新型预应力路基动力变形特性 试验研究 董俊利冷伍明张期树徐方12李亚峰 1.中南大学土木工翟学院.
摘要：为推进新型预应力路基应用于实际工程，开展列车荷载作用下预应力路基的动力变形特性 湖南长沙410075 研究尤显迫切.
通过建立1：5的预应力路基缩尺模型，探究列车轴重和预应力水平对预应力路基 2.中南大学重载铁路工程络 构教育部重点实验室，溯南 短期/长期动力变形特性的影响，建立常规/预应力路基三维动力有限元模型，进一步分析预应力 长沙 410075 加固机制.
结果表明：①循环动荷载作用下，路基动位移响应具有显著周期性；②路基各测点处 3.中南林亚科技大学，湖南 的弹性变形与列车轴重近似呈线性递增关系；③路肩处弹性变形随预应力的增加面减小，且列车 长沙410004 轴重的影响程度大于预应力水平；④提高预应力水平可降低路基累积沉降的发展速率，表明预应 4.安撒理工大学，安微淮 力路基在抗变形能力方面具有突出优势；5预应力加固构件对基床层侧向动变形的约束作用从路 100Z 基坡面到路基内部逐渐弱化.
研究揭示了列车荷载作用下预应力路基在动力稳定方面的积极作用， 同时为后续工程应用中的沉降预测和状态评估提供有益参考.
关键词：铁路预应力路基；重载列车；模型试验；变形特性；加固机制 中图分类号：U213文献标识码：A文章编号：1000-131X（2024）12-0118-14 DOI : 10. 15951/j. tmgexb. 23070625 Experimental study on deformation characteristics of a new prestressed subgrade Dong Junli? Leng Wuming* Zhong Qisha* Xa Fang'Li Yafeng* 1. Sdasl of Canil Enginering Abstract: To promote the application of the new prestressed subgrade in practical CentraSonh Cisily engineering the dynamic deformation characteristics of the prestressed subgrade under train Chsngshe 410075 Chise 2.MOE Key Lolryf loads was conducted. By establishing a prestresed subgrade model with scale ratio 1 : 5 Exgirisg Snus o fy the effets of train axle loads and prestres level on the short and long-lerm dynamic Hul Reiy Cmml Smth deformation of the prestressed subgrade were explored. Furthermore hwo three-dimensioned Unienity Chngzha 410075 dynamic finite element models of conventional and prestressed subgrade were established to Ckiss explore the prestressed reinforcement mechanism. The results show that : ( 1) Under cyclie ForstrandTohngy 3. Central Sostk Unirerity of dynamic loads the dynamic displacement response of the subgrade exhibits significant Chongshe 410004 Chise periodicity. (2) The elastic deformation at all monitoring points of the subgrade basically 4. Ashsi 七nely ef Sre increases linearly with the train axle loads. ( 3) The elastic deformation at the subgrade ond Frdigy Hinn shoulder decreases with the prestress level and the influence of train axle loads is greater 232001 China than that of the prestress level. ( 4) Improving prestress level can reduce the increase rate of accumlated settement f the subgrade indicating that the pestresed subgrade has otstanding 基金项目：国家自然科孕基金（51978672），湖南省自然科学基金青年项目（202341054）和中南大学研究生自主探索创 新明目(2021xtx[230) 作者简合：董伐利，博士研究生 通讯作者：张期树，博士，讲邦收稿日期：2023-07-28 中国网2204
adlvantages in terms of deformation resistance. ( 5) The restraining effet of prestresed reinforcement ponents on the lateral dynamic deformation of the subgrade bed layer gradually weakens from the slope surflace to the subgrade interior. The above results reveal the positive role of the prestressed subgrade in dynamic stability under train loads and provides some useful references for setlement prediction and performance evaluation in subsequent engineering applications. Keywords: railway prestressed subgrade; heavy-haul train; model test; deformation properties; reinforcement mechanism E-mail: Zhangqishu930213@ 163. 对减小路基动位移有积极作用.
Chawla等[2通过开展 引言 室内模型试验，发现在路基中理设土工织物可有效抑 制路基土体颗粒的迁移，有利于路基减沉.
Zhang 路基作为铁路和公路的主要组成部分，在线路中 等利用循环加载装置对全尺路基模型开展动力测 占比很大，如普通/重载铁路一般超过70%[.
铁路路 各试，探究了路基的累积变形发展规律.
综上可知，目 基填筑必须满足相关设计规范对压实度、含水率及填 前关于路基变形特性方面的研究集中于普通路基结构 料类型等多方面的严格要求.
然而，达到现行设计和 和常规路基加固法.
既有研究表明，预应力加固结构 施工质量标准的路基，在服役过程中仍伴随产生不同 对改善路基静、动力响应特性方面表现出一定的积极 程度的劣化和病害.
特别是在铁路交通运输领域，随 效应，而前期工作仅对动力特性中的加速度响应 着客运列车速度提升（高速化）和货运列车轴重增加 开展了相关分析.
动位移是反映路基工作状态的一个 （重载化）的快速发展，路基内部动力响应显著增强， 关键指标，目前暂未针对预应力路基的动力变形特性 势必加速路基的劣化和相关病害的产生（.
开展深人研究.
路基服役性能和病害的发生/发展往往与其围压 显然，预应力路基在结构形式上有别于普通路 大小密切相关.
就铁路路基而言，与路基体自身受 基和常规路基加固法，且现有铁路路基变形特性方 力状态不良（围压不足及其边坡无侧向约束）有关的 面的研究成果无法体现预应力加固结构对路基体的 路基病害占比较大，如：边坡淄坍与滑垮、坡面鼓 加固强化作用.
鉴于此，本文以预应力路基为研究 胀及基床外挤等.
面对上述诸多现实问题，冷伍 对象，通过开展一系列动力加载试验，重点探究列 明等"提出了一种既能增加路基土围压又能强制约 车轴重和预应力水平对路基动力变形特性的影响， 束其边坡变形，且无需中断行车的新型路基加固强化 从而揭示预应力路基的动力加固性能.
法一预应力路基结构.
该结构在路基内水平穿行预 应力钢筋，并于两侧坡面将预应力钢筋与侧压力板锚 1预应力路基结构 固，通过张拉预应力，使加固构件与路基体共同形成 协同工作体系.
以往对列车荷载作用下路基变形特性 新型预应力路基结构（图1（a））通过张拉预应力 的研究大多以普通路基为对象，研究手段主要有 钢筋，将钢筋预拉力经由侧压力板转化为作用于路 理论分析[、数值仿真及现场/模型试验11] 基边坡表面的预压面荷载，再扩散至路基内部，促 等.
相较于理论分析与数值仿真，模型试验能够更加 使预应力加固构件（预应力钢筋与保护套管、侧压力 直观地反映路基的变形特性[-19].
Bian等[2和蒋红光 板和锚固元件构成的体系）与路基形成协同工作体系 等[2基于全尺I型板式轨道-路基模型，指出对于单次 （见图1（b）），以改善路基土内部应力状态并提高边 加-卸载过程，填料的应力-应变可近似看作非线性弹 坡稳定性.
若应用于既有线，可整治路基病害并达 性变形.
孙广超和Ni等开展1：5的无雄轨道X 到强化路基的目的：对于新建线，可采用较大路基 形桩-筏复合地基模型试验，研究了列车循环荷载作用 坡率（如采用1：1.0或1：0.75甚至更陡的坡率）， 下地基-X形桩-加筋垫层-路堤-轨道系统的动位移响应 减小路基下部软羽地基的处治范围和占地面积.
相 特性.
冷伍明等2开展了足尺路基模型试验，发现路 较于常规路基，新型预应力路基既有创新又有广阔 基面动位移峰值随列车轴重的增大面增大，且道层 的推广应用前景，其结构特点如图2所示.
中国类动力基动办药案 2004年12月第57卷第12期4掌报1119
坡率1：1.0.
图中x轴代表线路横断面方向，Y轴代 作区 表线路纵向，Z轴代表竖直方向，Ri代表第i排侧压 基床良 路基本体 力板，Gi代表第列侧压力板，i=1-5.
地基 表1模型试验相似关系及参数取值 Table 1 Model test similarity relationship and parameter values 物理量 相叙关系 相似比 尺寸7 C 5 密度p c 1 (a)预应力路基 弹性模量E Ge 时间r C=C( ）（)-2 5 备固元件 1/5 补护套馆 荷载P Gp=(C)²Gx 25 侧压力板 应力a C =Ce 聚力c C =C (b）预应力加固组件 1 内摩擦角 C =1 图1新型预应力路基结构示意图 油松比产 C=1 Fig. 1 Schematic diagram of a new prestressed subgrade 位移u C =C 新型现应力路基结构特点 效录 33 03 错索测力计 预应力钢前 1.增加路基士的国压 提高路基的承载性能和抗变形能力 2.强制约束路基边坡 提高路基边坡的稳定性 基床底层 3.预应力加因组件与路基士 提高路基的抗动力性 路基本体 形成其网工作的整体结构 4.加周方法在路基边城同展开 无需上道作业或中断行车 地基 165 5.主登构件可工厂预制、现场装配 符合“绿色环保“路基加因 (a)横断面 技木的发展验势 270 6.可增大路基坡事 大幅节约土地和软士 05 35 70. 35 65 地基必范 图2新型预应力路基特点 风压力板 索力圈 Fig 2 Characteristics of new prestressed subgrade 基表限 基床庭基 2试验模型及测试工况 2.1缩尺模型参数 路基本体 模型试验中涉及的各相似参数需根据量纲和谐 和力学作用等效确定”，本研究选取几何尺寸、弹 C2 地基 性模量和质量密度作为相似关系分析的控制变量， (b) 纵新 其相似常数分别为C=5，C=1，C =1，据此推导 图3预应力路基模型横、纵断面尺寸（单位：cm） Fig. 3 Cross (longitudinal section size of 出的相似关系及取值如表1所示.
prestressed subgrade model { unit : cm] 本研究共填筑3组预应力路基模型（M1、M2和 M3），其几何尺寸如图3所示，具体为：路基顶面宽 2.2试验用土及填筑过程 1.66m，路基底部和地基横向宽3.66m，路基高1.0m， 依据《铁路路基设计规范》（TB100012016）] 基床表层厚0.12m，基床底层厚0.38m，路基本体厚 0.5m，地基层厚0.2m，路基线路纵向长2.7m，路基 模型用土，其中基床层为A1组填料，路基本体与地基 国中
层为B3组填料.
通过开展筛分和击实试验，获得路基 过高的加载频率会导致动力荷载无法稳定地传递至 填料的基本物理性质指标，结果分别如表2和图4所示.
钢轨，进面可能导致测试数据失真.
并且当MTS作 表2填料基本物理参数 动器执行长期动力加载，特别是采用“M波”加载 Table 2 Basic physical property of the construction soil 时，由于其动力冲击效应相对较大，无法保证加载 最大干密度 最优含水率 不均匀系数 曲率系数 位置始终固定，易出现偏载现象.
鉴于此，本文试 结构名称 Pa(g/cm²) =(%) c c 验在确保动荷载幅值不变的前提下，统一将加载频 基床层 2.192 6. 80 45.59 1. 19 率f调整为2Hz.
短期动力测试采用“M”波，而长 路基本体 2.187 6.41 89.51 2.26 期动力测试则考虑采用正弦波替代（见图8（b））.
地基层 2.173 7.17 83.02 1.08 S11 100 scY (a) 填土松辅 (b)务 基床层 品本体 0.1 0.01 （d)南坡 (c)埋设相筋 IE3 4 颗粒直径(mm) 图4颗粒级配曲线 Fig 4 Grain size distribution of the pacted soil 图5为新型预应力路基模型的关键制作工序.
首 先在模型箱内侧铺设聚乙烯（PE）减振泡沫板，并采 （）开挖台阶 （1）安装侧压力板 用坐标纸对路基设计尺寸和填筑分层进行详细定位.
图5预应力路基试验模型制作工序 然后按击实试验获得的最优含水率w进行配土并逐 Fig 5 Production process of a prestressed subgrade model 层松铺、夯实与整平，期间依据《重载铁路设计规 范》（TB10625-2017）检测压实质量.
填筑过程 MTSI作动器 中需在预定位置埋设外套PVC管的预应力钢筋.
待 模型填筑完成后，按定位线进行精细前坡.
同时为 避免张拉预应力钢筋时侧压力板向上滑移，在铺设 分配浆 侧压力板的区域开挖与板底相匹配的防滑台阶.
最 终的试验模型及上部动力加载设备如图6所示.
2.3列车活载模拟 列车动荷载模拟方法在文献[28]中进行了详细 描述，本文不再赘述.
对于有作轨道，以列车轴重 T=30t（C型散车），运行速度=80km/h为例，当 多节车厢连续通过时，则单根轨枕一端所受的动荷 基本体 载时程曲线如图7所示.
模型试验中，由于加载设备 仅为单个MTS作动器，则考虑将5根轨枕反力叠合 施加，经相似关系换算，其等效荷载时程曲线如 图8（a）所示，对应加载频率f=8Hx.
值得注意的是， 图6模型试验系统实物图 由于MTS作动器与分配梁间通过较长的传力杆连接， Fig. 6 The physical map of the simulation test system 2024年12月第57卷第12期=4学报1121
120 方路基面（U-3）和路肩位置（U-4），如图10所示.
100 ()LVDT位移传感器 0:0 0.3 1.0 1.3 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 时网(s) 图7等效荷载时程曲线[T=30t，v=80km/h） Fig. 7 Time-history curve of equivalent load( 7 =30t v=80km/h) (b)PMX数据系集控制器 图9动位移测试设备 40 Fig. 9 Test equipment of dynamie displacement 30 J-2 荷载（ E-n 10 (a)测点布置图 0.2 时间（s) 0.4 0.6 (a短期荷载 道昨层 (b)实物图 35 图10测点布置图 Fig. 10 Layout of measuring points 25 图11为3个试验模型（M1、M2和M3）的示意 图，表3为动力变形的具体试验方案，旨在探究预应 力水平P（0kPa、50kPa和100kPa）和列车轴重T （23t、25t、27t、30t和35t）对预应力路基瞬态弹性 变形和长期累积沉降的影响.
为避免路肩段附近路 0.000 0.125 0.250 时间（s) 0.375 0.500 基土体发生上拱剪切破坏[1），试验模型M2和M3 (b)长期荷敬 中的第1排（R1）钢筋预拉力水平调整为其余4排 图8动力加载曲线（T=30t，v=80km/h） 的50%（见图11）.
需要指出的是，短期加载工况 Fig. 8 Loading curves( T=30t v= 80km/h) SI具体为安装预应力加固构件，其预应力钢筋不 2.4测试设备及方案 张拉但需拧紧，使得预应力P=0kPa，形成被动 动位移测试设备由LVDT位移传感器和PMX数 加固状态；而对于长期加载工况S4，为更好地体 现预应力加固构件的加固效果，卸除侧压力板外 据采集控制器两部分组成（图9）.
其测试精度为1× 侧的锚固元件，此时不再提供任何侧向约束作用 10m，量程范围为0-2cm.
LVDT位移传感器分别 和围压补强.
布置于中间轨枕（U-1）、端部轨枕（U-2）、道层下 国中
