35～40 t轴重铁路泡沫轻质土路桥过渡段力学特性试验研究

李泰灃 韩自力 陈锋 马战国 李中国 张栋

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）

近年来，重载运输成为世界铁路发展的重要方向之一。从国外发展重载运输的实践来看，重载运输具有很好的经济性。一方面其运能大、效率高、运输成本低；另一方面大轴重、高牵引重量重载运输可显著提高机车车辆运转效率，减少机车车辆数量，同时降低牵引能耗，降低机车车辆维护费用和设备占用时间。重载运输已成为大宗货物最为经济有效的运输方式。目前澳大利亚FMG铁路轴重已达40 t，美国重载铁路货车轴重大多集中在32.5～35.7 t，巴西淡水河谷重载铁路轴重已达32.5 t以上。

重载铁路路基容易发生路基开裂、下沉、翻浆冒泥、边坡坍塌等病害，路基的破坏变形最终反映在轨道的变形破损上［1］，从而造成维修工作量加大，维修成本大大增加，轨道装备寿命缩短，甚至危及运营行车安全。目前中国在30 t轴重新建铁路技术方面积累了丰富的经验，已成功建成国内首条轴重30 t重载铁路——瓦日铁路。为了满足“一带一路”国家倡议需求，紧跟世界步伐，有必要开展35～40 t轴重下路基结构设计的相关研发工作。

1 泡沫轻质土路桥过渡段动态试验

泡沫轻质土具有密度低、施工方便等特点［2-3］，其本身刚度大，具有分散荷载、减少沉降的作用，用于填筑重载铁路过渡段，可以有效解决过渡段不易压实和差异沉降的问题。

为进一步掌握重载铁路泡沫轻质土路桥过渡段的动态响应特征及应力传递规律，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所于2018年夏季在美国交通技术中心（TTCI）的加速试验线（FAST）大轴重环线（HTL）上东铁桥（ESB）附近区段4到区段5之间，铺设了长20 m的泡沫轻质土路桥过渡段重载试验段（图1）。

图1 TTCI大轴重环线HTL试验线

根据试验计划，于2019年秋季开展了TTCI实尺实车静、动态模拟试验及实车运量考核试验（图2），旨在验证新型泡沫轻质土路基结构设计的安全性、可靠性与合理性，为完善重载铁路有砟轨道路基设计技术体系提供支撑。

图2 轻质土路基过渡段动态测试

1.1 试验段设计

泡沫轻质土路桥过渡段分台阶铺设，台阶高差0.8 m，最薄处不应小于0.8 m，距泡沫轻质土顶部0.1 m处设置金属网。泡沫轻质土每隔10 m左右及厚度变化处设置变形缝，缝宽2.0 cm，缝深0.2 m。泡沫轻质土路基结构整体采用复合土工膜（HDPE）全包裹的形式，并在泡沫轻质土顶面设置复合土工膜砂垫层［4］。泡沫轻质土性能指标见表1。泡沫轻质土路桥过渡段结构形式如图3所示。

表1 泡沫轻质土性能指标

图3 泡沫轻质土路桥过渡段结构示意

1.2 测试内容

试验的主要目的是获得泡沫轻质土路桥过渡段在大轴重（35.0，37.5，40.0 t）实载列车动力作用下的应力传递规律和动态响应特征。主要测试内容包括：①泡沫轻质土路桥过渡段动应力、动变形；②泡沫轻质土路基压缩变形和基底沉降以及路桥过渡段差异沉降；③泡沫轻质土路基内部含水率变化情况。试验用传感器主要为压力分布传感器、动土压力盒、沉降板、动位移传感器、含水率传感器。前期1～2 d采集1次测试值，中期5～10 d，后期15～30 d。

传感器埋设如图4所示。主要测试断面的动土压力盒及动位移传感器布置见表2。

图4 TTCI泡沫轻质土传感器布置

表2 传感器编号及埋设位置

2 动应力测试情况分析

2.1 动应力沿线路纵向分布规律

在相同测试条件下（行车速度64 km/h），各断面结构层的动应力测试结果见表3。可知，轴重40 t时断面2、断面5泡沫轻质土表面最大动应力分别约为141.61，91.43 kPa。由于断面2为双台阶设计，其综合刚度较断面5（单台阶）大，故动应力水平相对较高。从动应力衰减系数可以看出，列车从断面2行驶到断面5，应力衰减逐步明显，符合路桥过渡段的基本功能要求。

表3 不同断面泡沫轻质土路桥过渡段动应力测试结果

2.2 动应力沿竖直方向分布规律

根据AREMA规范中第1卷第2节中的规定，对于本测试条件下通行轴重40 t列车，底砟层最小设计厚度为38 cm，且道砟层和底砟层的综合厚度不应小于65 cm，以保证路基结构具有足够的承载能力［7-8］。本次重载铁路泡沫轻质土路桥过渡段道砟层、级配碎石（底砟）层设计厚度分别为35，70 cm，结构设计满足规范要求。

AREMA规范建议，级配碎石（底砟）表面承担应力不应大于285.4 kPa，以满足重载铁路对于路基承载能力的设计要求。

由表3可知，在相同测试条件下（行车速度64 km/h）轴重40 t时，断面2级配碎石（底砟）表面、泡沫轻质土表面最大动应力分别为194.50，141.61 kPa左右，动应力水平满足路基结构设计要求。对于轻质土路基而言，深度每增加0.8 m其动应力水平降低约40 kPa。

2.3 列车轴重对动应力的影响

测试列车编组情况为2节6轴机车，后接15节重载车厢（35.0，37.5，40.0 t轴重列车各5节）。由表3可知，随着列车轴重的降低动应力呈类线性递减，泡沫轻质土表面的动应力相对于级配碎石表面较小。列车轴重每降低2.5 t断面2级配碎石表面、轻质土表面动应力分别降低约10，3 kPa。随深度的增加，列车轴重对轻质土路基结构动应力的影响逐步降低。

不同列车轴重条件下路基面实测最大动应力与拟合最大动应力见表4。可知，路基面动应力与列车轴重间存在线性关系，可为今后我国重载铁路的发展提供理论支撑和数据支持，也间接验证了本次试验结构和数据的合理性、可靠性。

表4 不同列车轴重条件下路基面最大动应力实测值与拟合值

2.4 列车速度对动应力的影响

轴重40 t列车以不同行车速度通过测试断面时，泡沫轻质土路桥过渡段不同位置处的最大动应力见表5。可知，列车行车速度的提升对泡沫轻质土表面动应力的改变影响较小，列车行车速度每提升16 km/h，级配碎石表面动应力提升7 kPa左右，泡沫轻质土表面动应力提升5 kPa左右。

表5 不同行车速度时泡沫轻质土路桥过渡段最大动应力 kPa

3 动位移测试情况分析

3.1 动位移沿线路纵向分布规律

轴重40 t列车以速度32 km/h行驶时，泡沫轻质土路桥过渡段相同深度处的动位移见图5。可知，断面2（双台阶）、断面5（单台阶）泡沫轻质土表面动位移分别为0.6，0.5 mm，断面2泡沫轻质土表面动位移较断面5处大0.1 mm。

图5 泡沫轻质土路桥过渡段动位移沿线路纵向分布情况

3.2 动位移沿竖直方向分布规律

轴重40 t列车以速度32 km/h行驶时，泡沫轻质土路桥过渡段不同断面处的动位移见图6。可知，断面2（双台阶）泡沫轻质土底面、表面的动位移分别为0.35，0.56 mm，级配碎石表面动位移为0.77 mm。深度每增加0.8 m，动位移降低0.20 mm。

图6 不同轴重条件下泡沫轻质土路桥过渡段动位移

3.3 列车轴重对动位移的影响

经测试可知，随着列车轴重的减小泡沫轻质土路桥过渡段动位移逐步降低。轴重每降低2.5 t，泡沫轻质土路桥过渡段动位移降低0.06 mm。间接证明了泡沫轻质土路基结构具有良好的抵抗动位移的能力，可以满足重载铁路对于路桥过渡段的结构要求。

3.4 列车速度对动位移的影响

轴重40 t列车以不同速度行驶时，泡沫轻质土路桥过渡段不同断面的动位移见图7。可知，当列车行车速度每增加16 km/h，级配碎石表面动位移增加0.2 mm，轻质土表面动位移增加约0.1 mm。

图7 不同行车速度条件下泡沫轻质土路桥过渡段动位移

4 现场长期观测结果

4.1 试验测试车辆（轴重）情况

长期观测的重载试验列车由3节车头和110节重载车厢组成，每节车厢轴重为35.4 t，最大行车速度为64 km/h。每晚行车累计通过质量约为2.0×106t，截至2019年10月底累计通过质量约为154.2×106t。

沉降板分别埋设在泡沫轻质土底面、泡沫轻质土表面、级配碎石表面3个结构面。泡沫轻质土路桥过渡段各结构层平均沉降见图8。可知，当列车通过质量为40×106～50×106t后，整体结构沉降趋于稳定；基底沉降基本在0.5 mm左右，泡沫轻质土平均沉降稳定在4.0 mm左右，后续累计通过质量的增加对各层沉降无明显影响，整体服役性能较好。

图8 泡沫轻质土路桥过渡段各结构层平均沉降

泡沫轻质土路基结构各台阶压缩变形见图9。可知，单台阶泡沫轻质土压缩变形在通过总质量60×106t后稳定在4.0mm左右，力学性能较好。

图9 泡沫轻质土各层压缩变形情况

4.2 泡沫轻质土路桥过渡段含水率情况

泡沫轻质土路桥过渡段含水率见图10。可知，随着通过质量的增加轻质土内部含水率略有增大，与当地气候条件和温度变化有关。整体而言，断面1含水率较断面2处略大，其他测试位置无明显异常，泡沫轻质土路基整体服役性能良好。

图10 泡沫轻质土路桥过渡段含水率

5 结论

1）泡沫轻质土路桥过渡段动应力水平满足路基结构设计要求。路基深度每增加0.8 m，泡沫轻质土路桥过渡段动应力降低约40 kPa。

2）列车轴重和列车行车速度对于轻质土路桥过渡段动应力影响较小。列车轴重每增加2.5 t，级配碎石表面动应力水平增加约10 kPa，泡沫轻质土表面动应力增加约3 kPa；路基面最大动应力与列车轴重在数值上存在线性关系。

3）泡沫轻质土路桥过渡段动位移对深度比较敏感，对列车行车速度相对敏感，对列车轴重较不敏感。

4）泡沫轻质土路桥过渡段整体力学性能较好。累计通过质量40×106～50×106t后，泡沫轻质土路桥过渡段沉降趋于稳定，基底沉降基本在0.5 mm，泡沫轻质土平均沉降稳定在4.0 mm，后续累计通过质量的增加对各结构层沉降无明显影响。

5）随累计通过质量的增加泡沫轻质土路桥过渡段内部含水率变化较小，整体结构具有较好的服役性能，可以满足重载铁路对于路桥过渡段的结构要求。