高速列車作用下新型路涵過渡段動力特性研究

王先斌，童心豪，馮漢卿，楊小虎

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031；3.太原鐵路局，山西 太原 030013)

我國高速鐵路正在大規(guī)模建設(shè)，“十三五”期間高速鐵路的累計(jì)運(yùn)營里程將突破3萬km。然而，隨著運(yùn)營里程的增加，運(yùn)營過程中路基、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物的病害也會逐漸增多。路涵過渡段則是病害最為嚴(yán)重的路段[1-3]。以某一典型的高速鐵路作為例子進(jìn)行說明，該鐵路建設(shè)較早，采用了大量的倒梯形過渡段。在實(shí)際施工過程中，出現(xiàn)了靠近涵洞位置壓實(shí)不密實(shí)、倒梯形過渡段上部開裂等問題[4-5]。基于此，本文將針對上述過渡段病害，借鑒其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)[6-7]，提出一種能夠克服上述困難的新型路涵過渡段，以提高線路的平順性。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算研究新型過渡段的動力特性，以期為后續(xù)類似工程的開展奠定基礎(chǔ)。

1 新型路涵過渡段設(shè)計(jì)方法

為了能夠降低過渡段-路基本體連接處出現(xiàn)的過渡段級配碎石斷裂等問題，本文采取同時摻入水泥、粉煤灰的辦法來改良級配碎石，在滿足要求的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟档图壟渌槭膹?qiáng)度，不斷調(diào)整配合比，尋求能夠滿足強(qiáng)度、變形以及抗裂性能要求的改良級配碎石配比。對于靠近涵洞位置易出現(xiàn)難以壓實(shí)的問題，本文采用摻入水泥、粉煤灰的混合漿液，通過人工注漿的方式將漿液注入級配碎石中，再通過振搗的方式形成變態(tài)級配碎石，進(jìn)而提高壓實(shí)質(zhì)量。基于此，通過對比分析原材料、膠結(jié)材料的擊實(shí)度、變態(tài)漿液配比、級配碎石配比、變態(tài)級配碎石以及經(jīng)濟(jì)性等方面，選取水泥與粉煤灰質(zhì)量比為4∶6的變態(tài)漿液來施工。具體試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

表1 單位立方米變態(tài)漿液中各組份質(zhì)量 kg

表2 單位立方米改良級配碎石各組份質(zhì)量 kg

表3 實(shí)測力學(xué)指標(biāo)對比

由表1—表3可知，養(yǎng)護(hù)時間在4 h以內(nèi)，Ev2,Evd及K30隨粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，在水泥與粉煤灰質(zhì)量比為4∶6時達(dá)到峰值，之后逐漸減小。之后，隨著養(yǎng)護(hù)之間的增長，峰值效應(yīng)逐漸減弱，在養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到24 h時，Ev2,Evd及K30隨粉煤灰摻量的增加而逐漸降低。鑒于現(xiàn)場施工的復(fù)雜性和多因素影響的隨機(jī)性，偏安全考慮，選取水泥與粉煤灰質(zhì)量比為4∶6的變態(tài)漿液進(jìn)行施工，在滿足規(guī)范要求的前提下適當(dāng)降低級配碎石的強(qiáng)度，保證列車運(yùn)行安全。

基于上述試驗(yàn)效果，結(jié)合前期的研究成果，借鑒其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，建議新型路涵過渡段的設(shè)計(jì)方法如下：在橋臺后一定范圍內(nèi)采用改良級配碎石(摻入變態(tài)漿液)，而在過渡段的其他部位采用碾壓混凝土進(jìn)行填筑。碾壓混凝土則是采用摻入水泥和粉煤灰的改良級配碎石來代替只摻入 5%水泥的級配碎石，同時借鑒碾壓混凝土技術(shù)而形成的一種新型工藝。

2 數(shù)值模擬概況

針對高速鐵路無砟軌道路橋過渡段，借助設(shè)計(jì)圖紙，在已有研究成果基礎(chǔ)上[8-12]建立數(shù)值模型，研究高速列車荷載作用下新型路涵過渡段的動力特性。該高速鐵路上列車的運(yùn)營速度為300 km/h，路涵過渡段采用倒梯形，基床表層、基床底層厚度分別為0.6 m 和2.4 m，摩擦板的尺寸為9.0 m×0.4 m，路基邊坡外側(cè)為河流，在橋臺后3 m范圍內(nèi)采用變態(tài)級配碎石，其他部位采用碾壓混凝土。具體動力學(xué)分析模型見圖1。開展現(xiàn)場取樣、室內(nèi)測試等工作，對密度、含水率、模量、泊松比以及內(nèi)摩擦角、黏聚力等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試，具體結(jié)果見表4。

圖1 高速鐵路車輛-軌道-過渡段大耦合系統(tǒng)

表4 土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 過渡段隨埋深的動力響應(yīng)

高速列車通過過渡段時在加速度、動應(yīng)力及豎向位移方面產(chǎn)生一定的響應(yīng)。為了能夠更加充分地研究列車荷載作用下過渡段隨埋深的動力響應(yīng)，自上而下布設(shè)了15個監(jiān)測點(diǎn)，結(jié)果見圖2。

圖2 列車荷載作用下過渡段隨埋深的動力響應(yīng)

由圖2可知：隨著深度的增加，過渡段動應(yīng)力、加速度逐漸減小，并呈現(xiàn)指數(shù)分布。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于列車輪載能量在向下傳遞的過程中，填料快速消耗相應(yīng)的能量，進(jìn)而產(chǎn)生了一定的影響深度，本過渡段的影響深度為5.0 m左右。對于豎向位移來講，隨著深度的增加，其變化曲線較為平緩。

3.2 過渡段基床表層隨列車行駛速度的動力響應(yīng)

在過渡段基床表層處的中心線布置了監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)置列車行駛速度為50，100，150，180，200，250，300，350，400 km/h，得到過渡段基床表層隨列車行駛速度的動力響應(yīng)見圖3。

圖3 過渡段基床表層隨列車行駛速度的動力響應(yīng)

由圖3可知：隨著列車運(yùn)行速度的增加，應(yīng)力、位移、加速度總體上是逐漸增大，存在速度150 km/h和350 km/h 2個拐點(diǎn)，即臨界速度，進(jìn)而說明列車運(yùn)行速度與過渡段的動力響應(yīng)并非成正比例關(guān)系。

3.3 不同軸重時過渡段隨埋深的動力響應(yīng)

高速列車通過過渡段時加速度、動應(yīng)力及豎向位移方面產(chǎn)生一定的響應(yīng)。為了能夠更加充分研究過渡段響應(yīng)隨列車軸重的變化關(guān)系，在過渡段中心線布置了監(jiān)測點(diǎn)。設(shè)置軸重分別為40，30，20 t，得到過渡段隨埋深的動力響應(yīng)，見圖4。

圖4 不同軸重時過渡段隨埋深的動力響應(yīng)

由圖4可知：隨著列車軸重的增加，加速度、動應(yīng)力變化不大，豎向位移變化較為明顯，位移隨列車軸重的增大而增大，這說明重載鐵路對過渡段的要求很高。

4 結(jié)論

1)提出了新型過渡段的組成以及變態(tài)漿液、改良級配碎石的關(guān)鍵配比參數(shù)。

2)隨著深度的增加，路基動應(yīng)力、加速度逐漸減小，并呈現(xiàn)指數(shù)分布。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于列車輪載能量在向下傳遞的過程中，填料快速消耗相應(yīng)的能量，進(jìn)而產(chǎn)生了一定的影響深度，本過渡段的影響深度為5.0 m左右。對于豎向位移來講，隨著深度的增加，其變化曲線較為平緩。

3)隨著列車行駛速度的增加，動應(yīng)力、豎向位移、加速度總體上是逐漸增大，存在速度150 km/h和350 km/h 2個拐點(diǎn)，即臨界速度，進(jìn)而說明列車運(yùn)行速度與過渡段的動力響應(yīng)并非成正比例關(guān)系。

4)隨著列車軸重的增加，加速度、動應(yīng)力變化不大，豎向位移變化較為明顯，位移隨列車軸重的增大而增大，這說明重載鐵路對過渡段的要求很高。

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(責(zé)任審編 劉 莉)