(tǒng)路基材料反而比新型路基材料在基床底層上減振3.5 kPa。

(4) 從機(jī)理上分析可得到泡沫混凝土高速鐵路新型路基材料內(nèi)部空隙薄壁形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)提供拉拔荷載，且增大混凝土振動(dòng)時(shí)的拉完壓極限強(qiáng)度。內(nèi)部空隙不僅起到抗壓強(qiáng)度，還有效分散集中荷載，承載面積變大，在發(fā)生荷載應(yīng)力作用下，氣孔發(fā)生坍塌而導(dǎo)致破壞，發(fā)生較大的變形而吸收了大量的能量。

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Vibration reduction effects of new-type roadbed material of high-speed railway

ZHOU Ping, WANG Zhijie, ZHANG Jiarui, XU Haiyan, ZHAO Qichao, LIU Chuankun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Foam light soil is widely applied in highway subgrade, but not in high speed railway subgrade. Here, a new-type anti-vibration roadbed material of foam light soil was proposed to be applied in high speed railway subgrade. The influences of wet density of foam light soil on its compressive strength were studied under different curing periods through deeply studying its density, strength and stress-strain characteristics combined with its uniaxial compression tests. The traditional and new-type high speed railway subgrade models were established by using FE software, the material parameters were obtained with laboratory tests and data investigation. The train moving loads were simulated with a beam-elastic half-space model, and a comparative study was conducted for dynamic responses of foam light soil and traditional roadbed material applied in high speed railway subgrade, respectively. The results showed that there is a good correlation between wet density and compressive strength of foam light soil; foam light soil’s compressive strength increases with increase in its curing period, its compressive strength increasing rate is larger firstly, then smaller; compared with those of the traditional subgrade, dynamic stresses of surface layer, filling, and foundation of the new type subgrade decrease to a certain extent, the vibration reduction capabilities of surface layer and filling of the new type subgrade are bigger obviously, their vibration reduction amplitudes are 3.75 kPa and 2 kPa, respectively, the vibration reduction amplitude of the subgrade foundation is 0.78 kPa; but, the vibration reduction amplitude of the traditional roadbed is bigger than that of the new-type one by 3.5 kPa, so foam light soil is not recommended to be applied in the bottom layer of subgrade; generally speaking, foam light soil has a great potential in the field of high speed railway subgrade, the results can provide a reference for studying the further vibration reduction of high-speed railway subgrade.

subgrade; foam light soil; wet density; dynamic stress; vibration reduction

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大課題(2009GB20-B)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT0955)；交通運(yùn)輸部西部科技(2013318J13340)

2016-03-09 修改稿收到日期：2016-05-25

周平 男，碩士，1991年生

王志杰 男，碩士，教授，1964年生

U213

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.13.036