基于有限元的不同回填料對頂進涵過渡段沉降影響分析

陳智剛,華永利，盛世勇，蔡 磊，周鵬鵬，李 盛

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司 工務(wù)部，甘肅 蘭州 730030)

隨著西北高等級城際鐵路和高速鐵路的大量建設(shè),為滿足跨線管線的檢修、線路兩側(cè)排泄洪及通行的要求,需要在鐵路下方修建涵洞,采用頂進施工,形成頂進涵洞。在頂進涵的施工及使用過程中,由于過渡段內(nèi)回填材料與其周圍路基在強度、剛度等力學(xué)性能上有較大差異,當(dāng)同時承受一定程度荷載時,二者易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形。

國內(nèi)外學(xué)者針對鐵路涵洞過渡段這個薄弱位置進行了一系列的研究,并取得了一定的成果。李鎧[1]選擇武廣高速鐵路某涵路過渡段為研究對象,采用有限元軟件進行仿真分析,研究了涵路過渡段在列車荷載作用下的動響應(yīng)特征。王于等[2]運用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論,以有碴軌道和無碴軌道的過渡段為例,進行車輛-軌道過渡段垂向動態(tài)相互作用的仿真研究,指出在確定軌道過渡段長度時,所采用的動力學(xué)性能評價指標(biāo),提出確定軌道過渡段長度的方法。童發(fā)明[3]采用現(xiàn)場測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,對相鄰兩座鐵路涵洞的過渡段的沉降位移和地理特征做了研究。李朝剛[4]結(jié)合石武客運鐵路橋涵過渡段,對其過渡段采用級配碎石填筑得到一些技術(shù)要點。陳煌斌[5]結(jié)合氣泡混合輕質(zhì)土路堤的設(shè)計理論對氣泡混合輕質(zhì)土工程特性和工程應(yīng)用進行研究,總結(jié)了其在路橋過渡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,并從過渡段橫斷面及縱斷面兩方面對頂進涵豎向位移隨填土高度的變化進行簡要探討。杜嘉俊[6]等人以實際工程為背景,對涵洞過渡段的施工、回填材料要求、質(zhì)量檢測指標(biāo)等方面做了要求。王向峰[7]對鐵路涵洞過渡段進行現(xiàn)場振動壓路機碾壓試驗,得出振動壓路機在過渡段作業(yè)時對涵洞作用的動應(yīng)力大小以及碾壓填料時的有效碾壓深度。陳峰[8]等人對涵洞豎向壓力與路堤填土高度和涵洞寬度之比進行研究,對過渡段的豎向壓力的變化規(guī)律進行分析。

上述研究結(jié)果表明,對鐵路橋梁涵洞過渡段的研究大多通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,集中于對原有地基與過渡段本身的動力特性與應(yīng)力響應(yīng)進行研究,并未充分考慮在列車荷載作用下,回填土與原狀土之間存在的力學(xué)性能差異會對頂進涵過渡段的豎向沉降產(chǎn)生影響?；谏鲜銮闆r,本文利用有限元軟件對列車荷載作用下采用不同回填料時的涵洞過渡段進行數(shù)值模擬,并對其豎向沉降進行分析與研究。

1 數(shù)值模擬

采用有限差分軟件FLAC3D對西北地區(qū)鐵路新建頂進涵過渡段進行數(shù)值建模計算,分析不同回填料及不同回填高度下頂進涵過渡段沉降的變化規(guī)律。

1.1 基本假定

在數(shù)值模擬的過程中,遵循以下基本假定:土體按水平層狀分布,假定土體材料的力學(xué)特性符合摩爾-庫倫準(zhǔn)則,依據(jù)巖土力學(xué)相關(guān)理論,忽略箱涵頂進施工中開挖對土體彈性模量的影響;考慮到頂進涵過渡段在垂直于列車行駛方向受荷及變形較均勻,故將研究視為平面應(yīng)變問題。

1.2 材料參數(shù)

回填料分別采用級配I碎石摻5%水泥、素混凝土以及泡沫混凝土,其參數(shù)如表1所示,地基土參數(shù)如表2所示。

表1 回填材料參數(shù)

表2 地基土參數(shù)

1.3 模型建立

采用有限差分軟件FLAC3D建立計算模型,模型尺寸為90 m×42.4 m；頂進涵涵洞采用矩形截面,凈空高為3.8 m,寬度為10 m,邊墻厚度為0.8 m,頂板及底板厚度均為0.8 m,初始埋深2 m；回填區(qū)域邊坡率為1∶1，頂進涵過渡段模型如圖1所示。在數(shù)值模擬時,為了方便對頂進涵過渡段采用不同回填料時的沉降進行監(jiān)測,在過渡段表面位置處布置19個測量點。考慮到頂進涵采用箱涵,結(jié)構(gòu)左右對稱,故布置位移測點時僅布置于頂進涵過渡段的單側(cè)。其中,測點10為路基與頂進涵過渡段的交點，測點布置如圖2所示。

圖1 計算模型(單位: m)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 過渡段采用不同回填料時的沉降分析

級配I碎石摻5%水泥、素混凝土以及泡沫混凝土做回填料時過渡段的沉降曲線分別如圖3～5所示。

圖3 級配碎石摻5%水泥做回填料時過渡段的沉降對比

圖4 素混凝土做回填料時過渡段的沉降對比

圖5 泡沫混凝土做回填料時過渡段的沉降對比

由圖3～5可知,當(dāng)頂進涵過渡段分別采用級配I碎石摻5%水泥、素混凝土、泡沫混凝土作為回填料時,過渡段沉降曲線均呈現(xiàn)先減小后增大變化規(guī)律,除W3、W5的泡沫混凝土外,其他曲線均在測點10處發(fā)生斜率突變。

1)當(dāng)采用級配Ⅰ與級配Ⅱ碎石摻5%水泥作為回填料時,最大沉降出現(xiàn)在測點10處,最大沉降值分別為8.03 cm和8.07 cm。

2)當(dāng)采用C15與C20素混凝土作為回填料時,最大沉降出現(xiàn)在測點10處,最大沉降值分別為7.10 cm和7.11 cm。

3)當(dāng)采用容重等級為W3-W11的泡沫混凝土作為回填料時,W3與W5最大沉降出現(xiàn)在測點9處,沉降最大值分別為-6.66、-6.47 cm,W7-W11最大沉降值出現(xiàn)在測點10處,最大沉降值分別為-6.62、-6.80、-6.98 cm。

由以上分析對比可知,當(dāng)采用泡沫混凝土作為頂進涵過渡段的回填料時,沉降值相較于級配I碎石摻5%水泥和素混凝土是最小的,隨著泡沫混凝土容重等級逐漸減小,沉降曲線的斜率變化逐漸平緩。其中,W3、W5泡沫混凝土未發(fā)生斜率突變,但是W5在測點9處的沉降值最小,更有利于列車的平穩(wěn)行駛;相同回填料在改變參數(shù)時,沉降曲線無明顯的變化,說明參數(shù)在一定的范圍內(nèi)改變時,對回填料的變形性能影響較小。

2.2 不同填料在不同回填高度下的沉降分析

為了進一步研究回填高度對過渡段沉降的影響,提高該研究在實際工程中的適用性,選取3種回填料中變形性能相對較優(yōu)的級配I碎石摻5%水泥、C15素混凝土、容重等級為W5的泡沫混凝土進行分析研究。圖6～8分別為采用級配碎石摻5%水泥、C15素混凝土以及容重為W5的泡沫混凝土?xí)r,在不同回填高度下過渡段各測點沉降量的變化曲線。

圖6 級配碎石摻5%水泥做回填料時過渡段的沉降對比

圖7 素混凝土做回填料時過渡段的沉降對比

由圖6～8可知,隨著回填高度的增加,沉降曲線整體下移。其中,回填料為級配I碎石摻5%水泥時,測點10處的沉降值由6.58 cm增大至8.20 cm；回填料為C15素混凝土?xí)r,測點10處的沉降值由6.60 cm增大至8.18 cm；回填料為W5泡沫混凝土?xí)r,測點10處的沉降值由6.46 cm增大至7.89 cm。對比分析沉降曲線可知,分別采用級配I碎石摻5%水泥、C15素混凝土、容重等級為W5的泡沫混凝土?xí)r,最優(yōu)回填高度均為1 m。

圖8 泡沫混凝土做回填料時過渡段的沉降對比

2.3 不同填料在同一回填高度下的沉降分析

由圖9可知,不同填料的回填高度分別為1、2、3、4 m時,過渡段沉降曲線的變化趨勢基本相同。對比沉降曲線可得,在列車荷載作用下,過渡段采用容重等級為W3的泡沫混凝土為回填料時沉降值最??；采用級配碎石摻5%水泥和素混凝土為回填料時,過渡段的沉降曲線變化規(guī)律接近。因此在不同回填高度的情況下,為考慮列車行駛的平順性,宜選擇容重等級為W3的泡沫混凝土作為過渡段的回填材料；當(dāng)回填高度為4 m時,3種回填料沉降曲線最為接近,僅在路基與過渡段交界處差別較大。因此,當(dāng)回填高度增加至一定高度后,若采用適當(dāng)技術(shù)措施對路基與過渡段交界附近的沉降做進一步控制時,則3種材料均可考慮作為過渡段回填材料。

(a)回填高度為1 m

3 結(jié)論

1)在列車荷載作用下,頂進涵過渡段采用級配碎石摻5%水泥或者素混凝土作為回填料時,過渡段沉降曲線基本重合,最大沉降出現(xiàn)在測點10處。采用不同容重的泡沫混凝土作為回填土材料時,沉降值明顯減小,采用容重等級為W5的泡沫混凝土?xí)r,測點10處的沉降值最小且曲線更加平緩,更利于列車的平穩(wěn)行駛,為最優(yōu)回填料。

2)選取級配Ⅰ碎石摻5%水泥、C15素混凝土及容重等級W5的泡沫混凝土為變形性能最優(yōu)的回填料時,隨著回填高度的增加,所有測點處的沉降值均增大,沉降曲線整體下移。由此可知采用不同回填料時,最優(yōu)回填高度均為1 m。

3)回填料均為泡沫混凝土。當(dāng)過渡段回填高度為4 m時,素混凝土或級配碎石摻5%水泥也可作為回填料,但須對路基與過渡段交界處的沉降做進一步控制。