土工格室加固既有线铁路基床试验研究

1、第26卷第3期文章编号:100128360(2004)0320098205铁道学报Vol.26No.3土工格室加固既有线铁路基床试验研究罗强1,周华1,王之犍2(1.西南交通大学道路与铁道工程系,四川成都610031;2.成都铁路局工务处,四川成都610082)摘要:结合成昆铁路K13+698+925一段由成都粘土(膨胀土)填筑的高约7m路堤基床下沉病害的整治工程,进行了基床换填土工格室加筋砂夹卵石垫层的现场动静态试验,测试在列车荷载作用下基床表层的动应力、动变形、加速度等动力响应及累积下沉数据,比较在基床换填深度相同的条件下,有(无)土工格室加筋的砂夹卵石垫层的不同加固效果。试验表明,换填土

2、工格室加筋砂夹卵石垫层的基床加固方案,能有效地改善基床的动力特性,十分显著地降低基床产生的残余变形,用于提速线路的基床加固可取得较大的社会经济效益。关键词:土工格室;基床加固;动力特性;累计下沉;现场试验中图分类号:TU435文献标识码:ATestStudyonGeocell-stabilizedailwayLUOQiang1,ZHOUHua1,(1.DepartmentofRoadandRailway,S610031,China;2.Engineering,Chengdu610082,China)Abstract:Fieldstaticareonthesandygravelsubgradeb

3、edreinforcedwithgeocellsintheK13+698+925sectionof,wherethe7mhighembankmentisfilledwithChengduclayandhasexcessivesettlementdistress.deformationundertheapplicationofaxleloadingandassociateddynamicresponsessuchasthestress,dynamicdeformationandaccelerationratearerecordedduringthetests.Subgradeperformanc

4、ewithandwithoutgeocellstabilizationatthesamefillingdepthsisanalyzed.Teststudyshowsthatgeocellreinforcementtosandygravelsub2gradescaneffectivelyimprovedynamicbehaviorsofsubgrades,significantlyreduceresidualdeformationofsubgrades,andpro2ducesocialandeconomicbenefitsintheupgradingoftheexistingrailwayli

5、nes.Keywords:geocell;subgradereinforcing;dynamiccharacteristic;residualsettlement;fieldexperiment路基是轨道的基础,其中基床是路基最重要的组成部分之一,由于其直接承受列车荷载的动力作用又处于气候环境的强烈影响范围之内,也是路基结构中最薄弱的部分之一。尤其对于潮湿多雨、以粘性土土质为主的中国南方铁路,以翻浆冒泥、过量下沉、剪切破坏等为特征的基床病害更是常年频繁发生。近年来,随着行车速度的提高、行车密度的加大及开行重载列车,使基床病害的发展有加剧的趋势,有些区段甚至不得不长年慢行通过,严重影响了运输效益

6、的提高。土工格室是一种新型高效特种土工合成材料,由高密度聚乙烯材料生产的片材,经专用焊机和专利收稿日期:2003204219;修回日期:2003212218基金项目:成都铁路局科技发展计划项目(CX9901),男,四川宜宾人,副教授,硕士。作者简介:罗强(1963E2mail:lqrock1型焊头焊接而成的立体格室组,具有质轻、耐磨、高强等多种特性。与土工布/膜、土工网/格栅相比,土工格室具有更好的土体加固性能1,2。已有的试验研究及工程实践表明,土工格室用于基床加固,能均化动应力在基床中的分布,减小基床产生的动变形和加速度,显著减少基床在重复荷载作用下的累积下沉37,是目前用于基床加固最有效

7、的方法之一。本文结合一段成都粘土(膨胀土)基床下沉病害工点的整治,开展了系统的路基动力学测试和基床长期变形观测,获得了基床经土工格室加固后的动应力、动变形、振动加速度和长期累积下沉等测试数据。与传统的基床病害治理方法(换填砂垫层法)比较,定量分析了土工格室在加固既有线路基基床,整治基床下沉病害,改善基床动力特性等方面的工程效果,为土工格室在既有线路基基床病害整治中的大规模工程应用积第3期土工格室加固既有线铁路基床试验研究99累了资料和经验。1基床加固方案及试验设计1.1线路病害情况试验场地位于成昆铁路K13+698+925段鸡头河两侧的路堤上,堤高约7m,填料为成都粘土。成都工务段物探监测资料

8、表明,该段路基陷槽明显,变形严重,桥上线路较两端路堤线路高出100mm,破坏了原有线路的顺接坡度,是安全行车的一个重大隐患,急需进行整治恢复线路标高8。1.2成都粘土的工程特性成都粘土是一种在成都地区广泛分布的具有超固结性、多裂隙性的膨胀土,具有失水收缩开裂,浸水膨胀软化,往复变形,强度大幅衰减的工程特性。成都粘土的矿物成分以亲水性强的伊利石、蒙脱石为主,具有中2强膨胀性,细颗粒含量(粒径0.05mm)>80%,液限WL>35%,塑性指数IP>12,按铁路路基填料的分类属D类填料,严禁用于基床表层填筑,用于基床底层填筑时也必须进行加固或改良措施9。表1含水量/%13.717.

9、420.423.325.128.0在动荷载的作用下,基床出现翻浆冒泥、过量下沉、剪切破坏等病害是必然的结果。依据路基动力学的观点,进行成都粘土基床病害的整治时,必须将基床表层内动应力较大区域的成都粘土挖除,换填深度应保证基床底层的成都粘土承受的动应力水平低于其处于塑性状态下的动强度(40kPa)。1.3基床加固方案1.3.1土工格室加筋砂夹卵石垫层针对该段线路的实际状况,以及探测的道碴陷槽深度,对K13+698+782和K13+822+925两段总计长187m的路堤采用了基床修穿心盲沟、沟间换填土工格室砂夹卵石、路肩干砌片石(用土工布包裹)的整治方案,换填深度距枕底0.8m(大于道碴陷槽的深度

10、)。在K13+703+775和K13+826+916两段共修穿心盲沟20条,9m,盲沟宽m,深m体,需在挖开到标5%的排水坡,然后铺设0.1m的砂夹,其上再铺高0.1m的土工格室,再填0.35m的砂夹卵石(含底碴0.25m),最后回填0.25m道碴层,恢复道床,如图1所示8。/4603802251418040602019852.5塑性应变/%1.523.604.505.006.509.00注:试样为最大干容重、无侧限状态。成都粘土的动力性质随含水量的变化如表1所列10。在含水量较低时,成都粘土的动强度较高,动模量较大,表现出坚硬脆性破坏的特征;随着含水量的逐步增大,动强度急剧降低,动模量减小,

11、表现出软化塑性破坏的特性。含水量从13.7%增大到28%,动强度从460kPa降到40kPa,减小约91%,动模量从60MPa降到2.5MPa,减小约96%,塑性应变从1.52%增大到9%,增加约6倍。成都粘土处于半干硬状态(含水量W20.4%)时,其动强度225kPa、动模量19MPa、塑性应变4.5%,工程性质较好,能满足基床受1.3.2砂夹卵石垫层为了便于比较分析土工格室的加固效果,特别在该段病害整治区段的尾端(昆明端)选择了一个扣轨施工开挖面(约5m长)进行没有土工格室加筋的砂夹卵石垫层加固处理,换填深度及施工工艺同土工格室方案完全一样,如图1所示8。1.4试验设计1.4.1平面位置通

12、过对施工现场的踏勘,并依据施工及试验准备的情况,选取了K13+884和K13+921两处作为综合试验测试断面,其中K13+884位于土工格室加固区,K13+921位于砂夹卵石垫层加固区,如图2所示。1.4.2剖面布置力的要求(动强度130150kPa);但浸水进入可塑状态后(W23.3%),其动强度141kPa、动模量8MPa、塑性应变5%,已较难满足基床受力的要求。在年降雨量达10001400mm的成都地区,作为基床表层填料的成都粘土必将长期处于可塑(软塑)状态,100铁道学报第26卷目的,一是通过定期水准测量,考察基床累积下沉;二是进行动态试验时,测试基床的动变形。土压力盒的布置如图3所示

13、。土工格室断面在距枕底0.5m处布置了5个土压力传感器,分别位于左枕端、左轨下、道心、右轨下、右枕端;在距枕底0.75m处布置了4个土压力传感器,分别位于左碴顶、左轨下、右轨下、右碴顶。砂夹卵石垫层断面在距枕底0.5m处布置了4个土压力传感器,分别位于左枕端、左轨下、道心、右轨下;在距枕底0.67m处布置了3个土压力传感器,分别位于左碴顶、左轨下、道心。两个测试断面共计布置了16个土压力盒传感器。2测试数据及分析2.1动态响应测试数据现场动态测试于1999年10月中旬进行。此时,传感器已埋设了约3个月,线路已完全恢复正常,79月的雨季刚过,空气与地面非常潮湿。3090km/h,共测试了51,动

14、力响应,所通过的车轴数即为动力重复作用次数。由于机车引起的动力响应值明显大于车辆引起的动力响应值,并对路基设计起控制作用。因此,本次试验重点分析由机车引起的动力响应数值。2.1.1动应力测试数据动应力测试数据如表2、表3所示。砂夹卵石垫加速度计的布置如图4所示。土工格室断面距枕底0.5m处布置了2个加速度传感器,分别位于左轨下和右轨下;在距枕底0.75m处布置了1个加速度传感器,位于左轨下。同样,砂夹卵石垫层断面在距枕底0.5m处布置了2个加速度传感器,分别位于左轨下层断面距枕底0.5m处实测的最大动应力范围大约在82118kPa之间(左轨下),平均值为102.17kPa;土工格室断面距枕底0

15、.5m处实测的最大动应力范围大约在3361kPa之间(左轨下),平均值为45.40kPa。与砂夹卵石垫层断面比较,土工格室断面基床表面承受的最大动应力减少了约56%(平均值)。表2距枕底0.5m各测点动应力值单位:kPa测试段面左枕端左轨下道心右轨下右枕端土工格室2.5645.4042.4838.896.02和右轨下;在距枕底0.67m处布置了1个加速度传感器,位于左轨下。两个测试断面共计布置了6个加速度传感器。砂夹卵石42.09102.1714.6125.30/沉降板的布置如图2和图5所示。土工格室断面在距枕底0.5m和0.75m处的左右轨下共布置了4个沉降板。同样,砂夹卵石垫层断面在距枕底

16、0.5m和0.67m处的左右轨下也布置了4个沉降板。两个测试断面共计布置了8个沉降板。设置沉降板有两个本次现场测试土工格室断面轨下处基床表层的动应力值约为2745kPa(距枕底0.50.75m),平均值约为36kPa,与其他线路的测试数值相比偏小,沿深度的衰减也较快,估计与该断面的基床稳定、轨面平顺、轮轨间的相互作用力较小有关;砂夹卵石垫层断面轨下处基床表层的动应力值约为44102kPa(距枕底0.第3期土工格室加固既有线铁路基床试验研究10150.67m),平均值为73kPa,与其他线路的测试数值相比偏大,估计与该断面线路的变形较大、轨面不平顺、轮轨间的相互作用剧烈有关。表3距枕底0.75/

17、0.67m各测点动应力值单位:kPa测试段面左碴顶左轨下道心右轨下右碴顶土工格室18.7627.20/27.519.08砂夹卵石19.8744.1338.18/基床表层(距枕底约0.5m)的加速度均值约为8.910m/s2,基床底层(距枕底约0.67m)的加速度值约为6.559m/s2,与基床表层相比,基床底层的加速度值只降低了约26%(均值);土工格室断面轨下处基床表层产生的加速度较砂夹卵石垫层断面有一定程度的减小,约为砂夹卵石垫层断面轨下处基床表层加速度值的94%(均值);基床底层的加速度减小了28%(均值)。可见,土工格室加筋砂夹卵石构成的基床表层结构具有较好的弹性和减振性能。2.2累积

18、下沉测试数据在近一年半的观测时间内,基床产生的累积下沉曲线如图6、图7所示。土工格室断面轨下距枕底0.5m处的累计下沉只有21mm,仅相当于相同位置的砂夹卵石垫层断面累计下沉56mm的37.5%;土工格室断面轨下距枕底0.75m4mm,仅0.67m处累计下沉17的5(mm,塑性应变率为(17/-17)=39mm,塑性应变率为(39/170)=22.9%,前者的数值仅为后者的43.6%(塑性变形)和29.7%(塑性应变)。可见,土工格室在减小基床的长期累积下沉方面效果十分显著,并能明显降低基床土的塑性应变,大幅提高基床土的动强度。2.1.2动变形测试数据动变形测试数据如表4所示。土工格室断面轨下

19、处路基面动变形的均值约为0.587mm;砂夹卵石垫层断面轨下处路基面动变形的均值约为0.639mm;土工格室断面轨下路基面产生的动变形约为砂夹卵石垫层的92%。一般认为,由列车引起的基床动变形大小能从一定程度上反映线路的稳定性,基床动变形过大,将对道床的稳定产生不利影响,发展。与砂夹卵石垫层方法比较,对稳固线路有积极意义。表4:mm测点位置()土工格室左轨下0.5m右轨下0.5m砂夹卵石左轨下0.5m右轨下0.5m动变形0.5830.5900.6630.6152.1.3加速度测试数据表5各测点加速度数据表单位:m/s2测点位置(距枕底)左轨下0.5m土工格室右轨下0.5m左轨下0.75m左轨下

20、0.5m砂夹卵石右轨下0.5m左轨下0.67m加速度8.3338.3664.6978.7669.0536.559基床产生的加速度值与基床承受的列车荷载的动力作用密切相关。表5的实测数据显示,土工格室断面轨下处基床表层(距枕底约0.5m)的加速度均值约为8.350m/s2,基床底层(距枕底约0.75m)的加速度值约为4.697m/s2,与基床表层相比,基床底层的加速度值降低了约44%(均值);砂夹卵石垫层断面轨下处从基床累积沉降曲线的变化趋势可看出,土工格102铁道学报第26卷室断面基床表层的累计沉降,在初期的急剧变化后,很快进入稳定发展阶段,持续时间约1545d,沉降量约8.510.5mm;砂

21、夹卵石垫层断面持续了4575d以上,沉降量约为3336mm;土工格室断面基床表层初期变形的稳定时间较砂夹卵石垫层断面缩短了3060d以上,初期变形量仅相当于砂夹卵石垫层断面的26%29%;基床表层初期变形稳定时间的缩短和变进入稳定发展阶段后,土工格室断面路基面的年下沉量仅为砂夹卵石断面的42%49%。(5)土工格室用于既有线基床下沉病害的整治,具有施工简单,修养工作量小,修养费用低,耐久性有保证,适应性强等特点,推广应用可产生较好的社会经济效益,尤其适用于提速线路的基床加固。传统的砂夹卵石垫层换填方法仅适用于土质好、降雨小、等级低、速度慢、能深换填的线路。参考文献:1马卓军,等.土工格室加筋粘性土的强度特性研究J.公形量的减小对线路开通初期的安全和修养工作量影响很大。基床表层的累积沉降进入稳定发展阶段后,土工格室断面轨下距枕底0.5m处的下沉量为5.510