35～40 t軸重鐵路泡沫輕質土路橋過渡段力學特性試驗研究

李泰灃 韓自力 陳鋒 馬戰國 李中國 張棟

（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）

近年來，重載運輸成為世界鐵路發展的重要方向之一。從國外發展重載運輸的實踐來看，重載運輸具有很好的經濟性。一方面其運能大、效率高、運輸成本低；另一方面大軸重、高牽引重量重載運輸可顯著提高機車車輛運轉效率，減少機車車輛數量，同時降低牽引能耗，降低機車車輛維護費用和設備占用時間。重載運輸已成為大宗貨物最為經濟有效的運輸方式。目前澳大利亞FMG鐵路軸重已達40 t，美國重載鐵路貨車軸重大多集中在32.5～35.7 t，巴西淡水河谷重載鐵路軸重已達32.5 t以上。

重載鐵路路基容易發生路基開裂、下沉、翻漿冒泥、邊坡坍塌等病害，路基的破壞變形最終反映在軌道的變形破損上［1］，從而造成維修工作量加大，維修成本大大增加，軌道裝備壽命縮短，甚至危及運營行車安全。目前中國在30 t軸重新建鐵路技術方面積累了豐富的經驗，已成功建成國內首條軸重30 t重載鐵路——瓦日鐵路。為了滿足“一帶一路”國家倡議需求，緊跟世界步伐，有必要開展35～40 t軸重下路基結構設計的相關研發工作。

1 泡沫輕質土路橋過渡段動態試驗

泡沫輕質土具有密度低、施工方便等特點［2-3］，其本身剛度大，具有分散荷載、減少沉降的作用，用于填筑重載鐵路過渡段，可以有效解決過渡段不易壓實和差異沉降的問題。

為進一步掌握重載鐵路泡沫輕質土路橋過渡段的動態響應特征及應力傳遞規律，中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所于2018年夏季在美國交通技術中心（TTCI）的加速試驗線（FAST）大軸重環線（HTL）上東鐵橋（ESB）附近區段4到區段5之間，鋪設了長20 m的泡沫輕質土路橋過渡段重載試驗段（圖1）。

圖1 TTCI大軸重環線HTL試驗線

根據試驗計劃，于2019年秋季開展了TTCI實尺實車靜、動態模擬試驗及實車運量考核試驗（圖2），旨在驗證新型泡沫輕質土路基結構設計的安全性、可靠性與合理性，為完善重載鐵路有砟軌道路基設計技術體系提供支撐。

圖2 輕質土路基過渡段動態測試

1.1 試驗段設計

泡沫輕質土路橋過渡段分臺階鋪設，臺階高差0.8 m，最薄處不應小于0.8 m，距泡沫輕質土頂部0.1 m處設置金屬網。泡沫輕質土每隔10 m左右及厚度變化處設置變形縫，縫寬2.0 cm，縫深0.2 m。泡沫輕質土路基結構整體采用復合土工膜（HDPE）全包裹的形式，并在泡沫輕質土頂面設置復合土工膜砂墊層［4］。泡沫輕質土性能指標見表1。泡沫輕質土路橋過渡段結構形式如圖3所示。

表1 泡沫輕質土性能指標

圖3 泡沫輕質土路橋過渡段結構示意

1.2 測試內容

試驗的主要目的是獲得泡沫輕質土路橋過渡段在大軸重（35.0，37.5，40.0 t）實載列車動力作用下的應力傳遞規律和動態響應特征。主要測試內容包括：①泡沫輕質土路橋過渡段動應力、動變形；②泡沫輕質土路基壓縮變形和基底沉降以及路橋過渡段差異沉降；③泡沫輕質土路基內部含水率變化情況。試驗用傳感器主要為壓力分布傳感器、動土壓力盒、沉降板、動位移傳感器、含水率傳感器。前期1～2 d采集1次測試值，中期5～10 d，后期15～30 d。

傳感器埋設如圖4所示。主要測試斷面的動土壓力盒及動位移傳感器布置見表2。

圖4 TTCI泡沫輕質土傳感器布置

表2 傳感器編號及埋設位置

2 動應力測試情況分析

2.1 動應力沿線路縱向分布規律

在相同測試條件下（行車速度64 km/h），各斷面結構層的動應力測試結果見表3。可知，軸重40 t時斷面2、斷面5泡沫輕質土表面最大動應力分別約為141.61，91.43 kPa。由于斷面2為雙臺階設計，其綜合剛度較斷面5（單臺階）大，故動應力水平相對較高。從動應力衰減系數可以看出，列車從斷面2行駛到斷面5，應力衰減逐步明顯，符合路橋過渡段的基本功能要求。

表3 不同斷面泡沫輕質土路橋過渡段動應力測試結果

2.2 動應力沿豎直方向分布規律

根據AREMA規范中第1卷第2節中的規定，對于本測試條件下通行軸重40 t列車，底砟層最小設計厚度為38 cm，且道砟層和底砟層的綜合厚度不應小于65 cm，以保證路基結構具有足夠的承載能力［7-8］。本次重載鐵路泡沫輕質土路橋過渡段道砟層、級配碎石（底砟）層設計厚度分別為35，70 cm，結構設計滿足規范要求。

AREMA規范建議，級配碎石（底砟）表面承擔應力不應大于285.4 kPa，以滿足重載鐵路對于路基承載能力的設計要求。

由表3可知，在相同測試條件下（行車速度64 km/h）軸重40 t時，斷面2級配碎石（底砟）表面、泡沫輕質土表面最大動應力分別為194.50，141.61 kPa左右，動應力水平滿足路基結構設計要求。對于輕質土路基而言，深度每增加0.8 m其動應力水平降低約40 kPa。

2.3 列車軸重對動應力的影響

測試列車編組情況為2節6軸機車，后接15節重載車廂（35.0，37.5，40.0 t軸重列車各5節）。由表3可知，隨著列車軸重的降低動應力呈類線性遞減，泡沫輕質土表面的動應力相對于級配碎石表面較小。列車軸重每降低2.5 t斷面2級配碎石表面、輕質土表面動應力分別降低約10，3 kPa。隨深度的增加，列車軸重對輕質土路基結構動應力的影響逐步降低。

不同列車軸重條件下路基面實測最大動應力與擬合最大動應力見表4。可知，路基面動應力與列車軸重間存在線性關系，可為今后我國重載鐵路的發展提供理論支撐和數據支持，也間接驗證了本次試驗結構和數據的合理性、可靠性。

表4 不同列車軸重條件下路基面最大動應力實測值與擬合值

2.4 列車速度對動應力的影響

軸重40 t列車以不同行車速度通過測試斷面時，泡沫輕質土路橋過渡段不同位置處的最大動應力見表5。可知，列車行車速度的提升對泡沫輕質土表面動應力的改變影響較小，列車行車速度每提升16 km/h，級配碎石表面動應力提升7 kPa左右，泡沫輕質土表面動應力提升5 kPa左右。

表5 不同行車速度時泡沫輕質土路橋過渡段最大動應力 kPa

3 動位移測試情況分析

3.1 動位移沿線路縱向分布規律

軸重40 t列車以速度32 km/h行駛時，泡沫輕質土路橋過渡段相同深度處的動位移見圖5。可知，斷面2（雙臺階）、斷面5（單臺階）泡沫輕質土表面動位移分別為0.6，0.5 mm，斷面2泡沫輕質土表面動位移較斷面5處大0.1 mm。

圖5 泡沫輕質土路橋過渡段動位移沿線路縱向分布情況

3.2 動位移沿豎直方向分布規律

軸重40 t列車以速度32 km/h行駛時，泡沫輕質土路橋過渡段不同斷面處的動位移見圖6。可知，斷面2（雙臺階）泡沫輕質土底面、表面的動位移分別為0.35，0.56 mm，級配碎石表面動位移為0.77 mm。深度每增加0.8 m，動位移降低0.20 mm。

圖6 不同軸重條件下泡沫輕質土路橋過渡段動位移

3.3 列車軸重對動位移的影響

經測試可知，隨著列車軸重的減小泡沫輕質土路橋過渡段動位移逐步降低。軸重每降低2.5 t，泡沫輕質土路橋過渡段動位移降低0.06 mm。間接證明了泡沫輕質土路基結構具有良好的抵抗動位移的能力，可以滿足重載鐵路對于路橋過渡段的結構要求。

3.4 列車速度對動位移的影響

軸重40 t列車以不同速度行駛時，泡沫輕質土路橋過渡段不同斷面的動位移見圖7。可知，當列車行車速度每增加16 km/h，級配碎石表面動位移增加0.2 mm，輕質土表面動位移增加約0.1 mm。

圖7 不同行車速度條件下泡沫輕質土路橋過渡段動位移

4 現場長期觀測結果

4.1 試驗測試車輛（軸重）情況

長期觀測的重載試驗列車由3節車頭和110節重載車廂組成，每節車廂軸重為35.4 t，最大行車速度為64 km/h。每晚行車累計通過質量約為2.0×106t，截至2019年10月底累計通過質量約為154.2×106t。

沉降板分別埋設在泡沫輕質土底面、泡沫輕質土表面、級配碎石表面3個結構面。泡沫輕質土路橋過渡段各結構層平均沉降見圖8。可知，當列車通過質量為40×106～50×106t后，整體結構沉降趨于穩定；基底沉降基本在0.5 mm左右，泡沫輕質土平均沉降穩定在4.0 mm左右，后續累計通過質量的增加對各層沉降無明顯影響，整體服役性能較好。

圖8 泡沫輕質土路橋過渡段各結構層平均沉降

泡沫輕質土路基結構各臺階壓縮變形見圖9。可知，單臺階泡沫輕質土壓縮變形在通過總質量60×106t后穩定在4.0mm左右，力學性能較好。

圖9 泡沫輕質土各層壓縮變形情況

4.2 泡沫輕質土路橋過渡段含水率情況

泡沫輕質土路橋過渡段含水率見圖10。可知，隨著通過質量的增加輕質土內部含水率略有增大，與當地氣候條件和溫度變化有關。整體而言，斷面1含水率較斷面2處略大，其他測試位置無明顯異常，泡沫輕質土路基整體服役性能良好。

圖10 泡沫輕質土路橋過渡段含水率

5 結論

1）泡沫輕質土路橋過渡段動應力水平滿足路基結構設計要求。路基深度每增加0.8 m，泡沫輕質土路橋過渡段動應力降低約40 kPa。

2）列車軸重和列車行車速度對于輕質土路橋過渡段動應力影響較小。列車軸重每增加2.5 t，級配碎石表面動應力水平增加約10 kPa，泡沫輕質土表面動應力增加約3 kPa；路基面最大動應力與列車軸重在數值上存在線性關系。

3）泡沫輕質土路橋過渡段動位移對深度比較敏感，對列車行車速度相對敏感，對列車軸重較不敏感。

4）泡沫輕質土路橋過渡段整體力學性能較好。累計通過質量40×106～50×106t后，泡沫輕質土路橋過渡段沉降趨于穩定，基底沉降基本在0.5 mm，泡沫輕質土平均沉降穩定在4.0 mm，后續累計通過質量的增加對各結構層沉降無明顯影響。

5）隨累計通過質量的增加泡沫輕質土路橋過渡段內部含水率變化較小，整體結構具有較好的服役性能，可以滿足重載鐵路對于路橋過渡段的結構要求。