重载铁路泡沫轻质土路桥过渡段长期服役性能试验研究

李泰灃 韩自力 张栋 陈锋 李中国

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

重载铁路路基容易发生路基开裂、下沉、翻浆冒泥及边坡坍塌等病害。路基的破坏变形最终将导致轨道的变形破损，从而造成维修工作量加大，维修成本增加［1-2］，甚至危及铁路行车安全。

我国在25～30 t轴重既有重载铁路加固和新建铁路技术方面积累了丰富的经验［3］。为了满足“一带一路”倡议需求，有必要开展35～40 t轴重下路基结构的相关研究与试验工作，提出适用于35～40 t轴重的路桥过渡段结构，为完善我国重载铁路路桥过渡段设计理念与方案提供理论基础与试验支撑。

现浇泡沫轻质土具有密度小、强度高、施工便捷等优点，用于铁路路基填筑可大幅度地减轻施加于地下结构物上的土压力，使路基内应力更大范围地均匀扩散，减小作用于地下结构物上的附加应力［4］。采用泡沫轻质土替代普通路基填料，可有效解决优质填料难以获取、远运成本较大、施工条件较为困难等问题，尤其适用于重载铁路路桥过渡段填筑，对过渡段不易压实和不均匀沉降等问题是较好的解决方案。

中国铁道科学研究院铁道建筑研究所于2016年研发了适用于35～40 t轴重的重载铁路泡沫轻质土路基结构［5-6］，并于2018年应用在美国交通技术中心（Transportation Technology Center Inc.，TTCI）的加速试验线（FAST）大运量环线（High Tonnage Loop，HTL）上。大运量环线2018年9月—2020年10月底累计通过总质量达到3.25×108t。本文结合现场观测、长期监测等，对重载铁路泡沫轻质土路桥过渡段的耐久性和长期服役性能进行分析。

1 试验概况

铁道建筑研究所于2018年在TTCI的加速试验线大运量环线上，铺设了一段长度20 m的泡沫轻质土路桥过渡段重载试验段。具体位置位于大运量环线东铁桥的西过渡段附近，如图1所示。

图1 TTCI大运量环线试验段

主要试验内容包括：①建造现浇泡沫轻质土重载铁路路桥过渡段，使其强度满足设计要求；②对其变形进行长期监测和人工观测，验证其整体服役性能；③当通过总质量达到3.25×108t后，对泡沫轻质土路桥过渡段进行开挖，观测轻质土表面裂缝发展情况，评价其结构完整性；④通过钻芯取样，获得泡沫轻质土内部劣化趋势，验证其长期服役性能；⑤通过长期服役性能测试，对现有设计、施工方法提出改进建议。

2 泡沫轻质土路桥过渡段设计施工

2.1 路桥过渡段设计

泡沫轻质土路桥过渡段主体结构由现浇泡沫轻质土构成，总共分为三个台阶，单层台阶高为0.8 m。泡沫轻质土路桥过渡段结构整体采用复合土工膜全包裹的形式，并在泡沫轻质土顶面设置砂垫层。距泡沫轻质土顶部0.1 m处设置金属网。过渡段每隔10 m左右及厚度变化处设置沉降缝，缝宽2 cm，深0.2 m。泡沫轻质土性能指标［8］见表1，过渡段具体结构形式见图2。

表1 泡沫轻质土性能指标

图2 泡沫轻质土路桥过渡段结构形式

2.2 路桥过渡段施工

泡沫轻质土路桥过渡段主要施工材料包括现浇泡沫轻质土、砂浆、复合土工膜、钢丝网、沉降缝嵌缝材料、路基填土、砂、底砟（级配碎石）、道砟等。

现浇泡沫轻质土路桥过渡段施工，通过浇筑10 cm厚的砂浆保护层，找平并保护轻质土底面。这项工作于2018年7月10日完成。砂浆材料的设计强度约为13.8 MPa。在底层复合土工膜铺设完成后，可对泡沫轻质土进行浇筑。为了减少直角处可能导致的后期破坏，将原有直角台阶设置优化为45°斜角，并将整个浇筑过程分为五次，如图3所示。

图3 泡沫轻质土路桥过渡段施工

第1次浇筑于2018年7月11日开始，第5次浇筑于2018年7月19日结束。最终的轻质土材料符合湿密度和28 d强度要求（图4）。固化完成后，对泡沫轻质土进行钻芯取样，以检查整体质量和其他存在的问题。结果表明泡沫轻质土强度满足设计要求，施工质量良好（图5）。

图4 抗压强度变化

图5 轻质土施工最终状况

通过现场浇筑可以发现，由于泡沫轻质土初始固化过程中释放热量较多，会导致空洞、离缝进而影响浇筑后的整体强度，因此须严格控制单次浇筑时间及厚度。每次浇筑泡沫轻质土时间应控制在1 h内，以便有利于泡沫轻质土的固化。浇筑后第二天，应检查泡沫轻质土表面的材料及其黏结情况。

3 泡沫轻质土路桥过渡段监测结果

长期服役性能观测从2018年秋季一直持续到2020年秋季，大运量环线累计通过总质量达到3.25×108t。大运量环线上运行的列车编组为三节北美标准内燃机车牵引100辆标称143 t的重载车（轴重35.4 t）和10辆标称130 t的重载车（轴重32.7 t），最大运行速度64 km∕h。重载列车在每年2月至5月期间，每周运行4晚（每晚累计超过2×106t），然后在9月至11月再次运行。

3.1 测量参数

监测参数有轨道顶面高程、沉降标高程、轨道刚度等。轨道顶面高程测量的目的是获得轻质土路桥过渡段范围内轨道沿纵向的变形规律，该测量值包括轨枕、道砟、底砟（级配碎石）、砂垫层、泡沫轻质土和基底的总沉降。

沉降标被放置在不同结构层表面上，在六个测试断面（表2）处各分为三个测试面：轻质土底面、轻质土表面和级配碎石表面。

表2 六组沉降标具体埋设位置

轨道顶面高程和沉降标测量点所处横向位置不同，故二者观测值存在一定差异。

3.2 沉降标观测

沉降标与轨道顶面高程观测具有相同观测周期，可以比较并获得各结构层沉降的发展趋势。33#轨枕处（测试断面5，距桥台水平距离16.2 m，单台阶）结构层沉降随通过总质量的变化规律见图6。

图6 33#轨枕处（距桥台16.2 m）三个沉降标观测结果

由图6可知：轻质土基底几乎没有沉降，与预期一致；泡沫轻质土表面在最初的5×106t中，初始沉降约为4～5 mm，之后几乎没有沉降发展。

当通过总质量达到3.25×108t后，六个测试断面各结构层的最终沉降见表3。可知：各测试断面相同结构层的测试结果基本一致。距离桥台水平距离10.4 m位置处较低的沉降是由于设置沉降缝导致的。

表3 各结构层表面沉降

3.3 分层沉降数据分析

根据轨道顶面高程和沉降标的数据，可计算得出各结构层的沉降。整个运量考核试验完成时和通过总质量4×107t后各结构层平均沉降见表4。可知：大部分沉降发生在道砟层，其次是底砟（级配碎石）层；约75%～80%发生在轻质土上方的各颗粒层中，泡沫轻质土自身沉降较小。

表4 各结构层分层沉降

虽然轻质土表面存在一些初始沉降，但在4×107t后，该沉降可忽略不计。路基基底未发生明显沉降，表明泡沫轻质土整体服役性能良好。

4 泡沫轻质土长期性能分析

为了对泡沫轻质土长期服役性能进行更深入的研究，在累计通过总质量3.25×108t后，于2020年夏季对泡沫轻质土上覆结构进行移除和开挖，并对其表面进行人工观测。

4.1 轻质土沉降分析

通过分层沉降（沉降标）观测，可计算得出轻质土自身的沉降。各测试断面处轻质土表面沉降随通过总质量的变化规律见图7。可知，大部分沉降发生在最初的通过总质量1×107t，然后是相对平稳的沉降发展阶段，表明轻质土具有较好的长期稳定性。

图7 泡沫轻质土表面各测点沉降情况

4.2 轻质土表面状况

从2020年6月30日至7月1日，对轻质土上方的砂、底砟（级配碎石）和道砟进行了开挖移除；揭除复合土工膜后可以发现，轻质土表面仍具有较好的完整性，与大运量试验前的状态相比无明显劣化。开挖移除后的轻质土表面伤损情况见图8。轻质土表面轻微刻痕和凹痕是由于机械开挖导致的，其整体完整性并未受到影响；沉降标附近存在部分裂缝，是由于埋设标杆应力集中所致。

图8 通过总质量3.25×108 t后轻质土表面伤损

4.3 轻质土表面纵向高程变化

对轻质土表面纵向高程进行测量，测量点位于轨枕的内、外侧下方，每三根轨枕测量一次，即轨道顶面高程测点的正下方。

测量结果表明内、外轨下方的高程趋势相似，凹陷发生在距桥台水平距离4～8 m以及12～18 m处，凸起发生在距桥台水平距离8～12 m处。

通过总质量3.25×108t后不同比例尺条件下轻质土表面高程测量和沉降标测量结果的对比见图9。可知，轻质土表面纵向变形规律较为一致，不均匀沉降随着埋深的增大而减小。

图9 轻质土表面高程与沉降标观测对比

4.4 轻质土表面横向高程变化

对距桥台水平距离1.7、8.5、14.3 m三个测量点处的横向高程进行测量。每个测试断面有21次个测点，位置如图10所示。

图10 轻质土表面横向高程测量

轻质土表面横向高程变化见图11。紫色竖直虚线对应钢轨下方，黑色竖直虚线对应轨枕末端。可知：三个测试断面处均显示出相似的特征，距轨道中心-1.6～1.6 m内表面横向高程变化较小，轨枕外侧略微向下倾斜，这与轻质土表面排水坡设置有关。

图11 轻质土表面高程横向变化

4.5 轻质土钻芯取样和底面情况

从不同测试断面（不同台阶）处，进行钻芯取样：①距桥台水平距离1.7 m处1.2 m深钻芯；②距桥台水平距离8.5 m处0.9 m深钻芯；③距桥台水平距离14.3 m处0.6 m深钻芯。不同位置处钻芯取样的情况见图12。可知，泡沫轻质土内部不存在任何损坏或劣化迹象，其整体状况良好。

图12 不同位置处钻芯取样情况

5 结论

1）泡沫轻质土可安全应用于重载铁路路桥过渡段，施工过程中应确保原材料选型、规格和施工工艺满足设计要求。

2）泡沫轻质土在累计通过总质量达到3.25×108t后，约65%～75%的沉降发生在前4×107t，约50%的沉降发生在道砟层中，其余发生在底砟（级配碎石）和砂垫层中。轻质土底面沉降约为0.5 mm，泡沫轻质土平均沉降约4.0 mm。后续通过总质量增加对各结构层沉降无明显影响。

3）泡沫轻质土路桥过渡段表面不存在明显裂缝发展趋势；钻芯取样表明泡沫轻质土内部状况良好，没有损坏或劣化迹象。

4）泡沫轻质土路桥过渡段在大运量试验中表现良好，其长期服役性能较好。