克塔鐵路路基穩(wěn)定性分析

鐘 濤

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300140)

1 工程概況

1.1 地理位置

克塔鐵路地處新疆北疆地區(qū)克拉瑪依市和塔城地區(qū)，鐵廠溝至塔城段位于塔城地區(qū)托里縣和額敏縣及塔城市境內(nèi)。本線由克拉瑪依至鐵廠溝鎮(zhèn)段鐵路DK100+000處引出，向西北沿木胡爾塔依河經(jīng)白楊河煤田、鐵喇礦區(qū)至托里縣鐵廠溝鎮(zhèn)，再翻越兩棵樹埡口經(jīng)瑪依塔斯至額敏縣，然后向西北至塔城市塔城站DK291+100處，新建正線全長172.397 km，橋梁占全線比例9.07%。全線設(shè)鐵廠溝東、哈圖、鐵廠溝、兩棵樹、瑪依塔斯、霍吉爾特、瑪熱勒蘇、也迷里、額敏、恰夏、塔城東、塔城等12個(gè)車站。初期開站4處，分別是中間站3處：鐵廠溝、額敏及塔城站；會(huì)讓站1處：霍吉爾特站。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

克塔鐵路設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，單線鐵路。旅客列車最高設(shè)計(jì)行車速度120 km/h，最小曲線半徑為1 200 m，困難路段設(shè)置為800 m；限制坡度為6‰，采用內(nèi)燃機(jī)牽引但預(yù)留電化條件；貨車采用DF8B機(jī)車，旅客列車采用DF11機(jī)車；機(jī)車牽引質(zhì)量：4 000 t；有效長度：850 m。

1.3 主要工程內(nèi)容及數(shù)量

本工程范圍內(nèi)路基長156.738 km，占線路總長的90.93%，其中區(qū)間路基全長148.238 km，站場(chǎng)總長8.500 km/4處。區(qū)間路堤長度為134.925 km，區(qū)間路塹長度為14.813 km。區(qū)間路基土石方19 206 644斷面方，站場(chǎng)土石方3 207 117斷面方。路基工點(diǎn)類型主要有：風(fēng)蝕路基工程、路基邊坡加固工程、路堤坡面防護(hù)工程、路塹坡面防護(hù)工程、擋土墻工程、軟弱地基處理工程、風(fēng)吹雪路基、膨脹土(巖)路基、黃土路基等。

2 路基穩(wěn)定性數(shù)值仿真分析

2.1 模型的簡化

本文選取DK114+100～DK114+570處里程建立數(shù)值模型，本處填土平均高度為3 m，地勢(shì)低洼，地層主要為粉砂及粉土，土質(zhì)松軟，地下水埋深1 m～2 m，局部出露地表。本模型計(jì)算重點(diǎn)是不同荷載作用下對(duì)路基的穩(wěn)定性分析，因此在構(gòu)建模型時(shí)，對(duì)邊坡的邊界條件進(jìn)行了弱化，原地面與路基之間模擬成協(xié)調(diào)變形，不允許張開和滑移。

2.2 模型的建立

利用ADINA建立數(shù)值計(jì)算模型，模型路堤高度3 m，路堤頂面寬7.5 m，模型至下而上分別為：15 m厚的軟弱土地基層，3 m的A,B組填料層，0.4 m厚的級(jí)配碎石和寬3.2 m、厚為0.6 m的軌道混凝土基礎(chǔ)，路基橫向計(jì)算寬度為路堤坡腳兩側(cè)各向外延伸15 m，見圖1。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

因?yàn)槁坊哂袑?duì)稱性[4]，因此采用半幅路基進(jìn)行分析，豎向位移如圖2所示。

從圖2可以看出，列車荷載作用后，地基的豎向位移最大值由靜載時(shí)的25 mm增大到55 mm，且豎向位移總是由路基上至下減小路基中心線沉降最大，路基邊緣沉降小。路堤邊坡坡腳處具有明顯的沉降變化，即路基坡腳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是在列車荷載作用下路基邊坡坡腳處的位移值可達(dá)到52 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的豎向位移。

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理分析可得到路基中線各節(jié)點(diǎn)隨深度的變化關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，路基中心線各點(diǎn)豎向位移由路基頂層至路基地層自上而下逐漸減小，頂面最大位移為4.95 cm，底面豎向位移值為0.12 cm，自路基面頂層15 m以下，豎向位移小于1 cm。

改變不同路面基層模量，得路面基層模量與路基頂面沉降曲線如圖4所示。

從圖4可以看出路面基層剛度越大，路基沉降越小，路基基層模量達(dá)到1 000 MPa時(shí)，路基頂面沉降模量為200 MPa時(shí)的4.25倍左右，可見路面基層對(duì)路基變形和穩(wěn)定性影響較大。

將列車荷載作用等效為30個(gè)施工步，利用ADINA中SRM功能分析不同施工步時(shí)路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如圖5所示。

從圖5可以看出隨著施工步的增加，邊坡安全系數(shù)降低，且列車荷載初始作用時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低較快，之后其速度降低，邊坡最終穩(wěn)定系數(shù)為1.55，滿足邊坡穩(wěn)定系數(shù)需大于1.3的需求，因此本路基設(shè)計(jì)是安全的。

3 結(jié)語

利用有限元數(shù)值仿真分析軟件ADINA建立克塔鐵路二維路基計(jì)算模型，分析了路基豎向位移、路基中心線沉降和路堤邊坡的穩(wěn)定性問題，通過改變不同路基面層剛度研究了克塔鐵路路基的穩(wěn)定性問題，為新疆地區(qū)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

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