高速鐵路斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性影響因素分析

高 霞,肖 宏,王洪剛

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，在山區(qū)修建鐵路時經(jīng)常會遇到斜坡軟土工程問題。如果處理措施不當(dāng)，斜坡路基可能會發(fā)生自重作用下的橫向不均勻沉降和列車荷載作用下的橫向不均勻變形，從而導(dǎo)致軌下基礎(chǔ)的縱向開裂以及斜坡路基滑動失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅列車的運(yùn)行安全。例如，在貴昆鐵路、內(nèi)昆鐵路、渝懷鐵路等工程建設(shè)和運(yùn)營管理中，斜坡路基的穩(wěn)定性一直是困擾工程師的難題。內(nèi)昆鐵路在運(yùn)營中出現(xiàn)的斜坡路基破壞情況調(diào)查表明，列車荷載對斜坡路基的動力作用直接影響斜坡路基的穩(wěn)定[1]。關(guān)于斜坡路基的研究，目前主要集中在靜力穩(wěn)定分析及動荷載作用下路基穩(wěn)定性的研究方面。

相對于普通鐵路，高速鐵路對無砟軌道的設(shè)計(jì)和施工提出了很高的要求，而路基作為軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，必須根據(jù)這一高要求提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工、檢測、維護(hù)等方面的高標(biāo)準(zhǔn)。而若將樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速鐵路斜坡地段，則可以充分發(fā)揮其高平順性、少維修、使用周期長和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[2-4]，提高斜坡路基的穩(wěn)定性。盡管對于樁板結(jié)構(gòu)，我國已進(jìn)行了一定的研究，但對于斜坡軟土地段樁板結(jié)構(gòu)的研究較少[5-7]。因此，有必要開展關(guān)于列車荷載作用下斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基的靜力和動力響應(yīng)分析。

本文主要采用ABAQUS軟件建立斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基靜力分析模型和車輛-軌道-斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基的動力耦合模型，分析樁板結(jié)構(gòu)路基的形式對軌道穩(wěn)定性的影響，為工程設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修提供理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 車輛系統(tǒng)

車輛采用CRH3整車模型，具有一系和二系懸掛。在模型建立中簡化懸掛裝置，車輛系統(tǒng)車體、轉(zhuǎn)向架、輪對均以剛體考慮。為分析簡便，懸掛裝置的非線性特性按線性處理(圖1)。本文對車輛模型做如下假定[8]：

(1)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對的彈性變形，將其視為具有6個自由度剛體；

(2)一系、二系懸掛簡化為彈簧阻尼單元，不考慮非線性特性；

(3)三大構(gòu)件的質(zhì)心前后和左右對稱，不考慮偏心問題；

(4)由于各部件由剛體模擬，除車輪踏面以外其他部件形狀對計(jì)算結(jié)果無影響，故做出了相應(yīng)簡化。

圖1 無砟軌道動力學(xué)分析模型

1.2 幾何模型

圖2 斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基示意(單位：m)

基于彈塑性動力學(xué)理論，按圖2所示尺寸建立有限元計(jì)算模型，橫向60 m，縱向原則上大于1節(jié)車廂的長度。原地面線橫向坡度為1∶5.0，路堤邊坡坡度比為1∶1.75，基床表層寬度取8 m。由上到下依次是AB組填料、路基填土、粉質(zhì)黏土、泥巖和礫巖[9]。

樁板結(jié)構(gòu)取30 m為1個樁板結(jié)構(gòu)單元，每跨7.5 m共4跨。中間3排樁與板固結(jié)，兩側(cè)樁與板搭接，樁徑1.2 m，C30混凝土。軌道板為CRTSⅡ型無砟軌道板，尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55。在支撐層與軌道板間設(shè)1層厚度為30 mm的CA砂漿，材料參數(shù)見表1。地基兩側(cè)邊界約束橫向位移，底部約束豎向及橫向位移。

表1 模型材料參數(shù)

1.3 接觸關(guān)系的處理

(1)輪軌接觸關(guān)系

建立的輪軌模型踏面采用LM磨耗型踏面，形狀完全由實(shí)際踏面尺寸建立。鋼軌采用C3D8R單元。為真實(shí)模擬輪軌接觸部位的幾何位置，輪軌接觸采用surface-to-surface Contact，主面為車輪踏面，從面由軌頭上表面與內(nèi)側(cè)表面組成。

(2)樁土、板土接觸關(guān)系

樁土接觸采用庫侖摩擦模型，并用摩擦系數(shù)來表征在兩個表面間的摩擦行為[10]。由于樁-土之間的摩擦行為并非理想的摩擦行為，因此，在樁土接觸模擬中，ABAQUS軟件使用了一個允許“彈性滑動”的摩擦公式[11]?！皬椥曰瑒印笔窃谡辰Y(jié)的樁土接觸面之間所發(fā)生的小量的相對運(yùn)動。板土接觸采用軟件自帶的罰函數(shù)接觸算法，法向?yàn)椤癏ard”Contact接觸原則。車輛-無砟軌道-斜坡樁板結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 車輛-無砟軌道-斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基耦合動力學(xué)模型

1.4 計(jì)算工況

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》規(guī)定[12]，列車垂向活載采用ZK活載。

考慮列車活載豎向動力作用時，列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)(1+μ)。ZK活載下，(1+μ)的計(jì)算公式為

式中，Lφ為加載長度(m)，其中Lφ<3.61 m時按3.61 m計(jì)；簡支梁時為梁的跨度；n跨連續(xù)梁時取平均跨度乘以表2中系數(shù)。

表2 板跨與系數(shù)的關(guān)系

當(dāng)計(jì)算Lφ小于最大跨度時，取最大跨度。1+μ計(jì)算值小于1.0時取1.0。

樁板結(jié)構(gòu)路基荷載組合如圖4所示，動力系數(shù)按上式計(jì)算得1.293 6。

圖4 靜載組合示意

(1)樁長變化

為研究樁長對斜坡地段樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性的影響，選擇如下4種樁長變化工況進(jìn)行分析：①等樁長(樁長20 m)；②板左長于板右；③板左短于板右；④等樁長(樁長25 m)。如圖5所示。

圖5 4種樁長變化工況

(2)板跨變化

為了研究板跨對樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性的影響，選取板跨5 m和7.5 m兩種標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行對比分析。

2 靜力計(jì)算分析

2.1 承載板位移分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在進(jìn)行樁板結(jié)構(gòu)靜力分析之前，先初始地應(yīng)力平衡。不同工況的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同工況條件下承載板位移變化曲線

樁間距為5 m時，樁板結(jié)構(gòu)路基在ZK靜活載作用下，4種樁長方案的垂橫向位移隨樁長、板長范圍變化如圖6所示。承載板橫向位移為工況2>工況1>工況3>工況4，工況3比工況2降低約0.18 mm，最大位移均出現(xiàn)在承載板中部；當(dāng)樁間距為7.5 m時，板跨中部位橫向位移最小，最大橫向位移出現(xiàn)在板的兩端搭接處。工況1時，板最大橫向位移為3.24 mm；工況2條件下，板的最大橫向位移增大至3.27 mm；工況3與工況4條件下，板的橫向位移相近，最大為3.21 mm。

樁板結(jié)構(gòu)路基對軌道垂向位移控制的較好。當(dāng)樁間距為5 m時，工況1的垂向位移最大，為0.72 mm，工況3和工況4接近，為0.48 mm，因此，在各個工況條件下均可以有效控制樁板結(jié)構(gòu)的垂向位移。樁間距為7.5 m時，在工況1條件下，最大垂向位移出現(xiàn)在中部固接托梁的兩側(cè)，為0.88 mm；工況2時板的最大垂向位移為0.82 mm，與工況1相近；工況3和工況4的結(jié)果近似，最大垂向位移為0.68 mm。

由此可見，工況3和工況4可以明顯提高樁板結(jié)構(gòu)路基的垂橫向穩(wěn)定性，即延長板右側(cè)樁長或者所有樁都延長，但工況3與工況4的效果接近，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，從樁長的角度建議選擇工況3。此外，在樁長均為工況3的條件下，樁間距5 m和7.5 m對承載板的橫向、垂向位移影響不大，均滿足規(guī)范要求，可以采用樁間距7.5 m與工況3的組合。

2.2 樁的變形分析

由于斜坡地基，路基兩側(cè)的約束力不均衡，導(dǎo)致樁的橫向位移方向在樁身縱向長度的某一點(diǎn)發(fā)生變化。由圖7可以看出，4種工況條件下的變換點(diǎn)均出現(xiàn)在距板約5.5 m處，延長樁長對控制樁橫向位移的效果較為明顯。工況3、4條件下樁的橫向位移比工況1條件下降低約30%，工況2比工況1降低約16%。樁的垂向位移變化規(guī)律為工況1>工況2>工況3>工況4，4種工況條件下樁垂向位移均較小，滿足要求?？紤]到橫向位移是斜坡樁板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，應(yīng)用工況3可以有效提高斜坡樁板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖7 不同工況條件下樁中點(diǎn)位移變化曲線

3 動力計(jì)算分析

動力計(jì)算中，CRH3型機(jī)車時速300 km，并且考慮到輪軌間的縱、橫向滑移影響。動力計(jì)算垂向位移結(jié)果云圖如圖8所示。

動力計(jì)算中選取承載板的垂橫向動位移、路堤土體和樁中點(diǎn)橫向位移的變化規(guī)律來作為判斷斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性的指標(biāo)。動力計(jì)算結(jié)果時程曲線如圖9所示。

圖8 動力學(xué)計(jì)算結(jié)果云圖

圖9 動力計(jì)算時程曲線

采用12種動力計(jì)算方案，對不同樁長、樁間距對樁板結(jié)構(gòu)垂橫向位移的影響進(jìn)行對比分析。計(jì)算方案及結(jié)果見表3。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，無論是樁間距5 m或是樁間距7.5 m，延長樁長都可以減小樁板結(jié)構(gòu)的垂橫向動位移，現(xiàn)在主要討論采用哪種工況既符合穩(wěn)定性需要，又有較好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)樁間距為5 m時，方案2和方案3的各項(xiàng)位移指標(biāo)均略大于方案4和方案5，說明延長右側(cè)樁長對提高樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性更顯著。方案6的效果最理想，但是與方案5的效果接近，為了提高工程的經(jīng)濟(jì)效益，建議采用延長右側(cè)樁長的方案5。樁間距為7.5 m時的情況與樁間距5 m的情況相似，即方案11效果好于方案9。

表3 計(jì)算方案及結(jié)果

接下來進(jìn)行不同樁間距方案的對比。由于前面得出了建議延長右側(cè)樁長的結(jié)論，這里重點(diǎn)選取方案5和方案11進(jìn)行對比。

方案5中承載板橫向位移最大為0.405 mm，垂向位移最大值為0.152 mm，出現(xiàn)在板中位置；方案11中承載板橫向位移最大為0.59 mm，比方案5大了約31.3%，垂向位移最大值為0.23 mm，垂向位移比方案5大了約33.9%。路堤下側(cè)土體橫向位移最大值，方案11比方案5大了約16.1%；樁中點(diǎn)橫向位移最大值，方案11比方案5大了約33.8%。

通過以上動力計(jì)算對比分析得出，采用方案6是最理想的，但是在土質(zhì)較好的地段容易造成浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不佳。建議采用方案5或者方案11，具體選擇取決于地質(zhì)條件和路基穩(wěn)定性控制指標(biāo)，如果條件允許，盡量采用方案11；如果對斜坡路基安全系數(shù)等指標(biāo)控制嚴(yán)格，則建議采用方案5。

4 結(jié)論

本文針對山區(qū)高速鐵路斜坡路基樁板結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS建立了靜動力分析計(jì)算模型，研究了樁板結(jié)構(gòu)路基穩(wěn)定性與樁間距和樁長布置的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論。

(1)通過靜力分析可以得出，樁板結(jié)構(gòu)路基在ZK靜活載作用下可以很好地控制斜坡路基的垂橫向位移。對比分析發(fā)現(xiàn)，不等樁長樁板結(jié)構(gòu)可以在穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性之間找到較好的平衡點(diǎn)；樁間距越小，樁板結(jié)構(gòu)的垂橫向穩(wěn)定性越好，位移越小。但是過小的樁間距不利于施工和成本控制，因此需要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件選擇適當(dāng)?shù)臉堕g距。本文中地質(zhì)條件較為理想，建議采用樁間距7.5 m、延長右側(cè)樁長的方案。

(2)樁板結(jié)構(gòu)路基在列車動荷載作用下表現(xiàn)出較好的提高斜坡路基穩(wěn)定性的特點(diǎn)。具體為，樁長越長、樁間距越小，位移控制效果越好。對于較好的地質(zhì)條件，可以采用樁間距7.5 m，延長右側(cè)樁長的方案；對于地質(zhì)條件稍差一些的地段，可以減小樁間距，如5 m，某些情況甚至可以更小。樁長過長對上部承載板的橫向約束能力減弱，同時也不利于其工程經(jīng)濟(jì)性。本文情況選取20～25 m樁長可以較好滿足路基的穩(wěn)定性要求。

斜坡路基是我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程難題之一。與平原地帶軟土路基和過渡段路基相比，其不均勻沉降和差異變形更為普遍。在國內(nèi)率先建立了車輛-軌道-斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基耦合模型，對高速鐵路斜坡樁板結(jié)構(gòu)路基的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究分析，為樁板結(jié)構(gòu)新型路基結(jié)構(gòu)的在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

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