基于現(xiàn)場原位振動(dòng)試驗(yàn)的風(fēng)沙路基動(dòng)力穩(wěn)定性研究

朱孟偉，陳華林，曹強(qiáng)強(qiáng)，周 聰，胡延杰

（1.中交華南交通建設(shè)工程有限公司，廣東廣州 510000；2.中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

引言

風(fēng)積沙是在干旱、半干旱自然氣候條件下，受土地荒漠化作用的產(chǎn)物，廣泛分布在我國西北地區(qū)。風(fēng)沙災(zāi)害在鐵路建設(shè)和運(yùn)營過程中貫穿始終，且不同地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害類型差異較大，給鐵路運(yùn)營及維護(hù)帶來了較大的挑戰(zhàn)[1-2]。我國荒漠化土地面積為261.16萬km2，沙化土地面積為172.12萬km2，國內(nèi)有一定數(shù)量的鐵路線路都穿越了沙化土地[3-4]。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，這些沙化地區(qū)仍需要修建公路及鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是高速鐵路受到的風(fēng)沙威脅更大[5-6]。如何解決風(fēng)沙地區(qū)鐵路線路建設(shè)、確保鐵路運(yùn)營安全是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

采用風(fēng)積沙作為鐵路路基填料已有先例，胡三喜等[7]對(duì)包西鐵路榆林地區(qū)不滿足規(guī)范要求的風(fēng)積沙填料進(jìn)行了改良研究，提出了在風(fēng)積沙中摻入不同配比的粉土以解決其作為路基填料的技術(shù)難題。屈澤剛等[8]結(jié)合包西鐵路項(xiàng)目，對(duì)風(fēng)積沙路基填筑料的物理改良施工進(jìn)行了研究，解決了風(fēng)積沙路基填筑壓實(shí)指標(biāo)。羅培新等[9]針對(duì)南疆線庫喀段風(fēng)沙路基工程特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了系列的路基設(shè)計(jì)與施工，為鐵路安全運(yùn)營提供了可靠的技術(shù)保障。卿國平等[10]圍繞新建鐵路包西線神木北至延安北九標(biāo)段為例，提出了黏土包坡配合種草或草籽的防護(hù)方式，以解決風(fēng)沙路基邊坡的穩(wěn)定問題。黨振峰等[11]開展了風(fēng)沙路基填料選擇、控制、壓實(shí)工藝等研究，為強(qiáng)風(fēng)、大溫差戈壁土風(fēng)沙路基填料施工技術(shù)提供指導(dǎo)。聶如松等[12]研究了風(fēng)積沙路基填料累積塑性應(yīng)變及預(yù)測模型，為風(fēng)積沙路基的沉降預(yù)測、路基設(shè)計(jì)和動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)估提供參考。

上述研究為風(fēng)沙路基的工程實(shí)踐提供了有益的指導(dǎo)，但目前尚未形成風(fēng)積沙路基填筑相關(guān)的施工工藝標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。不同工程均需在碾壓前通過試驗(yàn)確定，采用風(fēng)積沙作為路基填料時(shí)，還需要考慮對(duì)基床結(jié)構(gòu)的影響，評(píng)價(jià)其動(dòng)力穩(wěn)定性。本文以蒙華鐵路風(fēng)積沙段路基工程的建設(shè)為依托，開展現(xiàn)場原位振動(dòng)試驗(yàn)以獲取基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)風(fēng)積沙路基基床的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為今后類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程背景與試驗(yàn)方案

1.1 工程背景

蒙西華中鐵路MHTJ-1標(biāo)段位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，工程穿越毛烏素沙漠，地表廣泛分布有風(fēng)積沙，但優(yōu)質(zhì)路基填料匱乏，填筑路基所需土、砂石材料等若選擇遠(yuǎn)運(yùn)，將導(dǎo)致建造費(fèi)用過高。最大程度利用沿線豐富的風(fēng)積沙作為路基填料，將大量節(jié)約工程投資，縮短施工周期。但風(fēng)積沙路基能否滿足重載鐵路的要求，仍需進(jìn)一步研究。為了評(píng)價(jià)風(fēng)沙路基的動(dòng)力穩(wěn)定性，開展路堤或路塹基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)測試，包括動(dòng)位移、累積位移、振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度及動(dòng)應(yīng)力，為基床結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)并進(jìn)一步進(jìn)行路基動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

模擬列車荷載水平作用于路基面，獲取路基動(dòng)變形數(shù)據(jù)，是現(xiàn)場測試的可行方法及途徑。采用由高速液壓振動(dòng)夯機(jī)+加載板，開展蒙華鐵路6 個(gè)斷面的現(xiàn)場原位振動(dòng)試驗(yàn)，采集試驗(yàn)過程中相應(yīng)測試斷面的動(dòng)變形（動(dòng)位移）、路基面累積變形、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度及動(dòng)應(yīng)力等數(shù)據(jù)。根據(jù)動(dòng)變形測試數(shù)據(jù)，按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001-2016）[13]與《高速鐵路路基修理規(guī)則》（TG/GW 120-2015）[14]的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場填料選擇、壓實(shí)檢測數(shù)據(jù)等資料綜合評(píng)價(jià)風(fēng)沙路基的動(dòng)力穩(wěn)定性。

1.2 原位振動(dòng)試驗(yàn)方案

采用高速液壓夯實(shí)機(jī)+一定尺寸的加載板，通過調(diào)節(jié)落錘的落距和作用時(shí)間，基于基床結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形等效原則，實(shí)現(xiàn)列車荷載作用下路基面動(dòng)應(yīng)力水平的模擬。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況、振動(dòng)機(jī)械的有效影響深度，采用高速液壓夯實(shí)機(jī)+現(xiàn)場制作的鋼筋混凝土加載板作為加載方式。振動(dòng)設(shè)備采用HC36型高速液壓夯實(shí)機(jī)和ZL50C 型輪式裝載機(jī)，夯機(jī)實(shí)際錘重2.75 t（理論錘重3 t）、額定沖擊能量 36 kJ、錘體行程200～1 200 mm、錘擊頻率30～80次/min、標(biāo)配夯板直徑1 m、工作質(zhì)量6.4 t，如圖1 所示。

圖1 原位振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 In situ vibration testing equipment

加載板采用厚度為2 cm 的鋼板加工制作成平面尺寸為2.0 m×2.0 m、核心區(qū)面積為1.2 m×1.2 m，空腔內(nèi)澆筑C50 高強(qiáng)度混凝土，中心位置處預(yù)留直徑10 cm 的限位孔。標(biāo)定裝置由底座、測力傳感器、加載底板、橡膠與薄鋼板互層、加載頂板及落距控制裝置構(gòu)成，用于標(biāo)定振動(dòng)試驗(yàn)所需要的振動(dòng)荷載，如圖2。加載頂板、橡膠與鋼板互層、加載底板為邊長1.2 m 的方形板，中心預(yù)留直徑10 cm 的限位孔。其中加載頂、底板厚2 cm，橡膠與鋼板互層中的橡膠墊厚1～2 cm，鋼板厚1～2 mm，落錘落距控制裝置如圖3 所示。

圖2 標(biāo)定裝置組成及尺寸圖（單位：cm）Fig.2 Composition and Dimensional Diagram of Calibration Device (Unit: cm)

圖3 落錘落距控制裝置Fig.3 Drop Weight Control Device

原位振動(dòng)試驗(yàn)共設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測斷面。各斷面類型及振動(dòng)次數(shù)如表1 所列。

表1 測試斷面類型及振動(dòng)次數(shù)Tab.1 Test Section Types and Vibration Times

原位振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)動(dòng)荷載影響范圍3.0 m內(nèi)的彈性變形等效原則確定加載板板底應(yīng)力。按基床部分累計(jì)彈性變形等效的原則，反算加載板板底應(yīng)力。在軸重30 t、35 t 及40 t 極限與常遇荷載作用下，原位振動(dòng)試驗(yàn)所需施加的荷載如表2 所列。

表2 原位振動(dòng)試驗(yàn)所需施加的荷載Tab.2 Load required for in-situ vibration test

3 風(fēng)沙路基原位振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 傳感器布置

本次原位振動(dòng)試驗(yàn)，6 個(gè)測試斷面?zhèn)鞲衅髀裨O(shè)如圖4 所示。

圖4 測試斷面?zhèn)鞲衅髀裨O(shè)情況Fig.4 Test section sensor burial situation

3.2 荷載標(biāo)定

進(jìn)行原位振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，加載板平面尺寸為2.0 m ×2.0 m，厚度為20 mm，板底應(yīng)力按61 kPa 計(jì)算，常遇荷載需施加荷載275.6 kN，約為27.56 t。落距、緩沖墊層數(shù)組合方式不一樣，夯實(shí)機(jī)沖擊力不同，因此試驗(yàn)前，需進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，找出落距與緩沖墊層數(shù)的組合關(guān)系，使沖擊力為27.56 t 左右。

1）第一次標(biāo)定試驗(yàn)

由于夯實(shí)機(jī)只有0.3 m、0.6 m 和1.2 m 三種落距，第一次標(biāo)定時(shí)，欲通過增減緩沖墊層數(shù)改變作用時(shí)間，從而調(diào)節(jié)沖擊荷載，為避免沖擊荷載過大，損壞荷重傳感器，設(shè)置緩沖墊時(shí)從20 層開始，一片2 mm 厚鋼板和一片10 mm 厚橡膠板計(jì)為一層，由于通過初步振動(dòng)發(fā)現(xiàn)該高速夯實(shí)機(jī)落錘由于慣性作用不能精準(zhǔn)控制高度，始終存在10 cm 左右的慣性距離，因此第一次標(biāo)定試驗(yàn)的落距均定在約10.4 cm。第一次標(biāo)定試驗(yàn)可得出沖擊荷載與緩沖墊層層數(shù)之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 沖擊力與緩沖墊層層數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between Impact Force and Number of Cushion Layers

從圖5 可以看出：隨著緩沖墊層層數(shù)的增加，沖擊荷載也隨之有減小的趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)并不是很明顯。當(dāng)緩沖墊層到達(dá)60 層時(shí)，此時(shí)的沖擊荷載比較接近本次振動(dòng)試驗(yàn)常遇荷載所需要的28.3 t，故本次振動(dòng)試驗(yàn)選擇緩沖墊層為60 層。

2）第二次標(biāo)定試驗(yàn)

為了研究不同振動(dòng)荷載作用下的路基動(dòng)力響應(yīng)，還需在同等緩沖層數(shù)下通過落距控制裝置進(jìn)行不同落距所對(duì)應(yīng)的沖擊荷載標(biāo)定，從第二次標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果可以得出沖擊荷載與落距之間的關(guān)系如圖6所示（60 層緩沖墊層）。

圖6 沖擊荷載與落距之間的關(guān)系（緩沖墊層60 層）Fig.6 Relationship between Impact Load and Drop Distance (60 Cushion Layers)

通過荷載標(biāo)定試驗(yàn)確定了本次振動(dòng)試驗(yàn)加載計(jì)劃，詳細(xì)情況見表3。

表3 原位振動(dòng)加載及數(shù)據(jù)采集方案Tab.3 In situ vibration loading and data acquisition scheme

落距10.4、15.1 cm；12.4、18.7 cm；16.1、21.6 cm 分別對(duì)應(yīng)30 t（常遇）、30 t（極限）；35 t（常遇）、35 t（極限）；40 t（常遇）、40 t（極限）。

3.3 數(shù)據(jù)采集

原位振動(dòng)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集采用德國imc動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行。該設(shè)備總共有32 個(gè)采集通道。原位振動(dòng)試驗(yàn)是測試路堤或路塹基床結(jié)構(gòu)在振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，包括動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力、累積位移、振動(dòng)加速度及振動(dòng)速度。因此，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃選取對(duì)應(yīng)精度的優(yōu)質(zhì)傳感器來測試，從而獲取較為精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 風(fēng)沙路基動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

1）《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001-2016）[13]第6 章第2 節(jié)第2 條，路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)變形的規(guī)定：有砟軌道基床表層的動(dòng)變形限值為1 mm，無砟軌道基床表層的動(dòng)變形限值為0.22 mm。

2）《高速鐵路路基修理規(guī)則》（TG/GW 120-2015）[14]第2 章第4 節(jié)第34 條，路基動(dòng)變形的限值規(guī)定，如表4 所示。

表4 路基動(dòng)荷載和動(dòng)變形評(píng)判值Tab.4 Evaluation values of dynamic load and deformation of roadbed

4.2 測試數(shù)據(jù)匯總

1）6 個(gè)測試斷面的基床以下路堤、基床底層、基床表層的填筑材料如表5 所列。

表5 DK32 段路基填筑材料基本參數(shù)Tab.5 Basic parameters of embankment filling materials for section DK32

2）經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)前后的K30 檢測，各斷面的路基基床表層地基系數(shù)K30，如表6 所列。

表6 各斷面振動(dòng)試驗(yàn)前后K30 變化情況Tab.6 Changes in K30 before and after vibration tests on each section

可以看出，各斷面的路基基床表層地基系數(shù)K30 均大于150 MPa/m；各斷面振動(dòng)試驗(yàn)后的K30值均明顯高于振動(dòng)試驗(yàn)前且DK32+560.86、+580.86（路塹）兩斷面振動(dòng)后的K30 值要大于DK32+170、+180（高路堤）兩斷面。因此，路塹兩個(gè)斷面最終的動(dòng)位移（0.76 mm 左右）要小于高路堤兩個(gè)測試斷面的動(dòng)位移（0.81 mm 左右）。

3）在30 t 軸重常遇荷載作用下，6 個(gè)測試斷 面的動(dòng)變形即動(dòng)位移振動(dòng)初期（振動(dòng)100 次）和振動(dòng)后期（振動(dòng)100 000 或50 000 次）的變化情況，如表7 所列。可以看出，各測試斷面的動(dòng)位移均小于1 mm，且均值在0.697～0.896 mm 之間。

表7 各斷面動(dòng)位移振動(dòng)初期和后期變化情況Tab.7 Changes in initial and later stages of dynamic displacement vibration of each section

4）根據(jù)6 個(gè)測試斷面的累積位移發(fā)展情況可以看出，在30 t 軸重常遇荷載作用下，各斷面累積位移發(fā)展趨勢(shì)是一樣的。振動(dòng) 100 000 次，DK32+170 斷面的累積位移到達(dá) 12.26 mm，DK32+580.86 斷面的累積位移到達(dá)15.23 mm。振動(dòng)50 000 次的測試斷面最大累積位移達(dá)到10.68 mm（DK32+526.4 除外）。

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)論

考慮試驗(yàn)段6 個(gè)測試斷面的填料參數(shù)、結(jié)合現(xiàn)場測得的基床表層K30 壓實(shí)指標(biāo)、根據(jù)原位振動(dòng)試驗(yàn)得到的動(dòng)位移及其他動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析，有如下結(jié)論：

1）各測試斷面路基基床填筑所采用的A、B組填料以及基床以下路堤填筑所采用的C 組填料均符合《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001-2016）對(duì)路基基床及基床以下路堤結(jié)構(gòu)填筑填料的要求；

2）各測試斷面的路基基床表層地基系數(shù)K30振動(dòng)試驗(yàn)前后均大于150 MPa/m，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，路基填筑質(zhì)量良好；

3）在30 t 軸重常遇荷載作用下，各測試斷面的動(dòng)位移均小于1 mm，滿足規(guī)范要求的動(dòng)力變形限值要求。

綜上所述，風(fēng)積沙路基基床結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性符合要求。

5 結(jié)語

通過在蒙華重載鐵路風(fēng)沙填筑段的路堤、路塹斷面，進(jìn)行原位振動(dòng)試驗(yàn)，測試了30 t 軸重列車常遇荷載、極限荷載作用下的動(dòng)位移、累積位移、振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度和動(dòng)應(yīng)力等動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1）采用高速液壓夯實(shí)機(jī)+2 m×2 m 的加載板，基于基床結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形等效原則，通過調(diào)節(jié)落錘的落距和作用時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)列車荷載作用下路基面動(dòng)應(yīng)力水平的模擬；

2）在30 t 軸重列車荷載作用下，測試斷面路基面動(dòng)位移為 0.75～0.944 mm，振動(dòng)加速度為38.522～73.88 m/s2，振動(dòng)速度為0.05～0.125 m/s，動(dòng)應(yīng)力27.24～65.01 kPa；

3）在30 t 軸重常遇荷載作用下，振動(dòng)10 萬次時(shí)，測試斷面路基基床所產(chǎn)生的最大累積位移為15.23 mm；振動(dòng)5 萬次，測試斷面路基基床所產(chǎn)生的最大累積位移為10.68 mm；

4）測試斷面路基填筑材料、原位振動(dòng)試驗(yàn)前后的K30值以及在30 t軸重下各個(gè)測試斷面測得的動(dòng)變形即動(dòng)位移均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，表明路基填筑質(zhì)量良好，動(dòng)力穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。