西南山區(qū)高速鐵路車站樁板結(jié)構(gòu)高填路基動力特性分析

孔文亞 黎 康 謝 愷

（1.京昆高速鐵路西昆有限公司， 重慶 400023；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

我國西南山區(qū)地質(zhì)條件復雜，地勢起伏多變，鐵路橋隧比高達86%，高速鐵路車站設(shè)站困難。削山填谷、棄碴造地，形成高填路基結(jié)構(gòu)，是西南山區(qū)鐵路車站建設(shè)提升用地面積、消納鐵路建設(shè)棄碴的有效手段［1 - 2］。

沉降控制是溝谷地區(qū)高填路基建設(shè)的關(guān)鍵問題［3-5］。眾多學者圍繞高填路基沉降規(guī)律、計算手段、控制方法及施工工藝等開展了大量研究。沉降規(guī)律方面，高填路基的沉降過程大部分發(fā)生于施工階段，具有“沉降大，壓實快”的特點［6］，沉降空間分布具有明顯的位置差異［7］；沉降計算方面，采用有限元方法計算填筑過程中產(chǎn)生的非線性沉降［8-9］；文獻［10］研究了山區(qū)高填路基的分步、分層有限元模擬方法；沉降控制方法方面，壓密注漿、樁基加固、加筋、樁板加固等路基沉降控制方法被應用到工程建設(shè)中，取得了良好的控制效果［11-16］。施工工法方面，高填路基主要通過控制材料、壓實度和設(shè)置排水措施來保證結(jié)構(gòu)填筑質(zhì)量［17］，壓實度通常被作為主要控制指標，多種夯實方法在高填路基建設(shè)中得到了應用［18-20］。經(jīng)歷了早期基于設(shè)計的施工手段，高填路基結(jié)構(gòu)施工逐漸采用監(jiān)測手段來對施工進行指導［21］，該方法可根據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)反映固結(jié)沉降變形水平，反演填筑體材料物理參數(shù)，預測填筑體變形趨勢，進而對施工進行反饋。

綜合而言，眾學者在高填路基建設(shè)領(lǐng)域研究已較為深入，但針對高填路基車站動荷載響應方面的研究有所欠缺。本文依托渝昆高速鐵路云貴段彝良北站建設(shè)工程，采用數(shù)值模擬研究了V型溝谷地區(qū)高速鐵路高填路基車站結(jié)構(gòu)承載模式，分析樁板結(jié)構(gòu)高填路基動力響應特征。研究成果可為西南山區(qū)高速鐵路V型溝谷地區(qū)路基設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

渝昆高速鐵路位于我國西南地區(qū)，是我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃“八縱八橫”高速鐵路主通道京昆通道中的重要組成部分，線路自重慶引出后經(jīng)瀘州、宜賓、昭通引入昆明樞紐，正線全長699.26 km。

1.2 車站概況

彝良北站設(shè)于昭通市彝良縣白巖村，位于“V”型溝谷地區(qū)，屬高原斜坡地帶中山峽谷區(qū)，地形陡峻，起伏大，地面高程900～1 100 m，自然橫坡10°～45°，屬兩山夾一谷地形，所在軌面設(shè)計標高高于原地面約15～30 m。車站設(shè)到發(fā)線4條，島式站臺1座，站內(nèi)正線平行于溝谷軸線。受車站兩端隧道分修影響，車站按正線外包到發(fā)線布置。車站示意如圖1所示。

圖1 彝良北站平面布置示意圖

渝昆高速鐵路云貴段建設(shè)隧道比例高、隧道棄碴量大，彝良北重慶端咽喉銜彝良隧道，長24.3 km；昆明端咽喉銜接炳輝隧道，長21.5 km。車站30 km范圍內(nèi)，隧道共產(chǎn)生棄碴量約500×104m3。在溝谷地區(qū)，當線路軌面標高高于原地面8 m以上時，一般采用高架式車站設(shè)計方案。然而，高架式車站未考慮山區(qū)鐵路建設(shè)棄碴量大的工程特點，不能消納建設(shè)開挖所產(chǎn)生的大量土方，建成后所提供的開發(fā)用地面積不足。因此，設(shè)計方提出彝良北站建設(shè)采用樁板結(jié)構(gòu)高填路基方案。據(jù)測算，車站采用路基方案后，可消納填方量約487×104m3，減少棄碴場臨時用地約706畝。

2 車 - 軌 - 路垂向耦合動力學計算模型

渝昆高速鐵路云貴段擬運行CRH380系列型號動車組列車，采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。路基采用棄渣回填的高填路基方案，原地基表面為粗圓粒土層，下伏基巖為強風化砂巖。為保證彝良北站正線沉降滿足高速鐵路無砟軌道標準，采用淺埋式樁板加固路基。基于現(xiàn)場實際情況，借助Abaqus有限元軟件建立車輛 - 軌道 - 樁板結(jié)構(gòu)路基三維有限元數(shù)值模型。

2.1 車輛模型

車輛模型采用10個自由度的多剛體垂向動力模型，采用八結(jié)點線性六面體減縮積分單元。車體、轉(zhuǎn)向架與輪對之間采用一系彈簧阻尼元件與二系彈簧阻尼元件進行連接。簡化后的車輛模型從上至下依次為車體、轉(zhuǎn)向架、輪對。模型參數(shù)取值如表1所示。

表1 CRH380動車參數(shù)表

2.2 軌道路基模型

軌道結(jié)構(gòu)采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，從上至下依次為鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土層與支承層，支承層下表面與基床表層接觸。路基從上至下分別為基床表層、基床底層、基床以下路堤，路堤下方采用回填土填筑地基。正線下方填土采用淺埋式樁板結(jié)構(gòu)進行加固。

淺埋式樁板結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土樁基、托梁和上部承臺板組成。基樁采用矩形布置，縱向樁間距7.5 m，橫向樁間距5.0 m，樁深入其下完整基巖5 m，承臺板通長布置。站坪采用回填土填筑整平，計算區(qū)域?qū)?89 m、高60 m。斷面布置示意如圖2所示。

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圖2 正線路基工程代表向橫斷面圖

軌道、路基模型采用八結(jié)點線性六面體減縮積分單元，參數(shù)如表2和表3所示。扣件采用彈簧阻尼單元模擬，樁板結(jié)構(gòu)與土體的相互關(guān)系設(shè)置為內(nèi)置區(qū)域。路基邊界采用位移約束固定。綜合考慮計算精確性和計算代價后，路基模型長度設(shè)置為30 m。將鋼軌向兩端各延長30 m，以模擬實際行車情況，鋼軌外延段通過接地彈簧約束。

表2 CRTSⅢ型板式無砟軌道計算參數(shù)表

表3 路基及地基材料表

2.3 輪軌接觸與車輛 - 軌道 - 路基耦合系統(tǒng)

輪軌接觸是車輛 - 軌道計算模型耦合的實現(xiàn)方法。本文輪對采用磨耗型踏面，鋼軌與輪對之間的接觸考慮為摩擦接觸。定義法向接觸為“硬”接觸，切向接觸為罰模型，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.5。軌道支承層下表面與路基基床上表面的接觸是完成軌道 - 路基耦合的實現(xiàn)方法。本文考慮支承層與路基表面不發(fā)生相對位移，列車運行中產(chǎn)生的變形均處于彈性范圍內(nèi)。

2.4 計算工況設(shè)置

考慮站場可預見荷載情況，設(shè)置上行、下行、車站會車3種計算工況，行車速度為350 km／h。每條線選用兩個車廂組成荷載組，單線計算時另一正線不添加動車組作為荷載。

3 結(jié)果分析

分析行車速度為350 km／h的CRH380動車組在列車上行工況、列車會車工況、列車下行工況3種工況下的動應力、動位移及豎向加速度分布。研究樁板結(jié)構(gòu)高填路基在3種荷載情況下的動力響應及站坪區(qū)域振動特征。

3.1 動應力

樁板結(jié)構(gòu)兩樁位中心位置路基及地基動應力隨深度變化如圖3所示。3種工況下動應力沿深度方向的變化趨勢相同，土體內(nèi)部產(chǎn)生的動應力幅值基本一致。動應力隨深度增加而減小，在基床表層區(qū)域衰減最快，從基床表層到承臺板上端，3工況下平均每米動應力衰減為29.27%。承臺板到基巖上方區(qū)域內(nèi)回填土及原地表土動應力基本保持不變。在基巖位置處，由于樁底嵌入基巖，該區(qū)域動應力增大，出現(xiàn)沿深度方向的動應力的突變，并隨深度向下衰減，從持力層到42 m深度處，3工況平均每米動應力衰減為7.06%，遠小于基床表層應力衰減速度。

圖3 路基土體動應力分布圖

由于樁板結(jié)構(gòu)的加固作用，在承臺板位置處，荷載由土體傳遞至混凝土承臺板，土體動應力斷崖式減小，承臺板以下回填土體所受附加動應力趨近于零。在承力模式上，路基結(jié)構(gòu)直接承受上部荷載，所受動應力較大，承臺板以下回填土及原地表土所受動應力普遍小于基巖，在結(jié)構(gòu)中不起主要承載作用，荷載主要由樁板結(jié)構(gòu)與下部基巖承受。該承力模式可減小回填土及原地表土受力變形，有利于控制地基沉降。

3.2 動位移

選取輪對中心以下基床表層土體豎向位移進行分析，樁板結(jié)構(gòu)兩樁位中心上方基床表層土體位移隨時間變化如圖4所示。3種工況下，上下行線路上的基床表層動位移曲線特征一致，在兩車廂荷載下形成四峰曲線，第一個波峰對應列車第一個轉(zhuǎn)向架通過該位置，后續(xù)連續(xù)波峰表示兩車廂相鄰轉(zhuǎn)向架通過，時間間隔較小，最后一個波峰反映第二列車廂尾部轉(zhuǎn)向架通過。各工況中轉(zhuǎn)向架通過時基床表層產(chǎn)生的沉降幅值幾乎相同。不同工況下各時刻沉降數(shù)值基本保持一致，沉降最大值在0.12～0.18 mm之間，滿足列車正常運行需求。

圖4 輪對中心點以下基床表層動位移圖

樁板結(jié)構(gòu)兩樁位中心位置路基及地基結(jié)構(gòu)豎向動位移沿深度變化如圖5所示。由圖5可知，豎向位移主要發(fā)生在0～20 m回填土范圍和20～30 m原地表填土范圍內(nèi)，33 m以下基巖基本不產(chǎn)生豎向位移。在回填土范圍內(nèi)，由于土體內(nèi)荷載向下傳遞過程的擴散效應，土體內(nèi)豎向位移呈現(xiàn)明顯的非線性特征。承臺板下端到10 m深度處，3工況平均每米沉降為9.39×10-6m。10 m深度處到與原地表土銜接位置，3工況平均每米沉降為1.50×10-6m，淺層沉降量大，深層沉降量小。原地表土相較于回填土模量低，在相同荷載條件下沉降較大，原地表土3工況平均每米沉降為2.66×10-6m，曲線出現(xiàn)斜率突變點。

圖5 豎向動位移沿深度分布圖

3.3 動加速度及站坪環(huán)境振動

路基表面豎向加速度沿深度分布如圖6所示。3種工況下基床表層豎向加速度幅值為3.0～3.5 m／s2。路基豎向加速度隨深度增加呈遞減趨勢，且在基床表層區(qū)域衰減最快，在承臺板下方土體加速度衰減較慢。由于樁板結(jié)構(gòu)的存在，承臺板區(qū)別于土體散粒材料，能量傳遞過程中損失較小，能夠較好地傳遞上部加速度，附近土體在深度方向上的豎向加速度幾乎不變。上行與下行工況下基床表層豎向加速度幅值與會車工況下的基床表層豎向加速度幅值基本保持一致。

圖6 路基表面豎向加速度沿深度分布圖

3種工況下基床表層表面和站坪表面土體豎向加速度各時刻最大值如圖7所示。路基區(qū)域3種工況下最大加速度均位于線路中心位置，并向兩側(cè)迅速衰減。路基坡腳以外站坪區(qū)域地表加速度較小，站坪豎向加速度最大值出現(xiàn)在下行工況坡角位置為0.227 m／s2，并在短距離內(nèi)迅速衰減至10～3 m／s2量級。對高速鐵路路基段CRH380列車運行時引起周邊地面的振動進行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果與本文下行工況下計算所得豎向加速度對比如表4所示。從表4可以發(fā)現(xiàn)，樁板結(jié)構(gòu)高填路基在承受列車動荷載下，回填站坪區(qū)域加速度響應與一般路堤結(jié)構(gòu)地面振動響應水平相當。

圖7 基床表層豎向加速度幅值分布圖

表4 加速度幅值對比表（m／s2）

為研究不同工況下站場區(qū)域振級分布情況，分析各加速度幅值下的振級水平，采用式（1）計算各工況下的豎向加速度振級（VAL）。不同荷載下，豎向加速度振級分布如圖8所示。

式中：VAL——豎向加速度振級（dB）；

由圖8可知，3種工況下站坪區(qū)域加速度振級小于路基區(qū)域加速度振級，且均在荷載中心處產(chǎn)生出現(xiàn)最大加速度振級。在土體表面，會車不造成兩線路間島式站臺區(qū)域加速度振級增加，但對站坪影響較大。會車工況下，靠近坡腳50 m范圍內(nèi)站坪豎向加速度振級普遍大于單線荷載下產(chǎn)生的站坪加速度振級，并隨距離的增加逐漸趨于一致。

圖8 豎向加速度振級分布圖

4 結(jié)論

溝谷地區(qū)鐵路車站設(shè)站問題已成為西南山區(qū)高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合彝良北站“V”型溝谷地區(qū)高速鐵路車站工程，研究高填樁板結(jié)構(gòu)路基及站坪動力響應，取得的結(jié)論包括：

（1） 高填樁板結(jié)構(gòu)路基在列車作用下，荷載主要由樁板向下傳遞至基巖，回填土所受荷載較小，動應力在基床表層迅速衰減，應力分布利于基巖上方回填土及原地表土沉降控制。

（2） 列車作用下高填樁板結(jié)構(gòu)基床表層豎向動位移較小。豎向位移主要發(fā)生在回填土淺層土體與原地表土范圍內(nèi)，回填土深層土體變形較小，基巖基本不產(chǎn)生沉降。

（3）3種工況下，基床表層豎向加速度幅值為3.0～3.5 m／s2。路基豎向加速度隨深度增加而遞減，且在基床表層區(qū)域衰減最快。會車不造成兩線路間島式站臺區(qū)域加速度振級增加，但會造成距坡腳50 m范圍內(nèi)的站坪豎向加速度振級大于單線荷載下產(chǎn)生的站坪豎向加速度振級。