（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定级配碎石基床结构的动力特性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生攀位论文第l 页 摘要 箍着离速铁路豹快速发展，对路基翡要求迮匿益搀高。基藤不仅需要冥 有足够强度以承受高速列车荷载动力作用，而且需要具有合适刚度与以满足 高速列车行驶时安全舒适运行的要求。遂渝线是我国第条在亵南山区建造 的2 0 0 k m h 客货共线铁路，并拟开行1 2 0 k m h 的2 5 t 双层集装箱列车。遂渝 线遂宁合川段通过红层软澍地区，由于缺乏优质a 、b 类填料，路基基床 底屡采用属c 类壤料的红层软岩。弼对基床表层豹级配碎石由于耪质闻题在 施工过程中不能达到压实要求。因此，为了熊决基床底层填料偏弱、基床表 层压实等两个问题，遂渝线遂宁合川段采用了水泥稳定级配碎石作为基床 表层填料。本文的研究目的就是验证水泥稳定级配碎石作为基床表层壤料的 可行性。 本文进行了击实试验、无铡限试验和渗逶试验，从 产生的动位移变化商缀大影晌，对予基层表屡产生的动位 移变化有很小的影响，如基床底层的k 3 0 值从5 0 m p “m 增加到2 5 0m p “m ， 基床底层表丽动位移变化了1 罐冀鼢髓娶犍弼瓣霸鞠薹 ：? 零哥蕊；毳；降遣赫滢滤洒毽珊握渥呸恨睢淄4 臻孵嬲雾蠹蠢魑憔。从而证明，水 泥稳定级配碎石基床结构型式是可行的和可靠的。本文研究结论在遂渝铁路红层软岩地区基床表层设计和施工中得到了应用，对今后类似 地区铁路路基修建有熏要的参考价值。关键词：高速 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 世界铁路产韭自其产生到本世纪5 0 年代，一直处于大发展之中。薅看， 由于受到航空业和高速公路的挑战，铁路发展速度逐渐减缓。自1 9 6 4 年世界 上第条高速铁路日本东海道新干线建成并投入运行，以其速度快，运 能大，节省能源，确保安全准时，污染少等综含优势博得世人青睐，极大地 提高了世界各国发展商速铁路的兴趣，从而使铁路产业出现了一个兴旺时期。 继东海道新干线之屡，臼本又先磊修建了出阳、东北、上越及i e 陆薪干线， 并规划新干线将扩展到6 9 0 0 k m 。继1 9 8 1 年法国t g v 列车在巴黎东南线、 1 9 9 1 年德国的t c f 列车的相继投入运行，欧洲高速铁路己发展到意大利、 谣班牙、比剩时和英国。据不完全统计，为配合欧溯高速铁路阏的建设，东 部和中部欧洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等国家正 在进行干线铁路改造，全瑟捉速。欧溯计翻在2 0 1 0 年戳蘸建成总规模超过 2 4 万k m 的高速铁路，包括修建9 0 0 0k m 时速在2 5 0 - - - 3 0 0k m 及以上的新线， 改造1 5 万k m 时速约2 0 0 k m 的既有线。我国已经建成2 0 0 k m h 秦沈客运专 线，在“十一五”期闯将修建和改建十九条时速为2 0 0 k m h 一3 0 0 k m h 的客运 专线，高速铁路建设使我国铁路进入一个崭新的时代l l j 。至今，世界上运行 对遽在2 公里以上新建离速铁路营渡墨程约4 4 0 0 公里，若龟括运行时速 2 0 0 公里的线路，总蓠业里程已超过1 5 0 0 0 公凰。这热线路虽然仅约占世界 铁路总营业里程的1 5 ，但却担负着各拥有圜较大部分客运工作量。所以， 高速铁路已成为世界铁路发展的总趋势，也成为一个豳家和地区发展交通运 输的战略目标之一。 1 1 课题的研究背景和意义 路基作为辘逶结构的基看馥，要维护上帮软道结构豹稳定与平顺，傈试行 车安全与乘车舒适，就要满足定要求。随着高速铁路修建、行车速度提高， 路基豹技术要求也要相应提高。基床表层直接承受羞道床传递的荷载，其状 态的好坏对轨道变形影响很大。根据日本铁路的资料，不良基床表层产生的 轨道下沉是良好基床表层的几倍，而且这种差距还随蓿速度的提高而增大。 西南交道大学硕士研究生学位论文 第2 页 一般认为基床表层有如下功能瞄l ： 1 ) 增强线路强度，使路基更加坚强、稳定，并具有一定的刚度； 2)扩散作用到基床面上的动废力，使荚不超融下部基冻土魏容许动强度；3 ) 防北道碴压入基床及基床土进入道碴层： 4 ) 防止雨水浸入使基床士软化，防止发嫩翻浆冒泥等基床病害； 5)防冻等特殊要求。 峦于基庆表层的黧要性，英结秘形式是路基设计的壅点。各国普遍采用 的方法是设置单一和多层复合表层结构，厚度、材质和层数有所不同。级配 碎石和级配砂砥石是基床表层普遍使用的材料，在满足一定级配要求对，能 够防止道碴嵌入和下卧层颗稳的进入，并且有较高的强度和刚度。日本和欧 材料和结构篡次划分很细，级配过渡较好，消除了多种病害，大大减少了屠 建设资料和我国过去已取得的研究成果和经验，对高速铁路路蒸苟载条传、 究，获得了许多有价值的成果。对基床表层的材质、厚度、质摸控制标准等 提畿了建议，制定了黠速2 0 0 公里耨建铁路线桥疆站设计暂行筑定( 下文简称暂规1 。 遂宁一重庆铁路(以下简称遂渝铁路)是我国“四纵四横”快速铁路孵主骨 架中沪汉蓉通道的重要组成部分，是连接西南地区成都与重庆两个特大城市 之间的便捷快速通道，也是我国在西南地区建设的第一条一次铺设跨区间无 缝线路、旅客翻车最亵对速200公里、货耪列车最离辩速120公里的客货共 线新建铁路，是贯彻西部大开发战略，加强西部基础设施建设，实施铁路跨 越式发展的标志性工程之一，路全长144公里。遂渝铁路遂宁合川段为依 托，该段线路通过红层泥岩魄区，缺乏优质填料，受工程投资、运输条件以 及施工工期的限制，本段约80的路堤填料不得不考虑就地选用工程性质较 差的红层泥崧(属c类填料)作为路璇基床底层填糕。红垂泥密瀵粒不符合 暂规对路基底层填料的要求。为了弥补基床底层偏弱，对蒸床表层必须 采取一定措施进行加强。为此，遂渝铁路路基设计中，采用土工膜对基床底 层表两进行封闭，将蒸床表层厚度0 6 m 的级配碎石改为0 1 m 粗砂加0 6 m 级配碎石。在基床级酉已碎石填筑试验时发现，级配碎石碾压后， k 3 。值达不 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 结在一起，形成一个坚实地整体，逐渐产生一定的强度，并且强度随着龄期 的增大而增大，从而增大了水泥稳定级配碎石的强度【2 l 】【2 2 】。 1 2 2 水泥稳定级配碎石的优缺点 1 ) 水泥稳定缀琵碎石静优点【2 2 , 2 3 l 水泥稳定级配碎石有良好的板体性、整体性，水稳定性、抗冻性和耐久 性，这些方灏郝较其它稳定土好，强魔随龄期增长，力学强度珂根据需要进 行调整；具有强度增长快，受旋工季节影响较小，在雨季雨停厥即可施工， 在冬季上冻之前半个月还能施工。公路基层弯沉试验证明，细小、缝宽不大 豹于缩裂缝对基层承载毙力没有影响。我国碎石和水泥采购方便，西量水泥 价格相对比较便宜。 2 ) 水泥稳定级配碎石的缺点 水泥闵堂超过一定数量，水泥稳定粒料收缩性增大，易产生严重收缩裂 缝。幽于水混水化和结硬作用进行比较快，对施工要求比较严格，要求在混 合料初凝 i 蕈较短时间内完成从加水拌和到碾压成型凡个主要工垮。由予影响 水泥稳定粒料强度的因素很多，如原材料级配、水泥剂量、含水量、压实度， 故施工控制肖一定的难度。水淀稳定级配碎石的施工用水和养生用水比较多， 在千翠遗区域缺水路段使用困难大，水泥稳定级配碎石存在干缩裂缝和瀣缩 裂缝缺陷。 虽然水泥稳定级酝碎石鸯一定豹缺点，侄它的优点是其他稳定材料赝不 及的。因此，从发展趋势来看，水泥稳定级配碎石用于熏载交通是有优势的， 目前大部分高速公路都将这种材料作为路面基层材料，在高速铁路路基中还 没有应用先例。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 基床结构 凼列车和轨道动、静荷载的作用下，路基将产生变形，应将路基变形控 割奁允许范围内。因此，应对路基面以下土体历受荷载及变形大小加以划分。 对于所受荷载作用和变形大的路基面以下的土体称为基床，这部分土体必须 进行强化处理。在基床范围内，又把荷载作用强、受水和温度作用而影响土 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 1法国路基标准断面图 图1 2 德国路基标准辑爱图 1 0 l ，4 ：皂= = 二j 1 1 4 0 一一一 二二# 二? - 墨三= = 二_ = ：= = = = 溺辩混凝l 层 l _ o 1 4 基沫襄甚( 缎配碎露) 基来窿疆 图l o 日本路基断面图 热 堇l 撼 “。 ? “ 上o m v_l 引引斗；竹“ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 下卧填土，颗粒粒径成与壤匹配，使填土颗粒不能进入基床表层，同时要 求渗透系数小，至少簧小于1 旷m s 。如果不得已，只能采用经改良的粘性土 彳乍为基康壤料时，需考虑在基床表层瓣赢霞镶设无纺襁起过滤俸用。如果基 床部分采用粗颗粒渗水性填料，则不仪基床表层厚度可以减小，而且可以考 虑采用一层。为了有利于自然降水的排出，基床表层顶面和基床顶面都成设 置4 5 的横坡l 孔。 近十几年来，我国铁路、公路部门对高等级铁路和高速公路路堤沉降特 牲进抒了大激研究 9 - 1 0 】。研究袭明，高等级铁路和高速公路路堤覆量控副豹 关键是填料选取、压实标准及质量检测。在填料选择方谣，我豳初步建成的 第一条时速2 0 0 k m 的秦沈客运专线的路基采用了十分严格的填料标准( a 、 b 类) 。早期国外德嗣、法国在路基设计与施工中，不合格的填料坚决不用； 其次，为了研究路堤的沉降特性，控制工后沉降值，普遍将压实系数提高到 0 9 5 p m ，6 0 c m 直径的蔫载扳试验弹性摸量达到4 5 。6 0 m p a ，并聚臻“山羊蹄” 压路机施工，高度超过2 0 m 的路堤必须在铺轨前一年竣工；再次，非常重视 对路堤沉降的监测，尤其对离路堤，基本上每个工点都设有长期沉降的观测 点，积累有非常丰富的观测资料。通过 三i 上措施，为保证高速列车的安全、 平稳、舒适提供了基础条件。 匡肉外实黢表明，只要保谨级囊己碎石组成材料豹质量，良好豹级配，控 制好细颗粒的塑性指数，施工搅拌均匀，在最佳含水墩下压实到要求的密实 度，就能形成较高的力学强发和水稳性的基床表层。我国“八五”、“九五” 期间高速铁路科研攻荧项目，采用大蘩动力三轴仪进行级配碎石动力特性试 验，研究其在长期脉冲荷载作用下的塑性应变、回弹应变和弹性模量的变化 髋镎。试验续栗表明，级配砂砾石骞比较稳定豹、较大豹弹性摸量。当蘅装 控制在临界动应力以内时，产生的塑性变形很小。大型渗透仪试验结果表明： 对基本上不含细颗粒的级配砂砾石，当于密度达到2 1 5 9 c m 3 以上时，就能 使渗透系数小于1 0 4 m s ；当掺人一定爨的缨颗粒，可使渗透系数大幅度降低， 达n d , 于1 0 m s 。为防止翻浆冒泥，保证轨下熬础动力稳定性，基床不同材 料之间的粒径级配还霈满足太沙基( t e r z a g h i ) 豹反滤准粥 近年来，随着高等级铁路和高速公路工程实践与运营经验的积累和新技 术的运用，对原先次级填料的合理利用日益成为共识。西班牙在9 0 年代切建 设的第一条离速铁路，为了舔低工程造价，采用了较多的离路埏，并采用了 “风化岩填料”；我国公路系统在京珠离速公路培长段对花岗岩残积土路用性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 质进行了全两的系统研究f i o l ；铁二院在9 0 年代建设的达成铁路线上进行过 红层泥岩碾压试验；杨广淡【1 2 】结含秦沈快速铁路工程实际，进行了石灰粉 煤灰改良豹物理力学特性试验，试验表明二荻改良藤佟高速铁路路基基 床底层材料是可行的；方卫民等【1 3 】通过静三轴试验对京沪高速铁路徐沪段有 代表性的下瑟粘土填料改良进行了研究，证明用钢渣掺入路基土粘土填料中 能掇高路綦土的强发，通过离心模型试验对改良后的路基变形情况进行了初 步分析；陈鹏等【1 4 1 运用新型高分子聚合的筑路荆p p t 来改善路基力学特 性，通过对p e t 改良土鸷顼蘸后路基稳定性寒承载力的计算和比较分桥， 指出其改良土在较薄封顶厚度的前提下，仍能够有效摁离路基边坡的稳定性， 尤其是能大螭度提搿路基的容许承载力；要文堂i 1 5 j 结会秦沈客运专线的工程 实鼯，对c 缀的粉粘实施改良作用作高速铁路路基基床底层进行试验分析， 研究水泥改趣土的物理、力学性质，得出不同掺入料改良粉粘士的最佳配合 毖，为今君瘫速铁爨路基填料豹改瑟繁积资料；遂渝铁路因受环境地理条件 限制，大多区段基床表层级配碎石只能采用砂卵石为原材加工而成，游锐【1 6 l 就级配碎石改良后的填筑厚度，混会料的拌和，混合料含水量的控制，改趋 混合料的摊铺，碾愿与检测等方面迸行初步试验探索；杨广庆i ”】进行了水 泥改良土的渤三轴试验，分析了水泥改良土在列车重复荷载作用下的动力特 性，哿 究了水泥改良士妁箍界动应力、累计塑性变形、弹性交形帮匿襻模量 的变化规律及影响因索，论诞了水泥改良土作为高速铁路路基慕床底层填料 的w 行性。以上研究成果表明，通过次级土的含理乖j 耀，在保证质量的前提 下，工程投资大量减少。但是，这些成果中，均未涉及时速2 0 0 k m 客货共线 快速铁路的路基采用的水泥稳定级配碎石填料的施工技术和必要的加固或改 良试验研究。 1 3 3 水泥稳定级配碎石 水泥稳定级配碎石或二灰( 水泥+ 粉煤灰1 稳定级配碎石主要作为高等级 公路基层材料，在高速铁路路基中的应用比较少。试验研究表明，级配碎石 的豳弹模量为2 0 0 m p a 左右，经3 6 水湄稳定处理后的回弹模量可达到 1 3 0 0 1 8 0 0 m p a ，后者是前者的6 9 倍。国外，常取级配碎石弹性模量为 5 0 0 m p a ，水泥稳定碎石豹弹性模量为4 0 0 0 8 0 0 0 m p a ，后者为前者的8 倍。 众所周知，刚性材料水泥砼的弹性模量为3 0 0 0 0 m p a ，水泥稳定碎石的弹性 模量介于柔性( 级配碎石) 和剐性材料( 水泥砼) 之间，所以，水泥稳定碎石也称 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 为半刚性材料。水泥稳定级配碎石主要特点是强度和削度可通过水泥配合比 调节，其强度随养护龄期而增长，长期稳定性和耐久性好。潘兆平等1 2 5 j 对指 定的片麻者碎石进行水泥稳定碎石基层耪料鲍试验，采耀公籍攘范建议豹级 配加入分别为4 、5 、6 、8 的水泥剂量，在不同龄期进行无侧限抗压、 圊弹模量、干缩变形等试验，得到5 6 的水泥用量所作的试件满足7 d 抗聪强度要求，有最小的干缩应交和于缩系数( 2 6 7 1 0 7 ) ，其建议水泥配合 比为5 5 5 ；吴天真【27 l 通过渗透试验、抗压强度试验、模擐试验，测定不 图水泥稳定碎嚣级酿情况下豹有效空敲率、渗透系数、抗压强度、弹性模量， 提出了水泥稳定碎石的集料级配、配合比与其渗透系数、强度、模量之间的 关系，建议采用开级配，对于渗透系数与抗压强度较为理想，水泥含量以4 8 较为适宣。根据国内外研究成果，在采用5 7 水泥配合比，水泥 稳宠级配碎石的干缩系数小于7 1 0 。 骂东生挥q 默原材料、混会瓣级配、以及施工操作等方面对比承泥稳定砂 砾与稳定碎石的优劣，从结果来看，水泥稳定碎石具有砂砾无法比拟的优越 性，实际操作易于控制，具有稳定性好，强度大，摩擦系数大的特点；庄少 勤等i z 8 j 研究了水泥稳定碎石和二灰稳定碎石用作路面纂层材料时的干缩、温 度收缩和抗冻融循环性，结果表明水泥稳定碎石的干燥收缩率和温度收缩率 均低予二灰稳定碎磊，虽抗冻融循环榷也比较理想，戳安由岩为集料最水泥 含爨为5 的水泥稳定碎石，其抗干缩、温缩和抗冻敲循环性能均较好。张 嘎吱等i 2 9 】将原规范级配范围细化为五种级配水泥稳定碎石，即原级配范围的 上黻、中限、下限和上顶下底及下顶上底，进行三种水泥剂量的添加试验， 试验结果表明，中限级配和上顶下底级配在水泥含量为6 时的温度抗裂性 最好，抗压强度也毙较好。 由上可知，在适当的水泥配合比前提下，水泥稳定级配碎石能够满足基 床表层材料的要求。 1 4 论文的主要研究工作 1 4 1 水泥稳定级配碎石的材料特性研究 摹床表蘑必须其肖足够翡强度和刚度、整好的稳定性和耐久性，才能为 轨邀提供坚实的基础，为路基提供保护。因此，作为繁床表层的材料，需要 有较好的力学性能，特剐充分压实后楚好豹长期动力稳定性、缀好承稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 和较小的渗透性。本文采用两种改良方法，即水泥稳定和水泥加粉煤灰稳定 两种改良方式。其中水泥稳定的情况，水泥与级配碎石比例为：2 ：1 0 0 ，3 ： 1 0 0 移4 ：1 0 0 。水混掇粉煤灰稳定麴情况，水泥：耱煤灰：级配碎石的比饿 为：2 ：6 ：1 0 0 ，2 ：1 0 ：1 0 0 ，2 ：1 4 ：1 0 0 。对上述处理方案进行了击实试验、 无侧限强度试验，回弹模量测试及渗透试验，通过试验数据分析得出技术经 济合理的配磁，以此作为动态模型试验的基床表层填辩方案。 1 4 2 水泥稳定级配碎石基床结构的动态特性试验研究 通过足尺动态模型试验，模拟在实际荷载条件下基床的动态特性，以证 明水泥稳定碎石基床袭层的可行性和w 靠性。本试验分为3 组，基床底层材 料相同，但蕤床表屡材料或试验条件不同。第一组试验的基床表层材料为水 泥稳定级配碎石；第= 组试验的基床袋层材料为级配碎石；第三组试验是在 第二组试验完成以后，通过洒水的方斌模拟降辫，改交基床结构含水量，从 而改变基床结构的刚度。这三组试验从大体来讲分三部分：静戳试验，变荷 载试验，重复加载试验。静载试验主要采用静载进行试验，强的是考察在静 荷载作用下结构的应力、变形情况；变荷载试验主要模拟不同运行速度和轴 重情况下，基床结构的动应力、动变形随运行速度、轴重的变化情况；踅复 加载试验模拟线路在长蘩列举蓠载俸焉下的累积变形以及基床的长期稳定 性。 1 4 3 水溅稳定级配碎石基床结构的有限元分析 有限元分析的计算模型参照有碴轨道双线高速铁路路基尺寸建立，计算 路蒸的参数掇握动态特性试验所测定的路基各层的参数敬褥。计算分析分为 五种情况：静荷载作用下，水泥稳定级配碎石基床表层结构的静应力、位移 分布情况。一定荷载、不同蘅载频率作用下，水泥稳定级配碎石作为基廉表 层时路基的动应力、位移分布情况。频率一定、不同动荷载作用下，水泥稳 定级配碎石作为基床衮层时路基的动应力、位移分布情况。基床底层材料相 弼、基床表器材料或试验条徉不同时，路基的动应力、位移的分布情况。基 床底层k 3 0 相同、基床表层k 3 0 不同情况下，路基内部的动应力、位移的分 布情况。基臻表层k 3 0 值相同的情况下，基层底层。魏对基徕动应力、动 位移的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 1 4 4 现场行车试验 结合遂渝线2 0 0 k m 压掇速试验和动态验收项目，瓣水泥稳定级配辩石 基床结构、级配碎石基床结构进行动态测试，验证水泥稳定级配碎石基床结 构的可行性和优越行。 通过分析比较动力特性试验、有限元计算计算以及现场行车试验的结果， 以期能够验证水泥稳定级配碎石基床结构的设计，以判定水泥稳定级配碎石 綦藤结构戆合理牲和长矮稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 2 不同水泥含量、无耪煤灰的击实曲线( 集料l # ) 图2 3 不同粉煤灰含量、凭水泥的击实曲线( 集料l # ) 圈2 - 4 不同粉煤灰舍餐、水泥含量2 的击实曲线( 集料l # ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 - 5 不间粉煤灰禽蹙、承混含量2 的击实曲线( 集料2 # ) 2 2 3 无傈4 限强度试验 在稳定改良的磷究中，遴常采霜无侧限强菠捂标作为评价强度的豢标。 按照试验规范要求，水泥或水泥加粉煤灰稳定级配碎石无侧限强度试验采用 1 5 0 1 5 0 r a m 的圆柱形试样，擞据计划的密实度和含水繁采取静箍方法制作试 样。试样制作前，将干燥的级配碎石与水泥或粉煤灰混合后，按计划含水量 拌合均匀，迅速制作出试样。每组试样数量至少6 个样，取其平均值。若混 合料对闰超过4 小封尚未做线试祥，灌合料傲废。本次试验中，试样做好后， 每一种配比情况下的试样分成2 组，每组6 个样，一组在2 5 恒温箱下养护 7 日，进行免侧限试验，得到改良土的不浸水无侧限强度。另一组在在2 5 恒滠箱下养护6 日届，取出后浸水2 4 小时，进行无侧限试验，得到浸水强度。 浸水无侧限强度与不浸水无侧限强度之比即为材料的水稳定性系数，反映材 料鲍承稳性。表2 1 3 是无侧黻强度试验结采。 对于1 舟集料，水泥配比为2 、3 和4 时，水泥稳定级配碎石的不浸 水无侧限强度分别为0 9 1 m p a 、1 。3 4 m p a 和l 。3 8 m p a ，浸水无侧限强度分别 为0 7 7 m p a 、1 0 4 m p m p a 和1 1 2 m p a ，水稳系数分别为0 8 5 、0 7 8 和o 8 l 。 可见，随着水泥含量增加，水泥稳定级配碎石的不浸水与浸水冤侧限强度增 热，永稳性系数刚基本一致。从强度方蠢考纛，配毙为2 豹水泥稳定级配 碎石能够满足基床表层材料的要求。 对于l 撑集料，只掺加粉煤荻的情况下( t 1 4 t 1 6 ) ，试样在养护6 天后， 试榉浸水即崩解，因此，其浸水无霰i 限强度为0 。在不浸水条件下，其无侧 限强度也较小，这是由于粉煤灰改良士的强度增加较缓慢，通 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 天龄期之后，无侧限强度才能达到最终强度7 0 以上。可见，根据施工工期 要求，单独采用粉煤灰改良憋不行的。 在拳泥含量为2 ，水淀稳定级院碎石的不浸水茏侧限强发随粉煤灰古 量增加而增加，在粉煤灰含量分别为6 、1 0 和1 4 的情况下，不浸水无侧 限强度分别为0 5 9 m p a 、0 6 0 m p a 和0 9 3 m p a ，浸水无侧强度随粉煤灰含量 增糯的变化较，j 、，在粉煤灰含量分剐为6 、1 0 和1 4 的情况下，浸水无侧 限强度分别为0 4 6 m p a 、0 5 7 m p a 和0 5 8 m p a 。且所有试验组的无侧限强度 均小于只掺热耀网含量永泥( t 1 2 组) 的揍况，这说鞠，掺热粉煤灰无助于稳 定级配碎石犟期强度的增加。对于硝集料稳定效果更蓑一筹，因此，从强度 考虑，不应采用掺加水泥加粉煤灰豹方案。 表2 3无侧限强度 编号 不浸水无稠限强度( m p a )浸水无侧限强度( m p a )承稳定系数 t l l0 9 10 7 7o 8 5 t 1 21 3 41 0 4o 7 8 t l 31 3 81 1 2o 8 l t 1 4o 0 8 t l 一5o + 1 1 t 1 6o 。鹋 t 1 70 5 9 0 4 6 0 7 8 t l 一8o 6 0o 5 7o 9 4 t 1 9o 9 3o 5 8o 6 3 t 1 1 00 6 10 4 9 o 8 0 t 2 10 4 80 4 00 8 4 t 2 2o 6 6o 5 5o 8 3 t 2 3o 6 70 5 70 8 4 通过以上分析，从无侧限强度和施工方便性考虑，建议采用配比为3 的水泥稳定级配碎石。为研究水泥配比为3 的水泥稳定级配碎石的长期强 度，进行了2 d 、7 d 、2 8 d 、9 0 d 和1 8 0 d 的无侧限强度( 网2 - 6 和袭2 4 1 ，从图 中可看出，随着龄期豹增加，无测狠强菠也随之增麴，强度增长速率隧龄期 增长越来越慢，最后将趋向于菜一最终值。水稳系数也越来越接近，在1 8 0 d 时，水稳系数达到o 9 l 。7 d 龄期的不浸水无侧限强度楚1 8 0 d 的7 7 6 ，浸 水条件下为6 6 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 1 f r 毛， z i ：_ 墨要要竺鉴詈鐾二警黧、 ： i 小覆率戈翔飘疆发t m 他) r 1 l+ 水稳性蘸数r 1 0i 0 0 龄朝问 图2 - 6掺加3 水泥的稳定级配碎石的无侧限强度与龄期 表2 - 4 掺嬲3 水混的稳定级配碎石的无伽限强度 i龄期( 天) 272 89 01 8 0i l浸水无捌限强度( m p a ) 0 ，6 41 0 4l ，3 31 5 11 5 7i l不澄痰无错戳强度( m p a ) 0 8 51 3 41 6 01 7 0l ，7 3i i 水稳性系数 0 7 5o 7 8o t 8 3o 8 90 9 1l 2 。2 。4 匿弹摸曩 对于基床表层束讲，具有一定的弹性是必要的，但剐度过大，对行车舒 适度意影响。困炽，合适浆弹性模爨慰基床树辩是必要的。哲媲要求基寐 表层鹣。在1 9 0 m p a h n 敷上，计算弹性模量为4 2 m p a ，也就是讲，基床裘层 材料的弹性模壁应在4 2 m p a 以上。本次弹性模量试验采用公路土工试验规 程的强度搜法，分7 数拥藏，最大加载压力为2 1 4 k p a 。每缀斌群为3 个， 取3 个样的回撵模量平均值作为该组的弹性模量，觅豳2 7 、图2 - 8 。表2 5 是1 # 集料不同试验组合的回弹模量值，均大于4 2 m p a 。可见水泥含量的增加 能在缓大程痘上璞加材料驹圈弹摸爨，配毙为3 强的水泥稳定缀嚣碎石敕弹 性模嚣能够满足基床刚度的要求。 袭2 5i # 集辩不裁试验组合豹回弹楼鬟 i编号t 1 1t 1 21 1 3t 1 dt 1 5t 1 6t 1 7t 1 8t i 一9 1 回弹楔戢值 1 0 1 21 4 4 62 4 9 6 5 0 8 7 0 。3 27 4 ，95 5 59 5 9 81 0 0 0 f ( m p a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 8 。 2 0 知 如 1 2 。 8 0 1 2 0 l l o 。1 0 0 枣9 0 襄8 0 釜7 0 6 0 靳 4 0 。2 百劳舟 6 图2 7 不同水泥含量回弹模量曲线( 集料1 # ) 1 _ 卜- 咒术泥 一+ 嫩谨音量2 厂 - 、 一 l 4681 0t 21 41 6 百分比 圈2 - 8 水泥含= 鞋一定、粉煤炭含量誉同时的回弹模量趋线( 集料l “) 2 。2 5 渗透一i 生 渗透试验采甩变水头渗透试验方式，试验装置采用改造的渗透仪。渗透 试验进行了3 个试样，试样l 是级配碎石，试样2 是2 水泥稳定缴配碎石， 试样3 是3 水泥稳定级配碎石。三个试验的试验结果见表2 6 。可见，3 的 水泥稳定级配碎石的渗透系数蹙缓配碎磊的1 i 5 ，其有较好的防渗能力。 表2 6 渗透试验结粜 试样试样试样测定渗透晕初始试后水力梯渗透系数 编号高度直径时润 ( m 1 ) 水头承头度f m ，s ) r c m l ( c m 】( s ) r c m l ( c m ) l1 51 5 16 2 7 08 36 54 9 3 5 1 0 e 0 6 21 51 52 6 0 02 5 08 66 24 9 31 1 0 e 0 6 31 51 526 2 2 2 0 3 0 08 4 55 14 5 25 8 9 e - 0 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 3 小缩 1 ) 水泥含量为3 的稳定级配碎石在强度、回弹模量、渗透性和惩实性 等方面均满足基床表层材料的要求。 2 ) 东泥稳定级酝碎石的无侧限强度和水稳性随水泥含量增加露增翻。 3 ) 水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随龄期增加而增加。水泥含 量为3 的情况下，7 d 龄期的不浸水和浸水无侧限强度分别是1 8 0 d 的7 7 6 和6 6 2 。 4 ) 集料级配对水泥稳定级配碎石灼强度影响较大，细粒含量偏小的级配 碎石经水泥稳定改良店，其强度明显低于级龚己良驽豹级配碎石愫提。 5 ) 单独采用粉煤灰稳定改良的级配碎石浸水崩解，其水稳定性极差。 6 ) 水泥稳定改良的级配碎石的渗透系数随水泥含量增加丽减少，3 水 泥稳定级配碎石具有较好酶防渗功能，其渗透系数是级配碎石的1 1 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第三章水泥稳定级配碎石基床结构 动态特性试验研究 在第二章对水泥稳定级配碎石的材料特性进行了分析，为了稔验这种改良 材料用作基床表层填料的路用性能，以便指导工程设计和施工，本文通过足 足动态模型试验，摸拟在实嚣菏载条锫下基床的动态特性，以证明措施的可 行性和可靠性。 3 1 试验概况 3 1 1 试骏模型 试验采用足尺动态模型，薅南交通大学道路与铁道工程试验室为试验点， 试验采取l ：1 的模型，模型长度为5 7 0 c m ，宽度为3 0 0 c m 。基床表层结构按 实际线路结构进行试验即铺设土工膜层，粒砂1 0 c m ，表层为6 0 锄，道床 厚度为3 5 c m 。由于受试验反力架结构煞限制，蒺庆底层厚度为1 2 0 锄。软遒 结构采用由两根轨枕和钢轨组合成一个轨排，轨枕为3 型枕，钢轨为6 0 趟钢 轨，轨枕间距为5 6 c m 。轨排放置在遒床上，再在轨排中央放置一加载粱。整 个试验系统静设置如黼3 i 。 试验加载采用西南交通大学铁道工程试验的佛力多通道加载系统。 3 1 2 测试内容与传惑器布置 测试的内容主要蠢荷载、动应力、变形。 动应力指基床表堪和基来底层的动应力，采用土压力盒测试，分4 层布 置，分别标以a 层、b 层、c 层和d 层，距基床表面的距离分别为o 、7 0 c m 和1 c m 和1 3 0 c m ，分期对应基康表稼表面、基漾底层表蘑、綦床底层表匿 以下3 0 c m 表面和基床底层中部表面。其中a 层布置7 个土压力盒，b 屡布 置3 个，c 层和d 各布置2 个压力盒，具体见布置图3 。2 一图3 5 ，共1 4 个。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ( a ) 模型试验平面示意图 ( b )模型试验纵断面示意图 ( c )模型试验侧露示意图 图3 1 模型试验示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 变形分轨道变形和基床变形，轨道变形通过在轨枕上安装动态位移计进 行测试，设2 个点，分布在两根轨枕的四角。在舢d 四层每一层布置2 个 动位移测点。共l o 个测点。 3 1 3 试验荷载设计 ( 1 ) 荷载 由于是客货共运，客车和货车轴堕的不同，因此，试验时需要考虑不同 豹车斑重和车型情况。 通常在计算路基静应力时，按5 根轨枕分担一个静轮载，赢根轨枕的分 担比例为0 。1 ：0 。2 ：0 4 ：0 。2 ：0 。1 ，并以孰铙的有效支承面积作为分布蘑积【3 l 】。因 此，采用2 掇轨枕进行动态模型时，充分考虑荷载分担比例，按两根轨枕分 担轮载的7 0 来计算，即每根轨扰分担轮载的3 5 。 图3 - 2 a _ a 层( 基床表层表面) 传感器布置图 医圈隧圈 3 小。匮西 二差 ；s 2 6 。 基c ) 一 ：2 9 2 a 2 5 1 $ 3 4 ； 田 h 图3 - 3 b b 层( 基床底层表面) 传感器布鬣图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 l 线路中拽l 匦i i i i 刁 l 圭坚童i o 丽两 眨a 芋2 5 3 一 - u ：s 1 8 1 9 ：固 一 图3 4 c c 层f 基寐底层袭瑶下3 0 c m ) 转感器布置图 区西圆匝困 o 函团 西 一r 。 ：s 2 5 2 1 ：一 ：s 2 2 5 ；一 j ，气h ；塑塾垒! e r 图3 - 5d d 层( 基床底层袭蕊下6 0 c m ) 传感器布置图 计算动态试验的荷载时，按轮载分担的方法、采阁动轮载计算。动轮载 与静轮载的必系如下： 毪一昱( 1 + m ，)( 3 1 ) 式中： b 一一动轮载( k n ) ； 只静轮载( k n ) ； a 动力冲击动力系数或称速度系数。 v 一一速度( k i n h ) ： 口取璧与线路状态有缀大关系，逶常髂况下，a 取o 0 0 5 ( 普通线路，、 o 0 0 4 ( 无缝线路) 或o 0 0 3 ( 高速或客运专线) 。 遂渝线将来可能采用我圈客运专线车辆和机车类型霄“神州号”f 动力集 中謦内燃动车组) 、“先锋号”( 动力分散型电力梳车) 、“中华之星”( 动力集 中型电力动车组) 以及“长白山号”，货运机车车型可能有s s 4 型和2 5 t 集装 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 箱，按下列速度计算：“神州母”为2 0 0 k m h ，“先锋号”和“中华之星”为 2 5 0 k m h ，s s 4 和2 5 t 集装箱为1 2 0 k m h ，d 取值均为0 0 0 3 ，相应的试验荷 载镇如表3 1 。秦沈客运专线路基动态试验结果表明，不霹车受酶8 值略有不 同，其中“神州号”为0 0 0 0 9 ，“先锋号”为0 0 0 0 5 ，“中华之星”为0 0 0 0 2 ， 平均为o 0 0 0 8 3 ，大大低于0 0 0 3 。根据表3 1 的结果，并参考豢沈客运专线 实铡结栗，这次试验静载试验的荷载的最大值淑1 7 5 k n ，动载试验的幅值取 2 0 0 k n 。 袭3 1 备车蘩的荷载值 神州号中华之星s s 4 型2 5 t 集 车型先锋号 动车拖车动车拖车 机车 装箱车 轴蕊( k n ) 2 2 51 6 51 4 51 9 51 4 2 52 3 02 5 0 静载( ) 1 5 7 51 1 5 51 0 1 51 3 6 59 9 81 6 1 01 7 5 0 动载( k n ) 2 5 2 o 1 8 4 81 7 7 62 3 8 91 7 4 62 1 9 + 02 3 8 0 ( 2 】荷载波形与频率【3 2 l 理论上游，一个转向絮驰每一轴邋过对，慰路基磊言，都楚一次龆卸载， 即作用1 次，但从实测动应力图中可以看出，由于动威力在路基中的相互叠 加作用，同一转向架两轴之间，基床动应力并没有卸载至0 ，箍是在桷当大 动成力时由卸载转交为加载，因此，在模型试验中，通常将一个转向架两个 轴的作用简化为1 次作用，且使用半正弦波形来代表。这样来，一个车辆 的作用哭相当于对路繁重复傺震2 次。动荮载的波形可以作如下麓他： p d 皿 p o s i n ( 啦) 。引s 专 。 土。1一一2 删哥旁fa 专t 三- - + 5 1 。1 s 扣 p 2 ) p 。s i 删一旁专小如扣 p 纠 。土f + t srs 多+ 五+ 瓦 式中：所试验动荷载( 1 ( n ) ； p o 一一试验动荷载幅值( k n ) ； ，一一半正弦波的频率( h z ) ； 墨个车辆两转向架之间的通过时间( s ) ； 疋一一两个车辆之间的间隔距离的通过时问( s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 路基受到的歹l | 车动荷载作用筒化为周期为五+ r 斗- 1 ，、由两个半正弦波 组仑而成的复合周期波形。互、l 和1 ，与车辆的型母、车辆长度、转向架 的长度、转匈架距奄关，并根攥运行速度诗冀季譬出。试验时，将上式生成的 周期函数，输入佛力疲劳试验系统中即可实现。 由于遂渝线涉及的有客运专线的客车，也肖1 2 0 k m h 豹双层集装箱货车， 它们的车长、转向架中心距存在较大差异。以中华之星动力车组为例，动车 与拖车的长度就不一“致。在试验中，很难考虑所有车辆因素的影响，因此， 经过计算不瓣车型豹过车额窭，在试验中，选择4 珏z 作为翔载频率，并以正 弦波形代替上述的波形。 3 1 。4 试验分维多骤 试验分3 组，3 组基床底层材料相同，但基床表层材料和试验条件不同。 第一缝试验，基床表层孝葶料为承泥稳定级配碎石。第二缓试验，基床表层材 料为级配碎石。第三组试验是在第二组试验完成以后，通过洒水的方式模拟 降雨，改变基床结构含水量，从而改变基庆结构的剐度。 试验从大体为分三部分：静载试验，变荷载试验，重复加载试验。 静载试验主要采用静载进行试验，目的是考察在静荷载作用下结构的应 力、交形情况。另终珂班对模型结构进行整会，以稠于螽磊的动态模型试验。 静载试验以分级加载方式进行，将最大静荷载1 7 5 k n 分为7 等级，每一级 2 5 l ( n ，逐级增加，每级静荷载情况下澳试应力和变形。 变荷载试验主要模拟不同运行速度和轴熏情况下，基床结构的动应力、 动变形的变化情况。将最大动荷载幅俊、最大加载频率，分为8 等级，进行 频率和荷载缀合，测试每一种组合情况下的动应力、变形。 重复加栽试验模拟线路在长期列车荷载作用下的累积变形以及基床的 长期稳定性。荷载范围为2 5 k n 2 0 0 k n ，频率为4 h z ，进行1 0 6 次加载，模拟 相当于线路运行1 年运量。 3 2 模型填料与填筑 路基基床底层的填料从遂渝铁路d k l 0 施工现场运来红层泥岩填料，最 佳含水量和最大干密度为1 2 8 l 、1 8 5 5 k n 细3 。第一组的基床表层填糕为水 泥稳定级配碎石，本次试验采用的级配碎石为遂宁市取石场，级配比例满足 要求。 糟南交通丈学硕士碳究生拳 焱论文繁3 1 页 参数k 来表永： 盘赶一删。肚5 ) 式中，k l 是墓臻液层表商静静态躐动态稼含参数。将三组试验的静动态 数据按上式拟合，得剿图3 1 8 。各组的聪，芦值参见表3 7 。a 值慕本较接近1 。 多餐受基藤剿度影镌，第一缀多篷暖显太子蘩二、三缀，谯臻第一筑熬囊瘟 力沿深度袋减快。第组中，蒸床底屡袭面动静威力分别魑基床表艨表面的 3 0 和2 2 ，雨第二缀和第三缀相应的德分别为4 4 和4 1 、6 8 釉4 5 。 国3 - 6 基艨袭层表面静斑力与箍鼗( 第一缀) 蓬3 * 7 基寐畿痿表蔼静赢力与祷载( 第一缀) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 图3 - 1 1 基庆底层表谶静应力与萄载( 第三组) 翻3 - 1 2 基床表层表面动应力与荷载幅值( 第一组) 图3 - 1 3 基床底层表面动应力与荷载蝠值( 第一组) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 圈3 - 1 4 基床裘层表面动，盘力与苟载幅值( 第二组) 图3 1 5 基床底层表面动应力与萄载幅值 第二组) 图3 - 1 6 基床袭层表面动应力与荷载幅值( 第三组) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 和3 8 9 在动荷载作用下，不同位置的变形随动荷载时间历程而变化，其波形与 动穗载基本耀弼，有峰值和谷傻。图3 2 2 鹜3 拦是3 组试验在频率先4 珏z 情况下变形峰值。在荷载为2 0 0 k n 的时候，第组、第二组、第三组的轨面 平均变形分别为：o 5 2 9 m m ，o 9 1 4 m m ，l 。9 6 6 m m ，基床表层表面平均变形为： o 2 6 l m m ，o 3 7 l m m ，o 6 7 5 m m ，基床底层表面变形为 ： o 1 3 4 m m ，0 2 9 5 m m ，o 2 2 m m 。 可见采用水混稳定级配碎石作为基床袁层填料，动态变形明显降低。 变形峰值与荷载峰值的必系可认为是线性关系，线性拟合参数h ，见 表3 9 。可见，第二、三组的轨面平均变形拟合参数髟。分别是第一组的1 。6 5 和3 5 3 ，同褒，基床装层表面相应比值为1 4 3 和2 3 6 ，基床底朦表面相应比 值为2 1 0 和1 0 8 。 图3 2 5 整3 2 7 蹙3 缀试验在频率为4 h z 情况下燮形蕹蕊。变形福建疆 荷载幅值的关系线性变化。线性拟合参数岛。见表3 ，1 0 。可见，第二、三 组的轨面平均变形的拟合参数点。分别是第一组的1 3 9 和2 。1 5 ，基床表层 表瑟裙应比值为3 3 6 和3 6 0 ，基床底层表面相应比值为4 3 4 和2 3 5 0 。 图3 2 8 图3 3 0 是重复加载作用下，3 组试验的累积残余变形随加载次 数豹变 x 馥瘴交通炎学硕士戮究生常囊磷强醛l l 襄 溪霎* 鬻 ? 鼋i溪谨 醒睡警i 番i 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 图3 2 5 动载试验荷载与变形幅值( 第一组) 图3 - 2 6 动载试验荷载与变形幅值( 第二组) 图3 - 2 7 动载试验荷载与变形幅值( 第三组) 蕊南交遴失学硕士辑究生学僚论文繁4 1 页 蚕3 2 8 第一缀戆累积瘩久变形 匿3 2 9 第二组的累积永久变形 图3 - 3 0 第三组的鼹积永久变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 表3 8 静载试验条件下的静变形拱合参数瓦。 组别轨丽基床袭层表露 基床底层表面 第一缀 2 _ 3 7 e - 0 31 1 1 e 0 3 6 8 7 e 0 4 第= 组9 3 3 e - 0 32 9 4 e 0 3 2 0 2 e 0 3 第三组 9 ，6 7 嚣母33 8 6 e 一2 6 7 嚣- 表3 9 动载试验条件下的动变形峰值拟合参数k d 组剐轨词基廉袭层表面基床底层表面 第一组2 5 1 e - 0 31 2 6 e 0 36 8 l e - 0 4 第二缓4 1 4 嚣0 31 8 0 e 0 3 1 4 3 e 0 3 第三组8 8 6 e 0 3 2 9 7 e 0 37 3 8 e 0 4 表3 1 0 动载试验条停下的动变形幅值拟合参数k d o 组别轨面基床表层表丽基床底层表面 第一缀2 2 1 e * 0 34 9 7 e - 0 43 5 5 嚣一0 4 第二组3 0 7 e 0 31 6 7