壓路機(jī)碾壓荷載在施工期對(duì)路基拼接變形影響的數(shù)值分析*

袁建議 涂躍亞 程 濤 吳振華 向 健

(黃石理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖北黃石435003)

由于高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，大部分高速公路需要聯(lián)網(wǎng)暢通，一些滿負(fù)荷運(yùn)行的線路也需要拓寬擴(kuò)容。根據(jù)鐵路“十一五”規(guī)劃，“十一五”期間，我國(guó)將建設(shè)鐵路新線17 000 km，其中既有線增建二線8 000 km，有相當(dāng)一部分集中在我國(guó)東部膨脹土地區(qū)一帶[1-4]。采用老路加寬進(jìn)行鐵路的改擴(kuò)建將是我國(guó)本世紀(jì)鐵路建設(shè)所面臨的非常重要和必須解決的問題。

1 工程簡(jiǎn)介

西寧客運(yùn)專線(西安—南京)合肥段增建二線工程是西安南京線西安至合肥段的Ⅰ類變更工程。工程所經(jīng)地區(qū)主要為平原區(qū)，局部為丘陵、河谷區(qū)，大部分地區(qū)為第4系地層所覆蓋，區(qū)域階地的主要組成物質(zhì)為裂隙粘土，硬塑～半干硬，礦物成分以蒙脫石、伊利石為主，為弱至中等強(qiáng)度的膨脹土，邊坡易產(chǎn)生淺層破壞，除個(gè)別地段外，膨脹土沿線分布[5]。設(shè)計(jì)的路基厚度為6 m，其中表層為0.6 m，底層為1.9 m，路基本體3.5 m;膨脹土路堤基床表層為換填0.5 m的A級(jí)填料和0.1 m厚的中粗砂;路基基床底層采用石灰改良土填筑，石灰摻入配比為5% ～7%[6];路基邊坡采用漿砌片石護(hù)坡防護(hù)，基床以下部分采用膨脹土填筑。新老路基搭接先進(jìn)行老路基削坡，然后按照一定的臺(tái)階斷面進(jìn)行逐層開挖、逐層填筑，構(gòu)筑新路基。

2 數(shù)值模擬分析

模擬對(duì)象為高速鐵路新老路基的搭接，運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算不同階段對(duì)新老路基搭接處和老路基的變形，新老路基均考慮為雙線路基型式，路基實(shí)體為選取的典型斷面尺寸，路基高度取3種工況，即3 m、6 m、9 m。土體模型應(yīng)用 Mohr-Coulomb塑性模型，采用8節(jié)點(diǎn)塊體(brick)單元和6節(jié)點(diǎn)楔體(wedge)單元。梯形路基上邊長(zhǎng)為25.1 m，路基坡度 1 ∶1.5。

3 工程實(shí)例

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

模擬過程中考慮開挖過程，即將開挖的和填筑的每一層面均作為模擬的一個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)與實(shí)際一致的過程模擬，不同計(jì)算層面土體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

路基自上而下分為3層結(jié)構(gòu)，即基床表層、基床底層和路基本體，施工工序?yàn)槔下坊罱訁^(qū)域臺(tái)階逐層開挖、逐層填筑新路基方式，臺(tái)階搭接橫斷面為 0.6 m × 1.0 m[7-8]。運(yùn)營(yíng)階段列車荷載按照文獻(xiàn)[7]中換算土柱高度方法，換算[9]求得單軌上列車、枕軌、扣件和鋼軌的土柱高度為3 m，分布寬度為3.3 m，容重為18 kN/m3，然后按45°擴(kuò)散角進(jìn)行傳遞作用于基床表層，等量靜荷載為q=41.0 kPa;道碴厚度取為 0.5 m，道碴荷載均布作用于基床表層，荷載為9.13 kPa，水平作用寬度10.1 m。

表1 不同計(jì)算層面土體的物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了尋求合理的路基高度參數(shù)，分別進(jìn)行了路基高度為3 m、6 m、9 m 3個(gè)方案的模擬。進(jìn)行路基高度對(duì)搭接處的變形影響分析，選取老路基面、坡腳點(diǎn)和搭接面點(diǎn)的垂直方向變形作為分析目標(biāo)，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

3.2.1 路基高度為3 m的工況

新老路基均考慮為雙線路基型式，梯形路基上邊長(zhǎng)為25.1 m，下邊長(zhǎng)為34.1 m，高度為3 m，路基坡度1∶1.5，考慮邊界效應(yīng)，地基計(jì)算寬度為90 m，高度為17.5 m，縱向取為20 m。第1層為基床表層0.6 m，第2層為基床底層1.8 m，第 3 層為路基本體0.6 m，分為 5 級(jí)臺(tái)階、10道施工步(開挖，填筑各為一步)、3種方案(3種壓路機(jī))進(jìn)行模擬。

為了便于分析新路基加載對(duì)老路基和新老路基搭接處的變形趨勢(shì)，以方案1為代表，并對(duì)比分析3種方案。選取老路基基床表層、坡腳A點(diǎn)和新老路基搭接處B點(diǎn)的變形作為研究對(duì)象，分析其在不同施工工序下的變形。從圖2可以看出，不同施工工序下對(duì)老路基基床表層的垂直變形沉降影響較大，表層垂直變形值隨施工進(jìn)行逐漸增加，邊緣最大垂直變形值為25.9 mm，列車運(yùn)營(yíng)階段導(dǎo)致的垂直變形最大增量為27.4mm。

圖2 不同施工工序下對(duì)老路基表層的垂直變形

在按方案1分步開挖填筑過程中，由于附加應(yīng)力的影響，規(guī)律明顯，老路基的坡角A點(diǎn)處發(fā)生隆起，水平變形達(dá)2.4 mm，豎向變形達(dá)4.3 mm，3種方案下豎向變形增量分別是0.217 9 mm，0.186 9 mm，0.009 34 mm，如圖 3所示。不同施工工序下對(duì)新老路基搭接處B點(diǎn)的水平變形影響不大，最大變形值為3.1 mm，而豎向變形較大，豎向變形最大值為24.9 mm，3種方案下豎向變形增量分別為-8.0 mm，-6.9 mm，-3.9 mm，如圖 4 所示。

圖3 不同方案下坡腳A點(diǎn)豎向變形增量

圖4 不同方案下搭接處B點(diǎn)豎向變形增量

3.2.2 路基高度為6 m的工況

第1層為基床表層0.6 m，第2層為基床底層1.8 m，第 3層為路基本體3.6 m，分為 10級(jí)臺(tái)階進(jìn)行施工，模擬分為20道施工工序。在方案1不同施工工序下，老路基邊緣最大垂直變形值為24 mm，列車運(yùn)營(yíng)階段導(dǎo)致的垂直變形最大增量為8.7 mm。

在分步開挖填筑過程中，對(duì)坡腳A點(diǎn)的水平變形達(dá)8 mm，豎向變形達(dá)8 mm;3種方案下的豎向變形增量分別為0.122 4 mm，0.106 7 mm，0.054 mm，如圖 5 所示。

不同施工工序下對(duì)新老路基搭接處B點(diǎn)的水平最大變形值為3.6 mm，最大垂直變形值為24 mm，3種方案下的豎向變形增量分別為-4.3 mm，-3.7 mm，-2.2 mm，如圖 6 所示。

圖5 不同方案下坡腳A點(diǎn)豎向變形增量

圖6 不同方案下搭接處B點(diǎn)豎向變形增量

3.2.3 路基高度為9 m的工況

第1層為基床表層0.6 m，第2層為基床底層1.8 m，第 3層為路基本體6.6 m，分為 15級(jí)臺(tái)階進(jìn)行施工，模擬分為30道施工工序。在方案1不同施工工序下，老路基基床表層邊緣最大垂直變形值為28 mm，列車運(yùn)營(yíng)階段導(dǎo)致的垂直變形最大增量為8.8 mm。

在分步開挖填筑過程中，老路基的坡角A點(diǎn)處水平變形達(dá)15.5 mm，豎向變形達(dá)11.6 mm;3種方案下的豎向變形增量分別為0.14 mm，0.121 mm，0.083 mm，如圖 7 所示。

不同施工工序下對(duì)新老路基搭接處B點(diǎn)的水平最大變形值為1.6 mm，豎向變形達(dá)27.8 mm;3種方案下的豎向變形增量分別為-3.849 mm，-3.369 mm，-2.237 mm，如圖 8所示。表2為各工況下數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的比較。不同路基高度下路基拼接對(duì)路基面豎向變形的影響如圖9所示。

圖7 不同方案下坡腳A點(diǎn)豎向變形增量

圖8 不同方案下搭接處B點(diǎn)豎向變形增量

圖9 不同路基高度下路基拼接對(duì)路基面豎向變形的影響

表2 不同工況下對(duì)老路基主要指標(biāo)的變形影響(mm)

4 結(jié)論

1)同一路基高度，不同壓路機(jī)荷載作用下，坡腳A點(diǎn)和新、老路基搭接處B點(diǎn)的垂直變形增量隨壓路機(jī)荷載的增大而增大。

2)同一壓路機(jī)荷載作用，不同路基高度的條件下，坡腳A點(diǎn)，新老路基搭接處B點(diǎn)和老路基表面的垂直變形成非線性變化。其中，6 m路基高度相較其他路基高度的變形值最小?？梢哉J(rèn)為，3 m路基高度的變形主要以地基沉降為主;9 m路基高度的變形主要以路基本體的壓縮變形為主，所以，6 m的路基高度為較合適的高度。

3)路基施工完成，不同路基高度下新線列車運(yùn)營(yíng)引起的變形增量相差不大，這是由于路基土體固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成。

4)根據(jù)列車軌道的不平順性3 mm要求，路基拼接施工期間需對(duì)老線進(jìn)行限速或采取其他措施進(jìn)行處理，以保證行車安全和路基的整體穩(wěn)定性。

[1]郭志邊，余佳，徐澤中.高速公路拼接段地基處理方法的探討[J].施工技術(shù)，2002，31(1):45-46

[2]黎志光.高速公路加寬擴(kuò)建工程新老路銜接的處理措施[J].廣東公路交通，2001(2):9-10

[3]張清平，周志剛.土工合成材料在舊路加寬中的機(jī)理研究[J].公路與汽運(yùn)，2006(1):93-95

[4]王波，張朋聲.高速公路路基病害成因及在改擴(kuò)建工程中保證加寬質(zhì)量的措施研究——以沈大高速公路改擴(kuò)建工程為例[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2006(2):124-128

[5]陳玉良，呂悅，張志寧.公路拓寬改建工程路面縱向開裂原因及防治[J].華東公路，2003(1):38-41

[6]Yuan Jianyi.Optimizing Parameters of Geogrid for Subgrade Connecting in High-Speed Railway.[J].International Symposium on Innovation ＆Sustainability of Structures in Civil Engineering.2009(11):1708-1713

[7]新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2003

[8]馬曉暉，李立寒.新老路面結(jié)構(gòu)拼接部位的受力狀態(tài)分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(1):1-5

[9]柴玉卿.高速公路路基拼接時(shí)的地基處理設(shè)計(jì)與施工[J].交通科技，2005(5):5-8