黃土高速鐵路路基幫寬結構沉降變形模型試驗分析

黃巖松

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為滿足快速增長的客運需求，優(yōu)化拓展區(qū)域發(fā)展空間，后期新修建的高速鐵路、區(qū)域連接線、城際鐵路難以避免地會并行或接軌既有高速鐵路的狀況，由此出現(xiàn)一系列的新建線路路基并行或接軌既有高鐵路基，即既有高鐵路基工程會越來越多。幫寬路基使既有高鐵路基的原有平衡被打破，必會引起應力重分布，從而引起既有高鐵產生相應的內力和變形，而既有高鐵對變形要求極為嚴苛，若引起的沉降變形超過高速鐵路設計規(guī)范路基工況后沉降控制允許值，將會對既有高速鐵路列車運行的舒適性和安全性構成巨大威脅[1]。

許多學者對路基幫寬進行了大量研究和分析。楊茂[2]等對土工格柵在路基幫寬結構中開展廣泛研究，實踐和試驗研究表明，加設土工格柵會引起路基幫寬結構內部發(fā)生土拱效應及搭接處底部應力集中，使得既有-新建路基差異沉降明顯減小，從而揭示出土工格柵控制幫寬路基結構具有較好的優(yōu)良性狀。張功新[3]通過理論分析，探究了土工格柵對路基幫寬結構穩(wěn)定性和沉降變形的影響，認為隨著服役年限的增加，土工格柵所發(fā)揮的作用逐漸減弱，既有和幫寬路基穩(wěn)定性逐漸降低。胡潤乾[4]對比分析了路基填筑普通填料和輕質混凝土2種情況，采用數值模擬分析了2種路基填料下不同路基加固樁引起的既有線沉降值。

基于此，本文主要研究路基幫寬工程的結構形式和新建路基對既有路基結構不均勻沉降發(fā)展的影響規(guī)律。

1 模型試驗方法

在我國西北黃土地區(qū)高速鐵路快速發(fā)展的趨勢下，以某客專交通樞紐接軌某高速鐵路幫寬結構工程為背景。既有線軌道類型為無砟軌道，設計時速為250 km/h及以上，雙線，最小曲線半徑為7 000 m。一般來說，黃土具有孔隙大、結構疏松、顆粒組成復雜等特點，在自重及上覆荷載作用下，遇水極易發(fā)生濕陷沉降。因此，在黃土地區(qū)進行高速鐵路幫寬工程，可能會產生因較大的不均勻沉降帶來的一系列工程問題[5-7]。以黃土地區(qū)高速鐵路幫寬路基結構為研究對象，以荷載傳遞特性與變形為核心，采用2組室內模型試驗工況，分別探討常規(guī)路基幫寬結構和加土工格柵幫寬結構，研究幫寬路基對既有路基結構荷載的傳遞特征，對比分析荷載作用下既有與新建路基的應力和變形演變規(guī)律，揭示路基不均勻沉降變形響應規(guī)律。研究成果可為高速鐵路幫寬路基結構設計提供一定的理論支撐，并且對高速鐵路幫寬路基施工具有指導意義。

2 相似模型建立

2.1 試驗模型

根據模型架構尺寸和相似比原理，模型幾何相似比為1∶10，實際舊路基面寬度13.6 m(雙線并行)，新路基面寬度8.6 m(單側)，坡比1∶1.5，路基高度6.0 m，路基縱向長度12.0 m。路基模型尺寸為：舊路基路面寬0.68 m，新路基路面寬0.86 m，路基高度0.6 m，縱向長度為1.2 m。模型新舊路基采用臺階法拼接，由上至下，總共分為8個臺階，每節(jié)臺階高度為0.075 m，寬度為0.112 5 m。臺階基底均做成向內傾斜3%的反向坡度以利于新舊路基結合，試驗模型如圖1所示。

圖1 試驗模型(單位：cm)

模型箱采用鋼結構，其2個側面均有鋼板拼接組成，剩下的2個側面為鋼化玻璃，用來觀察填料及試驗的變化破壞等情況，結構尺寸為(長×寬×高：2.44 m×1.2 m×1.2 m)。模型試驗中為了模擬軌道和列車荷載，施加荷載時需采用反向架，反向架結構是鋼結構焊接而成，其上部固定千斤頂。

2.2 監(jiān)測方法

路基沉降模型試驗的主要目的是探究2種工況下新建幫寬結構對既有路基結構的差異沉降規(guī)律情況，因此路基不同位置的變形量是模型量測的重點。

幫寬結構對既有路基引起的差異沉降是由于路基頂面和路基底部沉降組成，要監(jiān)測路基頂面的沉降位移情況，需在模型箱路基頂面安裝位移計以測量路基表面位移，位移計分別布置在3個位置，即既有路基頂面、既有路基和新建路基頂面結合處以及新建路基頂面位置。由于黃土地區(qū)高鐵幫寬結構對既有路基引起的差異沉降變形，在監(jiān)測路基底部的沉降位移情況時，采用15 cm厚的黃土鋪于模型箱底部來模擬地基，在模型箱鋼化玻璃面上對黃土層界面進行劃線標記，并在既有路基、新建路基和既有-新建路基底部結合處貼上米尺。

通過土壓力盒測量路基內部的土體壓力，以分析荷載傳遞等規(guī)律。在距離路基模型底部7.5、15、30、45、52.5 cm處分別埋設土壓力盒。土壓力盒通過測量3個位置不同深度變形情況，便于后期試驗數據的對比分析和探究新舊路基變形規(guī)律。具體量測儀器布置如圖2所示。

圖2 量測儀器布置(單位：cm)

2.3 荷載設計

試驗施加荷載按照無砟軌道(軌道+列車荷載)ZK普通荷載最大量54.1 kN/m2，分布寬度為3.1 m。采用矩形鋼板作為加載板，根據路基模型尺寸，加載板的寬度為0.31 m，長度為1 m，厚度為1 cm。為更好模擬實際工況中軌道結構的受力情況，在千斤頂和加載板之間布置分擔梁，使加載板受力均勻，分擔梁底部設置橡膠墊，以免壓壞加載板，加載裝置如圖3所示。

(a)既有路基預壓 (b)加載過程

加載過程采用分級加載方式，以1/2P、P、3/2P(P=54.1 kPa)進行分級加載，每級加載完成后，等路基沉降符合沉降穩(wěn)定要求后，施加下一級荷載，直到施加到最大荷載為止。

2.4 試驗材料

路基填料使用常規(guī)A、B組填料(細粒含量小于30%的混合土和砂黏土等)，應符合《鐵路路基設計規(guī)范(TB1001—2016)》規(guī)定土工格柵作為一種土工合成材料，與其他結構物相比，沒有抗彎性能卻有較高的抗拉性能。在新路基分層填筑的過程中，鋪設到新建路基內部，其網格設計可以較好的和土層結合，產生較大的摩擦力，從而提高新填路基的結構強度。

3 試驗結果分析

3.1 路基幫寬結構荷載傳遞影響分析

為了研究幫寬路基結構的荷載傳遞特性，在路基內不同位置處埋設土壓力盒，并對每個土壓力盒進行編號標記，如圖4所示。

圖4 土壓力盒編號(單位：cm)

既有路基填筑完以后，對既有路基進行預壓，施加荷載為54.1 kN/m2，每隔3 h進行1次土壓力盒(3、4、7號)的測試，直到發(fā)現(xiàn)土壓力盒的測值變化量趨于穩(wěn)定，即認定為既有路基已經預壓完成。通過每3 h測試土壓力盒和觀察壓力變化值發(fā)現(xiàn)，第12 h時3個土壓力盒的值分別達到了0.423、0.325 6、0.4308 MPa，與前一個時間段壓力差異值為0.003、0.006、0.008 MPa。由此可以看出壓力值變化趨于穩(wěn)定，故本次對既有路基進行了12 h的預壓。圖5為既有路基3、4、7號土壓力盒的壓力值和變化。

圖5 3、4、7號土壓力盒壓力變化曲線

為了減少既有-新建路基的不均勻沉降，采用臺階法來填筑新建路基。新建路基填筑完成后，對新建路基以1/2P(P=54.1 kPa)、P、2/3P進行分級加載，加載方式為加載—卸載—加載—卸載—加載—卸載，并記錄觀察壓力變化，同時為了研究2種工況下的壓力傳遞情況，選取2、3、4號和8、9、10號2組分別進行對比分析，其壓力變化如圖6所示。

(a)2、3、4號土壓力盒

由圖6(a)可以看出，當荷載加載到P/2和P時，未鋪設格柵工況下不同位置的壓力值都快速增加，新建路基內2號壓力盒壓力值增加最快，從初始值0.035 MPa增加到0.406 MPa；既有路基內的4號壓力盒壓力值增加較2號和3號壓力盒慢，從初始值0.018 MPa增加到0.310 MPa；當荷載加載到3/2P時，壓力值增長變化緩慢，既有路基2號壓力盒壓力值達到最大值0.430 MPa，新建路基3、4號壓力盒壓力值分別為0.420、0.325 MPa；鋪設了格柵的2號壓力盒壓力值較未鋪設的2號壓力盒壓力值有所減小，當荷載加載到3/2P時，壓力最大值為0.331 MPa，減少值為0.099 MPa。

由此可知：新建路基內的壓力值大于既有路基；對新建路基加設土工格柵以后，壓力值較未鋪設格柵的壓力值有所減小，說明土工格柵的存在不僅對應力起到了擴散的作用，并且可以增加該位置處的土拱效應。

從圖6(b)可以看出：2種工況的壓力盒整體變化規(guī)律與圖6(a)中基本一致，但圖6(b)中的壓力值比圖6(a)大，當荷載加載到3/2P時，9號壓力盒壓力值最大，達到了0.551 MPa；鋪設了土工格柵的壓力值較無加固工況均有所減小，其中9號壓力盒壓力減小值為0.056 MPa。

綜上可知：新建路基所承受的壓力隨著路基深度而逐漸衰減；在新建路基中加入土工格柵，不同的路基深度埋設的土工格柵調節(jié)效果不同，說明土工格柵應該布置在靠下位置處。

3.2 路基底部沉降影響分析

為了研究路基底部沉降，對模型箱底部的黃土層沉降進行觀察監(jiān)測，并對2種不同工況的沉降數據進行采集分析，圖7為2種工況下路基底部沉降變形曲線。

圖7 路基底部沉降曲線

由圖7可以看出，當荷載加載到1/2P和3/2P時，無加固工況下既有、既有-新建結合處和新建路基底部沉降差異開始體現(xiàn)出來，既有-新建路基底部結合處沉降最大，最大值達到了6.89 mm，既有路基底部沉降最小，沉降值1.33 mm；當荷載加載到3/2P時，既有、既有-新建和新建路基底部沉降變化緩慢，既有-新建路基底部結合處最大值達到了7.12 mm。鋪設了土工格柵的3個位置處的路基底部沉降變形較無加固工況減小，既有-新建路基底部最大沉降值為5.43 mm。

路基幫寬結構中，新建路基底部沉降明顯，同時沉降量最大值發(fā)生在既有-新建結合處；當既有路基鋪設土工格柵后，沉降量較無加固工況出現(xiàn)了大幅的減小。

3.3 路基頂面沉降影響分析

為了監(jiān)測路基頂面沉降變形影響，分別在既有、既有-新建結合處、新建路基頂面布置位移計。同時為了對比分析不同荷載下不同沉降控制措施的效果，試驗過程中對2種不同工況的沉降數據進行采集。2種工況下路基頂面的沉降位移如圖8所示。

圖8 路基頂面沉降位移曲線

由圖8可知：當荷載加載到3/2P時，無加固工況下既有-新建路基頂面結合處沉降值為3.21 mm，較新建路基頂面沉降變形大；鋪設了土工格柵的既有-新建路基頂面結合處的沉降值為2.31 mm；較無加固工況沉降值有所減小。

施加不同的荷載時，既有路基頂面的位移變化小，既有-新建路基頂面結合處的位移變化最大；新建路基內部鋪設了土工格柵后，既有和新建路基頂面沉降差異較大，但整體沉降量較無加固工況還是出現(xiàn)了大幅的減小。

4 結論

1)在高鐵幫寬結構中，新建路基所承受的壓力隨著路基深度增加而逐漸衰減；在新建路基中加入土工格柵后，格柵會起到擴散應力的作用，不同的路基深度埋設的土工格柵調節(jié)效果不同。

2)高鐵路基幫寬結構中，新建路基底部沉降最大值發(fā)生在既有-新建結合處，當既有路基鋪設土工格柵后，格柵會增加該位置處的土拱效應，同時路基底部沉降變形減小。

3)施加不同的荷載時，既有-新建路基頂面結合處出現(xiàn)了一定的沉降變形，加入土工格柵后，雖然沉降變形減少不大，但整體沉降量較無加固工況還是出現(xiàn)了大幅的減小。