無砟軌道路基基床翻漿注膠加固模型試驗(yàn)研究

郭春梅，郜永杰，黃俊杰，蘇謙

無砟軌道路基基床翻漿注膠加固模型試驗(yàn)研究

郭春梅1，郜永杰2,3，黃俊杰1，蘇謙1

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3. 鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

為研究無砟軌道路基基床翻漿注膠加固方法，建立無砟軌道路基室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停治鰺o咋軌道路基在基床表層處于正常狀態(tài)、浸水飽和狀態(tài)和翻漿注膠加固后動力響應(yīng)規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：荷載加載50萬次，與基床表層正常狀態(tài)相比,基床表層處于浸水飽和狀態(tài)時(shí)，基床表層動應(yīng)力減少19.7%，底座板振動位移與振動加速度分別增大89.5%和75.3%。基床翻漿注膠加固后，與基床表層處于浸水飽和狀態(tài)相比，基床表層動應(yīng)力增大19.0%，底座板振動程度降低，底座板與基床表層振動比由9.4:1變?yōu)?:1；對比基床正常狀態(tài)，基床表層動應(yīng)力與底座板振動位移、振動加速度均略有減小。試驗(yàn)后揭開底座板，基床表層頂部翻漿區(qū)域級配碎石與注入膠體膠結(jié)形成復(fù)合體，填充了底座板與基床表層之間空隙。基床翻漿注膠加固后，恢復(fù)了對底座板的支承能力，底座板的異常振動得到改善。

無砟軌道路基；模型試驗(yàn)；翻漿；注膠加固；動力響應(yīng)

高速鐵路具有污染排放少、行車速度快、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速[1]。無砟軌道結(jié)構(gòu)因具有整體性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、平順性高和維修工作量少等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。高速鐵路無砟軌道線路開通后，在復(fù)雜的自然環(huán)境和高速列車荷載反復(fù)作用下，局部線路段出現(xiàn)了無砟軌道路基翻漿病害[2]。Bezin等[3?6]分析了不同狀態(tài)下的無砟軌道路基基床在循環(huán)荷載下的動力響應(yīng)。張文超等[7]開展了無砟軌道路基翻漿段行車動測，指出無砟軌道翻漿病害的主要原因是基床中細(xì)小顆粒隨著動孔隙水壓的遷移和排出造成的路基剛度下降和底座板與基床表層接觸不良。基床翻漿嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的舒適性與安全性，近年來許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。楊飛等[8]結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)研究了注膠法運(yùn)用于板式無砟軌道翻漿病害的整治效果，結(jié)果表明整治效果顯著。劉亭等[9]對使用注膠工藝整治翻漿病害后無砟軌道路基的振動特性進(jìn)行了現(xiàn)場測試，表明注膠整治后無砟軌道路基結(jié)構(gòu)振動特性可恢復(fù)至接近正常狀態(tài)。吾望超等[10]結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，研究了高聚物復(fù)合結(jié)構(gòu)層整治翻漿路基的施工技術(shù)。劉朝軍[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)確定翻漿加固注膠材料配方，并對其運(yùn)用于現(xiàn)場進(jìn)行了測試，效果良好。由前可知，無砟軌道翻漿病害現(xiàn)場采用注膠加固后整治后效果顯著，施工便利。但關(guān)于無砟軌道路基基床翻漿注膠加固前后動力響應(yīng)特征對比、評價(jià)注膠加固效果室內(nèi)模型試驗(yàn)的相關(guān)研究較少。此外，由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，無法在注膠加固后揭開無砟軌道結(jié)構(gòu)觀察注入膠體分布特征，分析注膠加固效果。因此，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究高聚物注膠加固前后基床動力響應(yīng)特征及膠體分布特征，分析注膠加固效果，對無砟軌道翻漿注膠加固整治研究十分有必要。本文建立的無砟軌道路基室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停脖韺拥撞亢蛡?cè)面均布設(shè)有土工膜，試驗(yàn)中在路基中浸入水致使基床表層達(dá)到含水飽和狀態(tài)，模擬實(shí)際工程雨水滲入基床表層的極端情況，研究基床表層處于正常狀態(tài)及浸水飽和狀態(tài)下無砟軌道路基動力響應(yīng)特征，分析基床表層浸水飽和條件下基床翻漿致無砟軌道路基動力響應(yīng)異變規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，采用注膠法對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行加固，研究注膠加固后無砟軌道路基動力響應(yīng)規(guī)律，并將其與基床表層處于正常狀態(tài)及含水飽和狀態(tài)下動力響應(yīng)特征進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)結(jié)束后，揭開底座板觀察分析注入基床內(nèi)膠體的分布特征，分析加固效果。研究結(jié)果可為高速鐵路無砟軌道路基基床翻漿加固提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?30 cm×180 cm×230 cm。因無砟軌道翻漿病害出現(xiàn)在底座板端板間，模型試驗(yàn)對軌道上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，僅考慮底座板。結(jié)合試驗(yàn)條件，確定底座板為320 cm×100 cm×30 cm的鋼筋混凝土板，如圖1所示。

基床總厚度為230 cm，其中基床底層厚度為170 cm，使用A和B組填料分層填筑；基床表層厚度為60 cm，采用級配良好的級配碎石分層填筑，每層填筑高度為15 cm，填筑過程中使用平板震動機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，保證壓實(shí)系數(shù)≥0.97。在模型填筑完成后，底座板以外基床表面鋪設(shè)厚5 cm的M10砂漿封閉層。基床底層四周使用厚50 cm的磚墻作為剛性約束邊界，模擬實(shí)際半無限空間結(jié)構(gòu)；基床表層四周采用50 cm厚沙袋圈圍以模擬柔性邊界約束條件。

單位：cm

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪埃瑢和B組填料和級配碎石進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到了各自的最優(yōu)含水率，其中級配碎石最優(yōu)含水率為5.2%。試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗硬捎锰幱谧顑?yōu)含水率狀態(tài)的填料進(jìn)行分層攤鋪和壓實(shí)。為模擬基床表層在動力荷載作用下翻漿，在基床表層四周側(cè)面及底部鋪設(shè)3 mm厚的防水塑料布，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)傳感器布置

模型試驗(yàn)主要采集數(shù)據(jù)包括：基床表層動應(yīng)力、底座板及封閉層頂面振動加速度和動位移。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑦^程中，埋設(shè)或安裝相應(yīng)的傳感器，所有傳感器的布置位置如圖1所示。在各階段試驗(yàn)中均采用動態(tài)采集系統(tǒng)自動采集各傳感器的數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)加載方案

模型試驗(yàn)采用液壓伺服疲勞加載試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行加載，為保證動載加載前加載板與底部加載結(jié)構(gòu)充分接觸，在循環(huán)動荷載d加載前預(yù)先加載初始荷載s(s=0.1d)。現(xiàn)場行車實(shí)測表明，在高速鐵路列車荷載作用下，路基基床表層頂面動應(yīng)力主要在13~30 kPa之間[12]。因此，結(jié)合試驗(yàn)加載系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，確定作用于本模型試驗(yàn)上作動器輸出荷載為96 kN，頻率為5 Hz，以控制底座板下基床表層表面動土壓力在25~30 kPa之間。

模型試驗(yàn)分為3個(gè)階段，每階段加載次數(shù)為200萬次循環(huán)動力荷載[13?14](近似模擬1 a交通量)。

第1階段：在試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪瓿珊螅丛囼?yàn)?zāi)Ｐ突脖韺犹幱谡顟B(tài)，加載循環(huán)動力荷載。

第2階段：在第1階段施加荷載完成后，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ突脖韺舆M(jìn)行浸水至飽和，然后再次施加循環(huán)動力荷載。

第3階段：在第2階段施加荷載完成后，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ突卜瓭{進(jìn)行注膠加固，最后施加循環(huán)動力荷載。

上述3個(gè)階段施加荷載方案主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)加載方案

1.4 翻漿加固設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)所用的雙組份高聚物化學(xué)漿(G202和G205)為按規(guī)定配比混合形成的漿液，均具有強(qiáng)度高、流動性好、防水性好等特點(diǎn)，在高速鐵路翻漿病害整治中已取得良好試驗(yàn)效果。試驗(yàn)采用低壓注漿設(shè)備進(jìn)行注膠，注膠加固試驗(yàn)流程和裝備如圖2和圖3所示。

圖2 注膠加固試驗(yàn)流程

圖3 注膠設(shè)備和注膠模型試驗(yàn)現(xiàn)場

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振動響應(yīng)分布規(guī)律

據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y得動力響應(yīng)值，基床表層處于正常狀態(tài)時(shí)，荷載加載前期，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣恿憫?yīng)較不穩(wěn)定；當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到50萬次時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣恿憫?yīng)已趨于穩(wěn)定。基床處于浸水飽和狀態(tài)時(shí)，加載次數(shù)約3萬次時(shí)，基床表層開始產(chǎn)生翻漿；加載次數(shù)達(dá)到50萬次試驗(yàn)?zāi)Ｐ头瓭{已進(jìn)入嚴(yán)重惡化狀態(tài)。基床表層翻漿采用注膠加固后，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝右?guī)律與基床正常狀態(tài)規(guī)律相似，加載次數(shù)達(dá)到50萬次，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣恿憫?yīng)已趨于穩(wěn)定。為將3個(gè)加載階段進(jìn)行對比分析，鑒于各階段動力響應(yīng)變化規(guī)律，選取各階段加載次數(shù)為50萬次時(shí)對應(yīng)的動力響應(yīng)值進(jìn)行對比分析。

2.1.1 動應(yīng)力分析

當(dāng)加載次數(shù)為50萬次時(shí)，基床表層處于正常狀態(tài)、浸水飽和狀態(tài)與經(jīng)翻漿加固后各測點(diǎn)動應(yīng)力沿深度分布規(guī)律如圖4所示。

(a) 中心處；(b) 縱斷面邊緣；(c) 橫斷面邊緣

由圖4分析可知：

1) 基床表層浸水飽和后，在循環(huán)動力荷載作用下基床表層出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，與基床表層處于正常狀態(tài)時(shí)相比，中心斷面處基床表層表面動應(yīng)力降低19.7%，基床表層0.3 m處降低39.4%，基床表層底部降低24.1%。經(jīng)分析認(rèn)為中心處基床表層動應(yīng)力產(chǎn)生此規(guī)律的主要原因是基床翻漿后，部分細(xì)顆粒向側(cè)邊遷移并排出，使得基床表層對底座板的支承能力降低，甚至基床表層與底座板之間出現(xiàn)吊空，導(dǎo)致動力荷載傳遞路徑改變；細(xì)顆粒的遷出也使得級配碎石級配發(fā)生變化，基床整體剛度降低。

2) 基床表層翻漿注膠加固后，相比于基床表層處于浸水飽和狀態(tài)，基床表層承受動應(yīng)力明顯增大。縱、橫斷面中心處基床表層表面動應(yīng)力由17.9 kPa增大至21.3 kPa，增大了19.0%；豎向中間處動應(yīng)力由6.3 kPa增至9.7 kPa，增大了54.0%；底面處由4.1 kPa增至5.6 kPa，增大了36.6%。縱斷面邊緣中心以下基床表層頂面、豎向中部和底面處動應(yīng)力分別增大了14.3%，30.0%和8.9%；橫斷面邊緣中心以下基床表層頂面、豎向中部、底面處動應(yīng)力分別增大了13.6%，32.1%和19.4%。

3) 基床表層翻漿經(jīng)注膠加固后，與基床表層正常狀態(tài)相比，底座板下基床表層動應(yīng)力略有降低。中心處基床表層表面動應(yīng)力降低了4.5%，基床表層表面以下0.3 m處降低了6.7%，基床表層底面降低了3.6%。

結(jié)合上述2)和3)，分析認(rèn)為采用高聚物化學(xué)膠對基床表層翻漿進(jìn)行加固后基床對底座板的支承能力得到了恢復(fù)，動力荷載傳遞路徑已恢復(fù)至接近于基床表層處于正常狀態(tài)下的形式。

2.1.2 振動位移分析

循環(huán)動力荷載加載次數(shù)為50萬次時(shí)，基床表層處于正常狀態(tài)、浸水飽和狀態(tài)和經(jīng)翻漿加固后無砟軌道結(jié)構(gòu)底座板和基床振動位移分布規(guī)律如圖5所示。

由圖5分析可知：

1) 基床表層處于浸水飽和狀態(tài)時(shí)，與基床表層處于正常狀態(tài)相比，模型翻漿后橫斷面底座板中心處振動位移增大了89.5%，底座板邊緣處增大64.1%，封閉層處減少64.0%。底座板處振動位移增大，而基床表面處減小。分析認(rèn)為產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是基床表層翻漿后，循環(huán)動力荷載作用位置下方基床對底座板的支承能力降低，致使底座板振動加劇，而振動能在基床表層擴(kuò)散區(qū)域增大，使基床表面振動位移減小。

(a) 橫斷面測點(diǎn)；(b) 縱斷面測點(diǎn)

2) 基床表層翻漿注膠加固后，相比于基床表層處于翻漿狀態(tài)，底座板中心處振動位移減少59.6%，縱斷面邊緣減少59.4%，橫斷面邊緣減少53.8%；橫斷面路基封閉層振動位移增大116.7%，縱斷面封閉層增大103.3%。在此采用振動位移比的概念(將底座板與基床表面的振動位移相比)，則當(dāng)基床表層處于翻漿狀態(tài)時(shí)，橫斷面底座板邊緣與基床表面振動位移比為9.4:1，注膠加固后其減小為2:1，縱斷面則由14.5:1減小為2.9:1。

3) 基床表層翻漿注膠加固后，與基床表層處于正常狀態(tài)相比，底座板與基床表面振動位移幅值均略有減小，底座板中心減少23.5%，橫斷面底座板邊緣與基床表面分別減少24.3%和22.0%，縱斷面底座板邊緣與基床表面分別減少23.0%和30.7%。

結(jié)合上述2)和3)，表明采用高聚物化學(xué)膠對基床表層翻漿進(jìn)行加固后，基床恢復(fù)了對無砟軌道路基底座板的支承能力，提高了路基基床剛度，降低了底座板的振動位移。

2.1.3 振動加速度分析

當(dāng)循環(huán)動力荷載達(dá)到50萬次時(shí)，基床表層分別處于正常狀態(tài)、基床浸水飽和狀態(tài)和經(jīng)翻漿注膠加固后的條件下底座板和基床表面振動加速度變化規(guī)律如表2所示。

由表2可知：

1) 與基床表層處于正常狀態(tài)相比，翻漿條件下底座板中心處振動加速度由0.332 m/s2增大為0.528 m/s2，橫斷面底座板邊緣處由0.274 m/s2增大為0.394 m/s2，縱斷面底座板邊緣由0.310 m/s2增大至0.509 m/s2，底座板振動加速度增大明顯；橫縱斷面基床表層振動加速度分別減少26.0%和65.8%。可見底座板和基床表面的振動加速度分布規(guī)律與振動位移相似。這表明基床表層產(chǎn)生翻漿后，基床對底座板的支承能力降低，加劇了底座板的振動。

表2 不同基床表層狀態(tài)下無砟軌道結(jié)構(gòu)底座板和基床振動加速度

2) 與基床表層處于翻漿狀態(tài)相比，翻漿注膠加固后底座板振動加速度明顯減小，中心處底座板減少51.89%，橫斷面處減少45.2%，縱斷面減少54.2%；基床表面橫、縱斷面振動加速度分別增大66.7%和190.0%。注膠加固后橫斷面底座板邊緣與路基封閉層振動加速度比值由7.3:1降低為2.4:1，縱斷面振動加速度比值由10.2:1降至1.6:1。顯然，注膠加固后底座板與基床振動加速度比值降低。

3) 相比于基床表層處于正常狀態(tài)，翻漿注膠加固后，底座板中心處振動加速度減少15.7%，橫、縱斷面邊緣處分別減少21.2%和24.8%。顯然，采用注膠加固后底座板振動加速度略有減小，基本能恢復(fù)至基床表層處于正常狀態(tài)下的振動狀態(tài)。

結(jié)合上述2)和3)，同樣說明基床表層翻漿經(jīng)注膠加固后，路基恢復(fù)了對無砟軌道結(jié)構(gòu)的支承與參振耗能作用。

2.2 注入膠體固化物分布特征

在模型試驗(yàn)加載結(jié)束后，為分析注入膠體固化物分布特征，將底座板揭開進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)注入膠體固化物分布特點(diǎn)如圖6和圖7所示。

圖6 模型側(cè)面挖開圖

由圖6和圖7可知，高聚物化學(xué)漿液注入試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鬃逑虏亢螅瑵{液填充了底座板與基床表層間翻漿區(qū)域，漿液包裹翻漿處的細(xì)顆粒，形成復(fù)合固化物。其中，在模型中心處基床表層表面形成厚為4~6 mm的膠體固化物。在固化物作用下，基床剛度得到了改善，基本恢復(fù)了對底座板的支承能力。并且本次試驗(yàn)中，在200萬次循環(huán)動力荷載作后，膠體固化物依然能使得底座板振動狀態(tài)保持穩(wěn)定。

(a) 底座板揭開圖；(b) 封閉層與基床表層間接觸面；(c) 底座板與基床表層間接觸面

3 結(jié)論

1) 基床表層處于浸水飽和狀態(tài)下的模型在50萬次循環(huán)荷載作用后已產(chǎn)生嚴(yán)重翻漿。與基床表層處于正常狀態(tài)相比，混凝土底座板振動加劇，底座板中心處振動位移和加速度分別增大89.5%和75.3%，而基床表層動土壓力呈減小規(guī)律，中心處基床表層表面減少19.7%。這說明基床表層產(chǎn)生翻漿后，其對底座板的支承能力降低，剛度降低，甚至中心處底座板與基床表層間形成空隙，從而引起軌道上部結(jié)構(gòu)振動的加劇。

2) 翻漿基床表層進(jìn)行注膠加固后，50萬次循環(huán)荷載作用后基床振動已趨于穩(wěn)定。與基床表層處于翻漿狀態(tài)下相比，基床表層動土壓力明顯增大，中心處基床表層表面處增大19.0%；底座板振動程度降低，模型橫斷面底座板邊緣與封閉層振動位移比由9.4:1變?yōu)?:1。與基床表層正常狀態(tài)時(shí)相比，基床表層動土壓力略有減小，底座板中心振動位移和加速度也略有減小。這說明本模型試驗(yàn)采用注膠方法加固基床表層翻漿后，基床表層恢復(fù)了對底座板的支承能力。

3) 試驗(yàn)結(jié)束后揭開底座板觀察，基床表層注膠加固后，底座板與基床表層間空隙被膠體填充，在模型中心處基床表層表面形成厚為4~6 mm的膠體固化物，固化物厚度由中心往兩邊變薄。在本次試驗(yàn)中，在200萬次循環(huán)動力荷載作用下，膠體固化物依然能使得底座板振動狀態(tài)保持穩(wěn)定。

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Model experimental study on the injection reinforcement of mud pumping in subgrade bed of ballastless track

GUO Chunmei1, GAO Yongjie2, 3, HUANG Junjie1, SU Qian1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China; 3. Hubei Province Key Laboratory of Railway Track Safety Service, Wuhan 430063, China)

In order to study the method of injecting reinforcement of mud pumping in subgrade bed of ballastless track, an experimental model of the ballastless track subgrade was established to analyze the dynamic response characteristics of the ballastless track subgrade when top layer of subgrade bed was in three conditions (i.e., the normal condition, water saturated condition and glue-injection reinforced condition). The results show that when loading cycles is 500 thousand times, the dynamic stress of top layer of subgrade bed in water saturated condition decreases 19.7%, while the dynamic displacement and vertical acceleration of concrete base of the ballastless track increase 89.5% and 75.3% respectively, compared with the top layer of subgrade bed in normal condition. Compared with the top layer of subgrade bed in water saturated condition, the dynamic stress of the top layer of subgrade bed with mud pumping after reinforced increases 19.0%, while vibration of the concrete base of the ballastless track is reduced, such as the vibration ratio between the concrete base and the subgrade surface changes from 9.4:1 to 2:1. However, the dynamic stress of the top layer of subgrade bed and the dynamic displacement and vertical acceleration of the concrete base after the subgrade bed with mud pumping reinforced by glue injection reduce slightly compared with the top layer of subgrade bed in normal condition. Besides, it is found that a complex layer made of injected glue and graded crushed stone in the mud pumping zone fills interspace between the concrete base and the top layer of subgrade bed, when the concrete base is lifted up after the test. This shows that the bearing capacity of subgrade bed to the concrete base can be restored and then the abnormal vibration of the concrete base be improved effectively after mud pumping in the subgrade bed reinforced by glue injection.

non-ballasted track subgrade; model test; mud pumping; injection reinforcement; dynamic response

U216.4

A

1672 ? 7029(2019)10? 2387 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.001

2018?12?27

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(J2016Z019，2016G002-E)

黃俊杰(1984?)，男，廣西南寧人，博士，從事鐵路路基工程方面的科研與教學(xué)；E?mail：jjhuang_swjtu@126.com

(編輯 陽麗霞)