重載鐵路泡沫輕質土路橋過渡段長期服役性能試驗研究

李泰灃 韓自力 張棟 陳鋒 李中國

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

重載鐵路路基容易發生路基開裂、下沉、翻漿冒泥及邊坡坍塌等病害。路基的破壞變形最終將導致軌道的變形破損，從而造成維修工作量加大，維修成本增加［1-2］，甚至危及鐵路行車安全。

我國在25～30 t軸重既有重載鐵路加固和新建鐵路技術方面積累了豐富的經驗［3］。為了滿足“一帶一路”倡議需求，有必要開展35～40 t軸重下路基結構的相關研究與試驗工作，提出適用于35～40 t軸重的路橋過渡段結構，為完善我國重載鐵路路橋過渡段設計理念與方案提供理論基礎與試驗支撐。

現澆泡沫輕質土具有密度小、強度高、施工便捷等優點，用于鐵路路基填筑可大幅度地減輕施加于地下結構物上的土壓力，使路基內應力更大范圍地均勻擴散，減小作用于地下結構物上的附加應力［4］。采用泡沫輕質土替代普通路基填料，可有效解決優質填料難以獲取、遠運成本較大、施工條件較為困難等問題，尤其適用于重載鐵路路橋過渡段填筑，對過渡段不易壓實和不均勻沉降等問題是較好的解決方案。

中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所于2016年研發了適用于35～40 t軸重的重載鐵路泡沫輕質土路基結構［5-6］，并于2018年應用在美國交通技術中心（Transportation Technology Center Inc.，TTCI）的加速試驗線（FAST）大運量環線（High Tonnage Loop，HTL）上。大運量環線2018年9月—2020年10月底累計通過總質量達到3.25×108t。本文結合現場觀測、長期監測等，對重載鐵路泡沫輕質土路橋過渡段的耐久性和長期服役性能進行分析。

1 試驗概況

鐵道建筑研究所于2018年在TTCI的加速試驗線大運量環線上，鋪設了一段長度20 m的泡沫輕質土路橋過渡段重載試驗段。具體位置位于大運量環線東鐵橋的西過渡段附近，如圖1所示。

圖1 TTCI大運量環線試驗段

主要試驗內容包括：①建造現澆泡沫輕質土重載鐵路路橋過渡段，使其強度滿足設計要求；②對其變形進行長期監測和人工觀測，驗證其整體服役性能；③當通過總質量達到3.25×108t后，對泡沫輕質土路橋過渡段進行開挖，觀測輕質土表面裂縫發展情況，評價其結構完整性；④通過鉆芯取樣，獲得泡沫輕質土內部劣化趨勢，驗證其長期服役性能；⑤通過長期服役性能測試，對現有設計、施工方法提出改進建議。

2 泡沫輕質土路橋過渡段設計施工

2.1 路橋過渡段設計

泡沫輕質土路橋過渡段主體結構由現澆泡沫輕質土構成，總共分為三個臺階，單層臺階高為0.8 m。泡沫輕質土路橋過渡段結構整體采用復合土工膜全包裹的形式，并在泡沫輕質土頂面設置砂墊層。距泡沫輕質土頂部0.1 m處設置金屬網。過渡段每隔10 m左右及厚度變化處設置沉降縫，縫寬2 cm，深0.2 m。泡沫輕質土性能指標［8］見表1，過渡段具體結構形式見圖2。

表1 泡沫輕質土性能指標

圖2 泡沫輕質土路橋過渡段結構形式

2.2 路橋過渡段施工

泡沫輕質土路橋過渡段主要施工材料包括現澆泡沫輕質土、砂漿、復合土工膜、鋼絲網、沉降縫嵌縫材料、路基填土、砂、底砟（級配碎石）、道砟等。

現澆泡沫輕質土路橋過渡段施工，通過澆筑10 cm厚的砂漿保護層，找平并保護輕質土底面。這項工作于2018年7月10日完成。砂漿材料的設計強度約為13.8 MPa。在底層復合土工膜鋪設完成后，可對泡沫輕質土進行澆筑。為了減少直角處可能導致的后期破壞，將原有直角臺階設置優化為45°斜角，并將整個澆筑過程分為五次，如圖3所示。

圖3 泡沫輕質土路橋過渡段施工

第1次澆筑于2018年7月11日開始，第5次澆筑于2018年7月19日結束。最終的輕質土材料符合濕密度和28 d強度要求（圖4）。固化完成后，對泡沫輕質土進行鉆芯取樣，以檢查整體質量和其他存在的問題。結果表明泡沫輕質土強度滿足設計要求，施工質量良好（圖5）。

圖4 抗壓強度變化

圖5 輕質土施工最終狀況

通過現場澆筑可以發現，由于泡沫輕質土初始固化過程中釋放熱量較多，會導致空洞、離縫進而影響澆筑后的整體強度，因此須嚴格控制單次澆筑時間及厚度。每次澆筑泡沫輕質土時間應控制在1 h內，以便有利于泡沫輕質土的固化。澆筑后第二天，應檢查泡沫輕質土表面的材料及其黏結情況。

3 泡沫輕質土路橋過渡段監測結果

長期服役性能觀測從2018年秋季一直持續到2020年秋季，大運量環線累計通過總質量達到3.25×108t。大運量環線上運行的列車編組為三節北美標準內燃機車牽引100輛標稱143 t的重載車（軸重35.4 t）和10輛標稱130 t的重載車（軸重32.7 t），最大運行速度64 km∕h。重載列車在每年2月至5月期間，每周運行4晚（每晚累計超過2×106t），然后在9月至11月再次運行。

3.1 測量參數

監測參數有軌道頂面高程、沉降標高程、軌道剛度等。軌道頂面高程測量的目的是獲得輕質土路橋過渡段范圍內軌道沿縱向的變形規律，該測量值包括軌枕、道砟、底砟（級配碎石）、砂墊層、泡沫輕質土和基底的總沉降。

沉降標被放置在不同結構層表面上，在六個測試斷面（表2）處各分為三個測試面：輕質土底面、輕質土表面和級配碎石表面。

表2 六組沉降標具體埋設位置

軌道頂面高程和沉降標測量點所處橫向位置不同，故二者觀測值存在一定差異。

3.2 沉降標觀測

沉降標與軌道頂面高程觀測具有相同觀測周期，可以比較并獲得各結構層沉降的發展趨勢。33#軌枕處（測試斷面5，距橋臺水平距離16.2 m，單臺階）結構層沉降隨通過總質量的變化規律見圖6。

圖6 33#軌枕處（距橋臺16.2 m）三個沉降標觀測結果

由圖6可知：輕質土基底幾乎沒有沉降，與預期一致；泡沫輕質土表面在最初的5×106t中，初始沉降約為4～5 mm，之后幾乎沒有沉降發展。

當通過總質量達到3.25×108t后，六個測試斷面各結構層的最終沉降見表3。可知：各測試斷面相同結構層的測試結果基本一致。距離橋臺水平距離10.4 m位置處較低的沉降是由于設置沉降縫導致的。

表3 各結構層表面沉降

3.3 分層沉降數據分析

根據軌道頂面高程和沉降標的數據，可計算得出各結構層的沉降。整個運量考核試驗完成時和通過總質量4×107t后各結構層平均沉降見表4。可知：大部分沉降發生在道砟層，其次是底砟（級配碎石）層；約75%～80%發生在輕質土上方的各顆粒層中，泡沫輕質土自身沉降較小。

表4 各結構層分層沉降

雖然輕質土表面存在一些初始沉降，但在4×107t后，該沉降可忽略不計。路基基底未發生明顯沉降，表明泡沫輕質土整體服役性能良好。

4 泡沫輕質土長期性能分析

為了對泡沫輕質土長期服役性能進行更深入的研究，在累計通過總質量3.25×108t后，于2020年夏季對泡沫輕質土上覆結構進行移除和開挖，并對其表面進行人工觀測。

4.1 輕質土沉降分析

通過分層沉降（沉降標）觀測，可計算得出輕質土自身的沉降。各測試斷面處輕質土表面沉降隨通過總質量的變化規律見圖7。可知，大部分沉降發生在最初的通過總質量1×107t，然后是相對平穩的沉降發展階段，表明輕質土具有較好的長期穩定性。

圖7 泡沫輕質土表面各測點沉降情況

4.2 輕質土表面狀況

從2020年6月30日至7月1日，對輕質土上方的砂、底砟（級配碎石）和道砟進行了開挖移除；揭除復合土工膜后可以發現，輕質土表面仍具有較好的完整性，與大運量試驗前的狀態相比無明顯劣化。開挖移除后的輕質土表面傷損情況見圖8。輕質土表面輕微刻痕和凹痕是由于機械開挖導致的，其整體完整性并未受到影響；沉降標附近存在部分裂縫，是由于埋設標桿應力集中所致。

圖8 通過總質量3.25×108 t后輕質土表面傷損

4.3 輕質土表面縱向高程變化

對輕質土表面縱向高程進行測量，測量點位于軌枕的內、外側下方，每三根軌枕測量一次，即軌道頂面高程測點的正下方。

測量結果表明內、外軌下方的高程趨勢相似，凹陷發生在距橋臺水平距離4～8 m以及12～18 m處，凸起發生在距橋臺水平距離8～12 m處。

通過總質量3.25×108t后不同比例尺條件下輕質土表面高程測量和沉降標測量結果的對比見圖9。可知，輕質土表面縱向變形規律較為一致，不均勻沉降隨著埋深的增大而減小。

圖9 輕質土表面高程與沉降標觀測對比

4.4 輕質土表面橫向高程變化

對距橋臺水平距離1.7、8.5、14.3 m三個測量點處的橫向高程進行測量。每個測試斷面有21次個測點，位置如圖10所示。

圖10 輕質土表面橫向高程測量

輕質土表面橫向高程變化見圖11。紫色豎直虛線對應鋼軌下方，黑色豎直虛線對應軌枕末端。可知：三個測試斷面處均顯示出相似的特征，距軌道中心-1.6～1.6 m內表面橫向高程變化較小，軌枕外側略微向下傾斜，這與輕質土表面排水坡設置有關。

圖11 輕質土表面高程橫向變化

4.5 輕質土鉆芯取樣和底面情況

從不同測試斷面（不同臺階）處，進行鉆芯取樣：①距橋臺水平距離1.7 m處1.2 m深鉆芯；②距橋臺水平距離8.5 m處0.9 m深鉆芯；③距橋臺水平距離14.3 m處0.6 m深鉆芯。不同位置處鉆芯取樣的情況見圖12。可知，泡沫輕質土內部不存在任何損壞或劣化跡象，其整體狀況良好。

圖12 不同位置處鉆芯取樣情況

5 結論

1）泡沫輕質土可安全應用于重載鐵路路橋過渡段，施工過程中應確保原材料選型、規格和施工工藝滿足設計要求。

2）泡沫輕質土在累計通過總質量達到3.25×108t后，約65%～75%的沉降發生在前4×107t，約50%的沉降發生在道砟層中，其余發生在底砟（級配碎石）和砂墊層中。輕質土底面沉降約為0.5 mm，泡沫輕質土平均沉降約4.0 mm。后續通過總質量增加對各結構層沉降無明顯影響。

3）泡沫輕質土路橋過渡段表面不存在明顯裂縫發展趨勢；鉆芯取樣表明泡沫輕質土內部狀況良好，沒有損壞或劣化跡象。

4）泡沫輕質土路橋過渡段在大運量試驗中表現良好，其長期服役性能較好。