高速鐵路路基幫寬沉降變形控制技術(shù)研究

孫明超

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

在新建鐵路與既有鐵路的接軌工程中，沉降變形是接軌控制的關(guān)鍵因素[1]。若接軌幫寬引起路基附加沉降過大，將對軌道的平順性甚至鐵路運(yùn)營帶來重大隱患[2-3]。關(guān)于高速鐵路沉降控制已有不少研究成果，主要加固措施有：預(yù)應(yīng)力管樁、隔離樁、CFG樁等[4-6]；研究手段主要有：復(fù)合模量法、等效作用法、數(shù)值模擬法等[7-8]。從既有研究中可發(fā)現(xiàn)，對于無砟高速鐵路路基幫寬的研究相對較少。結(jié)合某高速鐵路接軌既有鐵路的工程實例，采用簡化復(fù)合模量法與有限元分析法開展研究。

1 工程概況

某新建高速鐵路工程引入既有高鐵站，其上、下行聯(lián)絡(luò)線與既有高速無砟鐵路接軌，線位平面示意如圖1。路基接軌幫寬橫斷面示意如圖2。

圖1 接軌平面示意

圖2 路基幫寬橫斷面

接軌區(qū)域?qū)贈_洪積平原地貌，地勢平坦，地層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土等；該段無明顯地表水，地下水位埋深11.2～13.5 m。既有高速鐵路為雙線、無砟軌道，路基填高為3～5 m。地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，主加固區(qū)采用樁筏復(fù)合地基結(jié)構(gòu)，樁間距1.5 m，正方形布置，樁長30 m；次加固區(qū)采用“CFG樁+碎石墊層”，樁間距為1.5 m(縱向)、1.6 m(橫向)，樁長25 m。

新建上、下行聯(lián)絡(luò)線為I級鐵路，速度為160 km/h。新建上行聯(lián)絡(luò)線幫填量大，對既有線附加沉降影響大，擬采用兩種地基加固方案。方案一：采用“預(yù)應(yīng)力混凝土管樁+鋼筋混凝土筏板”結(jié)構(gòu)，樁徑0.4 m，樁間距2 m，樁長30 m；方案二：采用“鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土板”結(jié)構(gòu)，樁徑1.2 m，橫向樁間距3～5 m(樁長22 m)，縱向樁間距6 m(樁長30 m)。

根據(jù)設(shè)計要求，工后沉降一般不宜超過15 mm；當(dāng)沉降比較均勻并且調(diào)整后的豎曲線半徑符合設(shè)計要求時，允許的工后沉降量為30 mm。為有效控制路基沉降，填料均采用輕質(zhì)混凝土。泡沫輕質(zhì)混凝土具有質(zhì)輕、流動性高、耐久性好、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)[9]。

2 數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)確定

數(shù)值模擬選用“摩爾-庫倫”本構(gòu)模型，根據(jù)工程地質(zhì)資料及相關(guān)研究文獻(xiàn)。選取參數(shù)見表1～表2。施加的荷載換算為荷載土柱，高鐵無砟列車荷載分布寬度為3.1 m，荷載強(qiáng)度為64.1 kPa；高鐵有砟列車荷載分布寬度為3.4 m，荷載強(qiáng)度為63.3 kPa；聯(lián)絡(luò)線的列車荷載分布寬度為3.3 m，荷載強(qiáng)度為68.02 kPa[11]。

數(shù)值模擬中，影響計算結(jié)果的關(guān)鍵性參數(shù)是彈性模量[13]。彈性模量一般按壓縮模量的倍數(shù)選取，其變化范圍較大，不易準(zhǔn)確獲取。因此，擬挑選無加寬段落的某一簡單代表性橫斷面(如圖3)，應(yīng)用簡化復(fù)合模量法計算其沉降量，并以此為基準(zhǔn)，采用反分析方法確定土層的相關(guān)參數(shù)。

表1 樁基礎(chǔ)材料參數(shù)

表2 地層材料參數(shù)

圖3 非幫寬地段反分析彈性模量路基橫斷面(單位：m)

采用簡化復(fù)合模量法計算地基變形，地基內(nèi)的應(yīng)力分布按各向同性、均質(zhì)線性變形體進(jìn)行計算[12]，有

(1)

式中s——地基最終變形量/mm；

s′——按分層總和法計算出的地基變形量/mm；

n——沉降計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

p0——路堤基底附加應(yīng)力/kPa；

zi、zi-1——路堤基底至第i層土、第i-1層土底面的距離/m；

Ψs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定。

數(shù)值模擬計算采用3倍、6倍壓縮模量，并與簡化復(fù)合模量法計算值進(jìn)行對比(見表3)。

由表3可知，當(dāng)彈性模量采用6倍壓縮模量時，數(shù)值模擬方法與簡化復(fù)合模量法沉降計算值相近，故數(shù)值模擬計算時，彈性模量擬采用6倍壓縮模量。

表3 路基沉降計算結(jié)果匯總

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為準(zhǔn)確模擬樁土相互作用，驗證接軌幫寬段落方案的可行性，挑選接軌段最不利斷面，建立三維有限元模型，分別對兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型底面設(shè)置X、Y、Z三向約束，模型側(cè)面設(shè)置水平向約束。路基幫寬橫斷面如圖4，兩個設(shè)計方案的有限元模型及邊界條件設(shè)置如圖5～圖8。

圖4 路基幫寬模型橫斷面(單位：m)

圖5 方案一路基斷面模型

圖6 方案一模型邊界條件設(shè)置

圖7 方案二路基斷面模型

圖8 方案二模型邊界條件

3.2 模擬成果

根據(jù)上述兩種設(shè)計方案，計算云圖如圖9～圖12。

圖9 方案一模型豎向位移

圖10 方案二模型豎向位移

圖11 方案一路基豎向位移

圖12 方案二路基豎向位移

數(shù)據(jù)對比如表4。

表4 數(shù)值模擬沉降計算結(jié)果匯總 mm

3.3 成果分析

(1)路基幫寬后，既有路基產(chǎn)生縱向附加沉降變形。地基處理后，既有路基附加沉降很小，地基處理作用較為明顯。

(2)路基幫寬后，既有路基右線產(chǎn)生的附加沉降值要大于左側(cè)產(chǎn)生的附加沉降值，即右線填方對于既有路基的附加沉降影響較大。

(3)方案二中沉降計算值小于方案一中沉降計算值，故認(rèn)為方案二的地基處理措施更有效。

(4)方案一及方案二的沉降值在6.8～10.3 mm之間，說明幫寬后對既有線的附加沉降已影響到了軌道平順性，需通過調(diào)整沉降區(qū)段內(nèi)扣件來滿足軌道平順性要求。

4 結(jié)論

(1)在本次路基幫寬工程中，“鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土板”結(jié)構(gòu)較“預(yù)應(yīng)力混凝土管樁+鋼筋混凝土筏板”結(jié)構(gòu)在減少既有鐵路附加沉降影響方面效果更好。

(2)兩種設(shè)計方案中的填料均為輕質(zhì)混凝土。從附加沉降計算值可以看出：輕質(zhì)混凝土有效降低了附加沉降的影響。

(3)高速鐵路無砟軌道對平順性的要求較為嚴(yán)格，而幫寬路基過程中的開挖填筑以及機(jī)械擾動，勢必會對既有鐵路線產(chǎn)生一定程度的影響。因此，在施工過程中，應(yīng)避免大型笨重機(jī)械在幫寬路基處停留，并加強(qiáng)對既有路基沉降的實時動態(tài)監(jiān)測，以保證施工期間既有線的安全運(yùn)營。