高速鐵路基床表層級配碎石翻漿機理研究

程愛君

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

我國高速鐵路路基基床表層普遍采用級配碎石。這對于改善高速鐵路路基基床結構力學性能，減少列車荷載所產生的彈性變形和殘余變形，提高路基服役性能起到了很大作用［1-6］，但仍有某些線路路基出現了翻漿問題。上海鐵路局在滬寧城際高速鐵路上共查出此類病害1 400多處，分布在K111+910—K283+900區段76.2 km（橋隧除外）的路基地段［7-8］。這些病害引起軌道形位變化，增大路基和線路維修工作量，降低了路基長期服役性能和列車運營品質，甚至影響高速列車安全運營，危害巨大。因此，有必要對翻漿原因進行分析，為高速鐵路基床病害整治提供依據。

1 現場調查

滬寧城際高速鐵路無砟軌道底座與基床頂面間翻漿問題表現為從承重層的伸縮縫處或從封閉層與承重層縫隙間滲出灰白色泥狀物（圖1），引起軌道板下承重層空吊，影響軌道平順性。經初步調查K111+910—K283+900區段有1 400余處，累計約11.7 km，翻漿病害多數發生在無砟軌道底座伸縮縫兩端5 m范圍內，向兩側發展，鋪設框架軌道板地段較為嚴重，路肩上流淌或堆積著由水與級配碎石層細顆粒混合成的泥漿，路肩及兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現象，嚴重處滲出物厚達10～50 mm［6］。

圖1 滬寧城際高速鐵路基床表層翻漿現象

2 翻漿機理研究

2.1 翻漿過程的分析

1）離縫的產生

從受力的角度分析，承重層伸縮縫部位為其受力集中部位，在列車荷載作用下，易出現局部的離縫問題，尤其是在伸縮縫未處理好且有外界水分滲入的情況下。

2）外界水分的侵入

滬寧城際高速鐵路處于我國南方潮濕多雨地區，雨量充足、降水集中是其特點。水是引起路基多種病害的原因之一，滲入的雨水如果無法順利排除會影響路基的使用性能，進而引起病害。

3）列車荷載的作用

當軌道結構層間離縫內充滿水分，離縫部位就形成了一個薄弱環節，如圖2所示。

圖2 離縫部位示意

列車通過時，在列車荷載作用下，離縫上下結構層發生相向運動，擠壓離縫內水分。當列車離開后，兩結構層之間發生反向運動，對外部水分產生抽吸作用。在列車荷載作用下對離縫內水分反復抽吸、擠壓，最終引起結構層接觸沖刷問題。

2.2 無砟軌道基床表層級配碎石沖刷分析

沖刷的產生歸根到底是水流力的作用［9-10］。從該角度出發，可利用水流速度的某一臨界值作為衡量沖刷產生條件的指標。文獻［10］對土體顆粒在水沖刷作用下受力平衡狀態進行了分析，獲得了粗粒土填料顆粒起動粒徑與水流速度的關系，如圖3所示。

圖3 粗粒土填料顆粒起動粒徑與水流速度的關系

由圖3可知，對無黏性均勻路基填料，顆粒的沖刷水流速度與起動粒徑呈非線性冪函數關系，隨起動粒徑的變大，沖刷起動水流速度迅速增大。

2.3 離縫部位流速分析

假定離縫深1.5 m，高1 mm，寬1 m，如圖4所示。假定離縫內被水分完全充滿，且當列車通過時離縫內水分完全被擠出。離縫內水的流量與離縫體積相當，流量Q=1.5×0.001×1=1.5×10-3m3。

圖4 離縫示意

當列車以速度300 km/h通過時，每秒通過離縫位置處的車軸數約為4次，即離縫每次抽吸的間隔時間約為0.25 s，由此可計算出列車通過時離縫內水分的瞬間流速v=0.001×1×1.5/（0.001×1×0.25）=6 m/s。

結合圖3可知，在水流速度達到6 m/s時，可以攜帶粒徑約為50 mm的顆粒移動。在此情況下，不僅級配碎石中細粒會被離縫內水分攜帶沖走，其粗顆粒也會被水流反復沖刷，長此以往形成翻漿現象。

3 室內模型試驗

為更好地說明翻漿機理，運用室內模型試驗模擬現場翻漿過程［9］。

3.1 試驗設備

本次試驗采用MTS試驗機。模型箱采用厚1 cm的有機玻璃制成，尺寸為40 cm×50 cm×60 cm。加載板采用1 cm厚鋼板制成，尺寸為30 cm×30 cm。試驗系統如圖5所示。

圖5 無砟軌道基床表層翻漿問題室內模擬系統

3.2 試驗方案

利用MTS試驗機模擬列車高速通過時支撐層與基床表層表面間的相互作用，可以分為以下2種情況：

1）支撐層與基床表層表面間無離縫

級配碎石滲透系數較大，列車通過時基床表層表面無積水的情況；級配碎石滲透系數較小，列車通過時基床表層表面有積水的情況。

2）支撐層與基床表層表面間有離縫

級配碎石滲透系數較大，列車通過時基床表層表面無積水的情況；級配碎石滲透系數小，列車通過時基床表層表面有積水的情況。

3.3 加載方式

加載方式分為應力控制、應變控制2種。

1）應力控制

模擬支撐層與基床表層表面間無離縫情況。動荷載為單向循環荷載。荷載頻率選用4 Hz。試驗動應力波形如圖6所示。

圖6 試驗動應力波形

2）應變控制

模擬支撐層與基床表層表面間有離縫情況。動荷載為單向循環荷載。荷載頻率選用4 Hz。試驗動變形波形如圖7所示。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 支撐層與基床表層表面間無離縫

1）基床表層表面無積水采用應力控制進行加載，試驗初始應力為30 kPa，荷載為正弦波，應力幅值為20 kPa，試驗循環次數為10 000次，試驗結果見圖8。可知，經過10 000次循環后，基床表層未出現翻漿現象。

圖7 試驗動變形波形

圖8 支撐層與基床表層表面間無離縫、基床表層表面無積水

2）基床表層表面有積水采用應力控制進行加載，試驗初始應力為30 kPa，荷載為正弦波，應力幅值為20 kPa。循環次數為10 000次，試驗結果見圖9。可知，經過10 000次應力循環后，級配碎石未出現翻漿現象。

圖9 支撐層與基床表層表面間無離縫、基床表層表面有積水

3.4.2 支撐層與基床表層表面間有離縫

1）基床表層表面無積水采用應變控制進行加載，荷載為正弦波，應變幅值為2 mm，循環次數為10 000次。基床表層表面無積水且有離縫的情況，試驗結果見圖10。可知，經過10 000次應力循環后，級配碎石未出現翻漿情況。

圖10 支撐層與基床表層表面間有離縫、基床表層表面無積水

2）基床表層表面有積水采用應變控制進行加載，應變幅值為2 mm，荷載為正弦波，循環次數為10 000次。當基床表層表面有積水時，動荷載作用下試驗結果見圖11。可知，經過10 000次應力循環后，級配碎石未出現較為嚴重的翻漿現象。

圖11 支撐層與基床表層表面間有離縫、基床表層表面有積水

綜合以上試驗結果可知，支撐層與基床表層表面之間離縫是翻漿病害產生的主要條件；外界水分滲入離縫且無法及時排除，是基床表層表面翻漿病害的誘因；列車荷載通過時對離縫內水分產生的抽吸及擠壓作用最終導致了翻漿問題。

4 結論

本文以滬寧城際高速鐵路無砟軌道底座與基床頂面間翻漿病害為研究背景，通過對病害現場調查、理論分析和室內模型試驗來說明了高速鐵路基床表層級配碎石翻漿的機理。得出翻漿形成過程如下：離縫出現→外界水分填充離縫→列車高速通過時對水分產生擠壓→水分高速流出對級配碎石產生沖刷→列車通過后外界水分吸入，如此往復循環即產生翻漿問題。以上研究成果為高速鐵路基床表層級配碎石翻漿病害整治提供理論依據。