高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的路基膨脹響應(yīng)分析

收稿日期：2023-11-15

作者簡介：陳昌東（1991—），男，江蘇鹽城人，本科，工程師，研究方向：高鐵橋梁與路基。

摘 要：高速鐵路路橋過渡段存在雨水及地下水入滲的風(fēng)險，會影響路基的穩(wěn)定性。過渡段路基存在施工縫，降水時雨水會從這些縫隙滲入路基，而過渡段路基填料有一定的膨脹性，當(dāng)水滲入時，路基會因膨脹而變得不穩(wěn)定。為解決該問題，以某高鐵某路橋轉(zhuǎn)換區(qū)路基膨脹問題為研究對象，采用變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)資料、室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展路橋轉(zhuǎn)換區(qū)路基膨脹變形問題的研究。根據(jù)現(xiàn)場實測資料進(jìn)行了分析，得出離縫對路基膨脹變形有一定影響，從而導(dǎo)致路基的不均勻膨脹問題。在室內(nèi)試驗方面，對該過渡段的材料進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測試，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供參考數(shù)據(jù)。在找出病害原因之后提出解決方案，以減輕路基的膨脹問題，為鐵路交通的安全運行和建設(shè)提供相關(guān)的參考。

關(guān)鍵詞：高鐵路橋；過渡段軌道；軌道板離縫；路基膨脹；響應(yīng)分析

中圖分類號：U213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0043-03

0 引言

高速鐵路路橋過渡段軌道板產(chǎn)生離縫會導(dǎo)致列車通過時發(fā)生劇烈振動。因此，需要采取一系列措施來確保過渡段的穩(wěn)定性和安全性[1]。例如，使用特殊的填料來降低路基的膨脹性，定期檢查和維護過渡段，通過這些措施確保其長期穩(wěn)定性和安全性。

為了對高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的路基膨脹響應(yīng)分析，以某高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的降雨入滲為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌、水文地質(zhì)條件以及實驗室研究數(shù)據(jù)，構(gòu)建過渡段雨水滲透數(shù)值有限元分析模型，分析路基過渡段的變形特征與變化規(guī)律。

1 工程概況

在某高速鐵路某段高鐵線路的日常檢查中，工作人員發(fā)現(xiàn)該路段出現(xiàn)了裂縫問題。隨后，擴大了檢查范圍，發(fā)現(xiàn)該路段軌道板多處出現(xiàn)離縫。路肩側(cè)出現(xiàn)無砟軌道自密實混凝土與底座板離縫6 mm，深度達(dá)到了94 cm，兩線間側(cè)離縫2 mm，深度為24 cm，底座板的高低錯臺達(dá)到了6 mm。經(jīng)過多方面的觀察和分析，這些裂紋產(chǎn)生的時間較久，已經(jīng)存在相當(dāng)長的一段時間了。

2 路基填料室內(nèi)試驗

2.1 巖礦情況與電鏡分析

試驗對象選取4個斷面樣品以及里程DK62+370段路堤處泥巖。這些巖石呈灰黑色、硬度差、層理發(fā)育，由泥質(zhì)及炭質(zhì)成分組成。對這些樣品的成分分布分析后，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)約占79%、炭質(zhì)約占8%、玉髓約占5%、白云石約占3%。泥質(zhì)成分主要由水云母高嶺石組成，鱗片狀，炭質(zhì)成分呈粉末狀，玉髓成分以圓球形為主，白云石成分個別呈自形狀，石英粉砂成分呈棱角。通過對樣品進(jìn)行成分分析，更好地了解路堤原風(fēng)化泥巖的成分組成，從而為巖石的分類、地質(zhì)演化等方面的研究提供更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

對原巖地基巖石泥質(zhì)粉砂巖和DK62+420邊坡1.5 m處進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明，DK62+420邊坡1.5 m處的樣品主要含有石英、高嶺石和方解石，其中石英的含量為81.0%，高嶺石和方解石分別為3.4%和5.1%。根據(jù)分析結(jié)果可知，填料以石英砂巖為主，含有部分炭質(zhì)頁巖或炭質(zhì)灰?guī)r。這種填料的優(yōu)點是穩(wěn)定性好、耐磨性強、抗沖刷能力強，在道路建設(shè)中被廣泛使用。強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖成分以石英為主，石英含量為72.8%，其次為白云母和綠泥石。這種巖石的優(yōu)點是硬度較高、不易產(chǎn)生細(xì)碎顆粒，因此也可以作為填料使用。如果路基填料的膨脹性不明顯，說明在填料選擇和建設(shè)過程中，需要考慮填料的可塑性和滲透性，以確保路基的穩(wěn)定性和耐久性。

2.2 填料膨脹性試驗

研究人員對DK62+386斷面和DK62+420斷面的土樣進(jìn)行了自由膨脹率試驗和有荷載膨脹率試驗，并得出了實驗結(jié)果，各處樣品膨脹率試驗結(jié)果見表1。在進(jìn)一步的研究中，選取一斷面的土壤樣品，制備出含水量為10%、15%、20%、25%的柱狀式樣，開展了直徑為150 mm，高300 mm的三軸實驗，研究了無載荷及有載荷情況下含水量對試樣縱向膨脹的影響。

填料試驗結(jié)果顯示，該填充物的最大天然膨脹率和最大荷載膨脹率分別為25.04%和0.008%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量很高時，填充體的膨脹度隨含水量的升高而增加，且膨脹系數(shù)的改變是逐步遞減的。這表明填料膨脹度與含水量成正比。荷載對膨脹量也有顯著影響，在無載荷條件下，含水量為25%時膨脹系數(shù)為18.1 mm，在垂直加載45 kPa和含水25%的情況下，加載后的膨脹量只有3.2 mm，表明加載作用對填料膨脹性能有顯著的影響。

填料的膨脹量受到多種因素的影響，包括填料的含水率和荷載作用等，在填料工程設(shè)計中，需要全面考慮填料的膨脹性及其影響因素，以確保工程的穩(wěn)定性和耐久性。

3 路基膨脹數(shù)值分析

通過對該地區(qū)全年降雨情況分析后發(fā)現(xiàn)，該地降雨時間長，夏季雷暴天氣多，地下水位全年有著明顯的變化。為此建立了過渡段有限元模型，有限元模型如圖1所示。

模型約束是加固設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，側(cè)面約束水平位移，地面約束水平和豎直位移，保證模型在加固過程中的穩(wěn)定性。將地表面設(shè)置為降雨邊界，雨強按面流量施加。當(dāng)降雨量超過土體入滲量時，改變?yōu)榱銐哼吔纾a(chǎn)生徑流。土體和褥墊層采用平面應(yīng)變單元，過渡段采用板單元。采用三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能夠準(zhǔn)確地模擬土體的變形情況。

荷載計算是加固設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)規(guī)范對軌道及列車荷載換算土柱高度和分布寬度進(jìn)行取值，確保在加固過程中，荷載得到合理的計算和施加[2]。過渡段設(shè)計是橋梁加固中的一個重要環(huán)節(jié)，底部寬度5 m，斜坡125 m，頂部寬度20 m，計算長度80 m，高度60 m。用CFG樁進(jìn)行方法進(jìn)行加固，樁的長度為12 m，直徑0.5 m，距離橋臺0～20 m的區(qū)域為正方形布置，間距1.5 m。距離橋臺20～80 m的區(qū)域為正方形布置，間距2 m。確保橋梁得到有效的加固并具有更好的穩(wěn)定性和安全性。

3.1 降雨參數(shù)設(shè)定

為了更準(zhǔn)確的預(yù)測路基變形和穩(wěn)定性，有限元分析中需要考慮降雨參數(shù)的影響。為了提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用平均降雨量的方法來設(shè)定降雨參數(shù)。這種方法通過統(tǒng)計歷史降雨數(shù)據(jù)，計算出平均降雨量，并將其用作模擬分析的降雨參數(shù)。其中，日降雨量和降雨總時長是最常用的參數(shù)。但在實際降雨情況中，不同季節(jié)和地區(qū)的降雨情況可能會有很大的差異，在模擬分析中，需要考慮不同降雨強度和降雨持續(xù)時間對路基的影響，這樣可以更準(zhǔn)確地預(yù)測路基的變形和穩(wěn)定性，提高道路的安全性和可靠性。

3.2 降雨工況設(shè)置

為分析過渡段降雨情對路基變形的影響，研究人員根據(jù)四季降雨設(shè)置了4種降雨工況。

為了研究不同季節(jié)的降水條件下路基變形情況，進(jìn)行了不同工況的設(shè)置，具體工況設(shè)置如下：①工況1。在離縫和軌道板裂縫之前30 d，每天平均降水5.1 mm。并對此路段的日降水5.1 mm及一月份后的路基變形情況進(jìn)行計算。一月后對該工程進(jìn)行50 kPa的加載試驗，并對其進(jìn)行了載荷作用下的路基情況進(jìn)行檢測。②工況2。針對梅雨季節(jié)進(jìn)行模擬，分析了7 h小雨和7 h中雨條件下的道基變形。在此基礎(chǔ)上，以50 kPa的荷載作用，檢測降雨對路基變形的作用。③工況3。針對夏季的雷雨進(jìn)行了數(shù)值進(jìn)行模擬，分析了暴雨2 h、大雨2 h、中雨2 h、小雨6 h后，路基的變形狀況。在施加50 kPa的載荷后，再對其進(jìn)行觀測。④工況4。以中等強度降雨為例，研究大雨1 h、中雨1 h、小雨8 h后的地基變形，并在此基礎(chǔ)上以50 kPa的荷載作用，進(jìn)一步檢測降雨對路床表面的作用。

3.3 結(jié)果分析

工況1的降雨數(shù)據(jù)來源氣象局的實測數(shù)據(jù)和降雨模擬軟件。在得到降雨數(shù)據(jù)后，本文對10、20、25、30 d和荷載作用下的路基變形及概況做分析。研究結(jié)果表明，路基的膨脹系數(shù)差異不大，而交接部的膨脹系數(shù)有很大的差異。例如，經(jīng)過30 d的大雨，橋臺錐坡處的膨脹量達(dá)到了18.81 mm，橋臺的膨脹量僅為2.54 mm，過渡段20 m范圍內(nèi)的膨脹量則達(dá)到了16.27 mm。50 kPa荷載時，路基面膨脹量顯著降低。路基段與倒梯形過渡段處的差距也減小。

因此，在鐵路建設(shè)和維護中，需要對路基面變形情況進(jìn)行及時監(jiān)測和維護，以確保鐵路運行的安全性和穩(wěn)定性。在降雨30 d后，路基的膨脹量明顯大于20 d和10 d，這表明持續(xù)降雨時路基面膨脹的一個重要原因。

根據(jù)工況2和工況3的實驗數(shù)據(jù)，不同的降水條件下，地基膨脹量隨降水的增加而增大，路基在降雨150 h的膨脹量為10.880 mm。說明即使降雨不是很強，長時間的降雨也會導(dǎo)致路基膨脹。在工況3中雨量中等，在12個h連續(xù)降水條件下，路基表層最大沉降量為9.753 mm，這表明路基最大膨脹量還與降雨持續(xù)時間有關(guān)[3]。

試驗結(jié)果表明，在不同的降水狀態(tài)下，路基變形的程度大小是不一樣的。在進(jìn)行實驗中，研究人員考慮了不同降雨條件下的路基膨脹深度，并發(fā)現(xiàn)其中工況4降雨條件對路基膨脹深度的影響最大，達(dá)到了5.88 m。這些實驗結(jié)果并不是完全一致的，因此在實際工程中還需要具體情況具體分析。在進(jìn)行路基設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)所處地區(qū)的降雨條件以及路基填料的特性，合理地進(jìn)行設(shè)計和施工，以保證路基的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)束語

通過該研究發(fā)現(xiàn)，過渡段路基填料的微膨脹性和離縫現(xiàn)象對鐵路交通的安全性產(chǎn)生了一定的影響。因為過渡段路基填料具有一定的微膨脹性，所以填縫材料在使用過程中會發(fā)生微小的膨脹現(xiàn)象，而離縫會導(dǎo)致填縫材料的膨脹更加明顯。裂縫很容易積累雨水，使其更易于滲入路基，從而給路面帶來不可避免的損壞。

在強降雨時，這種問題會變得更加突出。路基遇水后發(fā)生了一定程度的膨脹，裂縫的出現(xiàn)使得路基膨脹量增大，降水滲透的作用區(qū)域與降水的強弱密切相關(guān)。降雨強度越大，持續(xù)時間越長，入滲的范圍就越廣，對路面的影響也就越大。

倒梯形轉(zhuǎn)換路段與路基之間的伸縮膨脹差異及土體向外部膨脹力共同對路基產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致路面變形，而高強型的鋼軌面板能有效地改善這種現(xiàn)象。在列車載荷作用的影響下，軌道板不斷受到荷載沖擊和膨脹所產(chǎn)生的擠壓力。這些力量會導(dǎo)致軌道板表面的離縫現(xiàn)象更加明顯，軌道板表面的離縫在過渡段得到發(fā)展的概率也更高。

在高速鐵路路橋過渡段的建設(shè)中，微膨脹土作為路基填料使用會導(dǎo)致病害的產(chǎn)生，因此，應(yīng)盡量避免使用微膨脹土，并加強防水入滲工作，從材料源頭上控制病害產(chǎn)生，保障高速鐵路的運營安全。

為了解決這些問題，需要對過渡段路基填料進(jìn)行改進(jìn)和升級。例如，在填料中添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，可以減少填料的膨脹性和離縫現(xiàn)象。此外，還可以對軌道板進(jìn)行改良，增加其抑制不均勻變形的能力，從而提高軌道板的使用壽命和安全性。

參考文獻(xiàn)

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