無砟軌道路橋連接處楔形體過渡方式優化設計

羅 偉,陳 嶸,顏 樂,王 宇

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

控制線路的平順性是高速鐵路設計的核心內容之一,是保證高速列車安全、可靠、舒適運行的前提[1-2]。無論是既有線路還是新建線路,路橋連接段均是影響線路平順性的重要路段,在路基與橋梁的連接處,由于路基與橋梁剛度差異很大,一方面引起軌道剛度的變化,另一方面,路基與橋臺的沉降也不一致,在路橋過渡點附近極易產生沉降差,導致軌面彎折[3]。在路橋連接處,由于前述的不平順,當列車高速通過時,必然會增加列車與線路的振動,引起列車與線路結構相互作用力的增加,影響線路結構的穩定,甚至危及行車安全[4]。在路基與橋梁之間設置一定長度的過渡段,可使軌道剛度實現逐漸變化,并最大限度地減少路基與橋梁之間的沉降差,達到降低列車與線路的振動,減緩線路結構的變形,保證列車安全平穩、舒適運行的目的[5]。

無砟軌道橋頭處楔形體過渡段是目前較為常見的處治不均勻沉降的方法之一[6-9]。考慮到無砟軌道路橋過渡段的結構復雜性,為比較全面地分析設計參數的影響,建立實體有限元模型,以處治手段消化地基沉降的能力作為主線索,以變形的協調和控制作為主要目標,開展楔形體路橋過渡段橋頭“跳車”處治方法的作用性狀及適應性研究,在此基礎上,進行設計優化。

1 仿真分析計算模型

路橋過渡段楔形體處治方式如圖1所示,根據縱坡設置方向不同分為正梯形楔形體過渡段(1∶n)和倒梯形楔形體過渡段(1∶-n)。

圖1 路橋過渡段楔形體處理方式

考慮軌道結構的對稱性,取半邊軌道結構進行計算,建立圖2所示的有限元模型,主要計算參數如表1所示。

圖2 楔形體過渡段有限元分析模型

軌道部件彈性模量/MPa泊松比寬/m頂寬/m厚度/m高/m截面坡度道床板320000166728—024——CA砂漿5000———003——水硬性支承層(HGT層)500001538—03——楔形體5000015—86—61∶n臺后回填土12001667—86—61∶n

邊界條件為：路堤底面的地基沉降量Δ,y=0側面側向位移為0,路堤與橋臺接觸面縱向位移為0,HGT層與橋臺接觸面豎向位移為0。集中荷載P=125 kN沿著鋼軌縱向從橋臺端向路基移動。依據我國2003年修訂版《京滬高速鐵路設計暫行規定》,無砟軌道路橋或路隧交界處的差異沉降不應大于5 mm,過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應大于1‰[10]。所以本文把地基沉降量Δ的變化范圍確定為0～15 mm。

2 楔形體縱面坡度比選

2.1 比選縱面坡度形式

為合理選擇路橋過渡段楔形體處治方式結構形式,結合以往的實踐經驗,主要考慮6種不同的楔形體縱面坡度及設置方向,如表2所示。

表2 楔形體縱面坡度及設置方向

2.2 軌道整體剛度對比分析

采用不同的楔形體縱面坡時,軌道整體剛度變化如圖3所示。

圖3 不同縱面坡度設置時的過渡段軌道剛度分布

從圖3可以看出,軌道整體剛度由橋臺處的65.36 kN/mm變化至路基上的55.64 kN/mm。采用正梯形楔形體時,剛度變化較采用倒梯形時平緩,剛度變化較快的地方位于過渡段開始的位置(距橋臺邊緣1.5～3 m處),在過渡段易控制區范圍內,且采用不同的傾斜角度時剛度變化的趨勢改變較小,即施工誤差導致的偏差較小。采用倒梯形楔形體時,剛度變化較快的位置集中在過渡段尾端(距橋臺7～10 m處),剛度在過渡段尾端很小的范圍內實現過渡,因此在過渡段尾端容易發生二次跳車現象,且采用倒梯形時不同的縱面坡度剛度變化的趨勢變化較大,施工誤差所導致的偏差較大。因此,從平順度和施工控制角度來看,在同等情況下,采用正梯形楔形體更為有利。

2.3 路基不均勻沉降的發展對比分析

列車荷載作用下的路基頂面位移如圖4所示。

圖4 列車荷載作用下的路基面位移

從圖4中可以看出,路基面位移與軌道整體剛度有相似的分布。采用正梯形楔形體時,路基面沉降變化較采用倒梯形時平緩,且沉降量變化較快的地方主要集中于過渡段開始的位置(距橋臺邊緣1.5～3 m處),采用不同的傾斜角度,路基面沉降變化趨勢的改變較小,即施工誤差導致的偏差較小。而采用倒梯形楔形體時,沉降量變化較快的位置則主要從6 m處開始,實際上楔形體的縱向范圍為1.5～7.5 m位置處,也就是說采用倒楔形體時,路基面沉降量開始變化的位置位于楔形體的尾端,最大折角相應地會出現在輔助軌的末端,折角將不易控制,且采用倒梯形時不同的斜率剛度變化的趨勢變化較大,即施工誤差所導致的偏差較大。從路基面沉降角度,也表明采用正梯形楔形體更為有利。

以前述所得的路基面位移作為列車第一次通過時的變形,由此可以得到,由路基不均勻沉降引起的折角分布如圖5所示,由不均勻沉降引起的最大折角如表3所列。

圖5 路橋過渡段由于不均勻沉降引起的折角分布

斜率正梯形倒梯形1∶11∶151∶21∶11∶151∶2最大折角1198‰1036‰0956‰1188‰1032‰0898‰

由圖5及表3可以知道,沒有其他輔助措施時,采用1∶1的縱斷面坡度,不論采用正梯形還是采用倒梯形,均不能滿足1‰的轉角要求,而采用1∶2的過渡措施,雖然可以滿足1‰的轉角要求,但有造價太高的不利因素影響,特別是采用倒梯形時,最大折角出現在輔助軌的末端,折角將不易控制。采用1∶1.5的楔形體過渡,雖然最大折角超過了1‰,但配合以輔助鋼軌措施可以將折角控制在1‰以內。

綜合以上對比分析,建議采用縱斷面坡度1∶1.5的正梯形楔形體過渡,結合輔助軌的設置,可以實現軌道整體剛度平緩過渡,滿足鋼軌折角控制在1‰以內的要求。

3 楔形體過渡段地基沉降適應性分析

3.1 路堤填料模量的影響

為了考慮路堤填料模量對楔形體過渡段路堤的壓縮變形的影響,分別取填土模量E=120、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 MPa進行分析,得到1∶1.5的正梯形楔形體過渡段橋頭路堤的壓縮變形與換填楔形體材料模量之間的關系,如圖6所示。

圖6 路堤壓縮變形與填料模量關系曲線(Δ=0)

從圖6中可以看出,換填區材料模量對橋臺與路堤的差異沉降影響明顯。當橋臺路基采用一般填料(E=120 MPa)時,橋臺與路堤銜接處的沉降差為0.132 mm。而換填高模量的填料時,路堤的壓縮變形明顯減小,當E≥5 000 MPa時,橋頭與路堤的沉降差為0.087 mm。考慮到橋臺附近填料壓實的影響和水穩定性,橋臺路堤采用高模量、透水性好的換填材料對于減輕橋臺跳車病害更有其必要性。另從圖中可以看出,當E≥5 000 MPa時,楔形體換填材料模量的繼續提高對于減小路堤壓縮變形作用甚微。

3.2 對地基均勻沉降的適應性

路基頂面沉降包括路堤的壓縮沉降和地基沉降,隨著填料模量的提高,路堤的壓縮變形會相應地減小,當換填材料模量取E=5 000 MPa,地基發生不同大小的均勻沉降(Δ=0.5、1.0、1.5 cm)時,路基頂面豎向沉降曲線如圖7所示。

圖7 路基頂面豎向位移曲線

從圖7中可以看出,當地基沉降為1 cm時,橋臺與路堤銜接處的沉降差為2.3951 mm, 當地基沉降為2 cm時,為4.767 mm, 當地基沉降為3 cm時,為7.1621 mm,采用楔形體過渡段處治方式后,橋臺處沉降差得到了很好地控制,但是并沒有能夠根本消減。

由路基面不均勻沉降引起的折角如圖8所示。

圖8 不均勻沉降引起的折角

由圖8中可以看出，當地基沉降分別為0.5、1.0、1.5 cm時,由路基面不均勻沉降引起的最大折角依次為3.1625‰、6.33575‰、9.498‰,均大于1‰,且隨著地基不均勻沉降量增大而增大,因此,楔形體換填方式對于地基均勻沉降的適應性不夠,單純采用楔形體換填方式無法達到從根本上消除橋頭“跳車”的目的,需要結合其他處置方式共同應用。

4 結論與建議

(1)在楔形體過渡方式中,正梯形的過渡范圍開始于梯形的始端,不同坡度設置對軌道剛度的過渡影響不大,而倒梯形則開始于梯形的尾端,不同的梯形坡度設置對軌道剛度的過渡影響相對較大。在同等情況下,采用正楔形體更為有利。

(2)在列車反復通過的情況下,地基的不均勻沉降發展表明,為限制不均勻沉降引起的折角不大于1‰,應采用不大于1∶1.5的坡度的設置,且結合輔助處理措施。而從經濟角度來看,不建議采用過小的坡度設置。

(3)橋頭路堤楔形體換填壓縮模量大的填料可以明顯減小路堤的壓縮變形,同時縱坡面坡度1∶1.5的正楔形體“剛柔過渡”換填方式，一方面可以大大減少換填量(相對1∶2方式),另一方面可以較好地協調沉降差(相對1∶1方式),建議采用坡度1∶1.5的正梯形楔形體過渡方式。

(4)當地基為均勻沉降時,路堤沉降量依然較大,即楔形體換填處治方式無法起到從根本上消化地基沉降的作用。在實際工程中,采用楔形體換填進行過渡段處治時,應配合其他措施綜合治理。

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