拉伊鐵路運(yùn)營期軟土路基沉降分析
2023-10-18 17:33:38陳濤
工程機(jī)械與維修 2023年5期
陳濤
摘要：運(yùn)營期的鐵路沉降分析是鐵路建設(shè)中控制成本的重點(diǎn)考慮因素，針對拉伊鐵路軟土地區(qū)橋臺路基運(yùn)營期沉降分析，通過動荷載加載400次、800次、1200次進(jìn)行變形計算，研究運(yùn)營期拉伊鐵路的軟土區(qū)橋臺路基變形。結(jié)果表明：當(dāng)持力層較深時，軟土地區(qū)鐵路橋梁可根據(jù)計算采用摩擦樁，運(yùn)營期的沉降在列車運(yùn)行400次內(nèi)，其變形較大，在400～800次存在一定的變形，1200次后橋臺路基沉降基本上趨于穩(wěn)定，且其工后沉降滿足鐵路變形控制要求。
關(guān)鍵詞：鐵路工程；運(yùn)營期；沉降計算；軟土地區(qū)；摩擦樁
0? ?引言
軟土路基對于工程的施工及使用均存在不利的影響。當(dāng)軟土路基土層處于流、軟塑狀況時，對于大跨度橋梁樁基需要較大的樁徑，軟土導(dǎo)致工程樁基施工的側(cè)壁難以成型，需采用強(qiáng)度較高的泥漿護(hù)壁，必要情況下需采用鋼護(hù)筒進(jìn)行跟進(jìn)施工。
鐵路軟土路基的工后沉降對鐵路運(yùn)營影響較大，需進(jìn)行路基處理，才能保證鐵路路基的安全，避免發(fā)生不利于鐵路運(yùn)行的路基沉降等問題。運(yùn)營期鐵路的沉降，通常是由于循環(huán)動荷載作用下塑性應(yīng)變不斷積累和下臥層土體不斷固結(jié)產(chǎn)生的。
目前，國內(nèi)軟土地基的研究已成為熱點(diǎn)問題。如雷華陽[1]等針對排水板易淤堵、加固效果欠佳等問題，提出一種新型交替式預(yù)壓技術(shù)，可有效防止淤堵泥層的加劇，使得土體加固效果提升。王連俊等[2]針對云南某高速公路河谷區(qū)復(fù)雜沉積環(huán)境多層軟土地基，采用強(qiáng)夯墊層法處理的加固效果與沉降變形進(jìn)行觀測研究，在地基處理及路基填筑期間，通過不同觀測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了不同類型軟土地基的土體變形、應(yīng)力和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律。周洺漢[3]等針對鐵路運(yùn)營期路基沉降進(jìn)行研究，通過一系列的方式手段對運(yùn)營期鐵路路基沉降進(jìn)行綜合治理，研究一種解決鐵路運(yùn)營路基期沉降的方法。
中國鐵路技術(shù)在國際舞臺不斷進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程不斷發(fā)展，使得中國標(biāo)準(zhǔn)鐵路在國際上占據(jù)了較大的市場份額。同時在不同的地區(qū)因其環(huán)境及地質(zhì)情況的不同，給我國鐵路的設(shè)計建造帶來了較大的挑戰(zhàn)。本次研究以拉伊鐵路為背景，對軟土路基段處理措施、軟土區(qū)橋臺路基處置措施和軟土區(qū)橋梁樁基選型進(jìn)行了介紹，并對軟土地區(qū)段橋臺處路基運(yùn)營期在列車動荷載作用下固結(jié)沉降問題進(jìn)行研究[4]，分析其動荷載對軟土區(qū)橋臺路基處的沉降影響。
1? ?工程概況
拉伊鐵路正線總長度156.075km，位于尼日利亞國西南部，南起尼日利亞最大的港口城市Lagos市，向東北經(jīng)Abeokuta、Ibadan城市。線路所經(jīng)地區(qū)地形呈波狀起伏，地勢北高南低，地面高程海拔10～650m，相對高差100m以上，從南至北為南部海積平原區(qū)、低山丘陵區(qū)、侵蝕平原及剝蝕殘丘區(qū)。
拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段為濱海海積平原，地勢平坦，區(qū)間分布許多瀉湖，最為出名的為拉各斯瀉湖。根據(jù)地質(zhì)情況可知，鐵路沿線地質(zhì)情況較差，部分路基段位于軟弱土層，軟土地區(qū)對工程建設(shè)及鐵路運(yùn)營均存在較大的不利影響，同時工程地勢地面高程為5～250m。
拉伊鐵路沿線地下水埋藏于濱海及海積平原區(qū)及各大河谷中的第四系沖積層中，埋深2～5m，水量豐富，主要受地表水及大氣降水雙重補(bǔ)給，水質(zhì)受自然環(huán)境影響較大，其中濱海海積平原區(qū)的孔隙潛水水質(zhì)較差。
拉伊鐵路軌道路基段正線采用ⅢB型混凝土軌枕+彈條Ⅲ型扣件，橋面段采用新Ⅲ型橋枕+Ⅱ型扣件；正線軌道上道岔采用P60-12和P60-9道岔，側(cè)線采用P50-9道岔。正線與側(cè)線采用有砟軌道無縫線路鋪設(shè)，軌道示意圖如圖1所示。
2? ?軟土區(qū)路基處理和橋梁樁基選型
2.1? ?海積平原路基處理措施
拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段位于海積平原地區(qū)，場地存在深厚淤泥，作為鐵路路基結(jié)構(gòu)段時路基沉降較大，不滿足鐵路沉降控制，為控制該路段的沉降值，可增加該路基上層土體的整體剛度，防止因局部沉降導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)的破壞，一般路基段結(jié)構(gòu)擬采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理。其中：攪拌樁直徑為500mm，總樁長16m，擴(kuò)大頭為800mm，長2m，樁基分布采用2m矩形布置。
施工期樁頂清表后，頂層設(shè)置砂礫褥墊層（500mm），內(nèi)鋪土工格柵一層（雙向60kN）。道路上層結(jié)構(gòu)上填礦渣，均勻分層夯實(shí)，回填至路基結(jié)構(gòu)層下。
2.2? ?路基與橋梁銜接處措施
針對路基與橋臺結(jié)構(gòu)不均勻沉降問題，臨近橋臺路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，直徑為500mm，擴(kuò)大頭采用長2m、直徑800mm的結(jié)構(gòu)，總樁長以12～18m變樁長控制，樁基分布采用1.3m矩形布置。
樁頂清表與路基段一致，臨近橋臺路基相接段采用泡沫混凝土填筑，路基上層填筑礦渣（橋臺后、涵洞后10m為級配砂礫），均勻分層夯實(shí)，回填至路基結(jié)構(gòu)層下。
2.3? ?確定鐵路橋梁樁基結(jié)構(gòu)
因大部分路段土層基巖較淺，巖層具有較大的承載力，為此該路段鐵路橋采用端承樁。濱海海積平原區(qū)段層深厚軟土層，采用端承樁時需設(shè)置較長的樁基，存在造價高等問題。對于濱海海積平原區(qū)，可通過沉降分析計算研究采用摩擦樁的可行性。
以軟濱海海積平原區(qū)12-15號墩臺為例，該橋梁正線橋面寬度為11m，墩臺的尺寸如圖2所示。其中：12、13號墩承臺長10.2m，寬6.9m，樁長38m；14號墩承臺長15m，寬8m，樁長39m；15號墩承臺長14.3m，寬10.4m，樁長40m。其中，12、13、14、15等墩臺的樁均采用摩擦樁，所處地層為①0素填土、①1黏土、②1淤泥、④1黏土、⑤1黏土、⑤2粉質(zhì)黏土。
本工程濱海海積平原區(qū)土層較差，針對不同的路段其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均不一致，路基段處置方案主要是對上層軟土地層進(jìn)行加固處理，加固深度總長可達(dá)18m。根據(jù)沉降分析可知，鐵路工后沉降變形可控。橋梁段可采用摩擦樁，同時需對橋梁段工后沉降進(jìn)行變形計算。
3? ?橋梁段工后沉降分析
為驗(yàn)證拉伊鐵路濱海海積平原區(qū)橋梁工后沉降問題，選取DK0+000～DK23+500段12-15號橋梁樁基進(jìn)行研究，該段處于深厚淤泥地層，橋梁樁基采用摩擦樁。
軟土路基濱海海積平原區(qū)12-15號墩臺位置土層參數(shù)參考詳勘報告，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
3.1? ?荷載分析
3.1.1? ?靜荷載
列車（活）荷載按相關(guān)規(guī)范選取，簡稱中-活載?；钶d的分布情況如圖3所示?；钶d主要通過軌道進(jìn)行傳播，將下層結(jié)構(gòu)作用于一個整體，鐵路的荷載直接作用在下層結(jié)構(gòu)，為垂直受力。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范，活載的作用須按最不利情況考慮。按運(yùn)營過程中承受的最大的荷載作用，即最大軸重進(jìn)行考慮。同時在有限差分模型中，可將集中力轉(zhuǎn)化為縱向均布的線荷載，其線荷載的值如下：
Ps=220/1.5=146.67kN/m（1）
3.1.2? ?動荷載
根據(jù)鋼軌的分布情況可知，在輪載力P作用下，根據(jù)碎石道床軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力情況，一般認(rèn)為列車輪載荷載主要由5～7根軌枕承擔(dān)，并通過道床傳遞給路基。
通過簡化計算，假定列車的荷載作用由5根軌枕分擔(dān)，其分擔(dān)到每根枕面上的支承力，假定分別為0.4P，0.2P及0.1P，如圖4所示。
輪載力P是按動荷載計算，具體如下：
Pd=Ps（1+αv/100）（2）
式中：Pd為動輪載，Ps為靜輪載，α為沖擊系數(shù)通過規(guī)范取值，采用無縫線路時，α=0.00；v為列車運(yùn)行速度。
拉伊鐵路正線設(shè)計速度為150km/h，支線速度為80km/h，本次針對正線速度150km/h進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)相關(guān)研究及參考規(guī)范，模擬車輛荷載對結(jié)構(gòu)的影響，通過對軌道施加車輛荷載來模擬巖土體在荷載作用下的反應(yīng)。運(yùn)用正弦波荷載定義車輛荷載的表達(dá)式如下：
F0=Ps+Pdsin（wt）（3）
式中：Pd為動輪載，Ps為靜輪載。
3.1.3? ?不同動荷載作用下
列車荷載為采用不同的次數(shù)進(jìn)行分析計算，考慮列車的行駛速度為150km/h，荷載加載次數(shù)分別為400次、800次、1200次，加載時間設(shè)為0.25s。
3.2? ?模型建立及變形計算
3.2.1? ?建模
模型計算根據(jù)工程的情況選取，本次模型計算采用有限元進(jìn)行分析，模型采用簡化模型，模型的取值范圍為170m×27m×108m（長×寬×高），模擬該范圍內(nèi)的地應(yīng)力巖土結(jié)構(gòu)分析。
本次有限元分析主要針對列車動荷載應(yīng)用過程，模型鉆孔樁、土層及橋跨結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。模型整體三維結(jié)構(gòu)共47562個單元，56789個結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。
有限元模型根據(jù)結(jié)構(gòu)模型分為橋梁結(jié)構(gòu)單元、土層結(jié)構(gòu)單元，其中橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土層單元本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。
模型邊界條件主要為有約束的邊界，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)X、Y、Z的三個方向，X、Y側(cè)邊界約束采用水平法向約束，模型低部采用固定約束，頂面不施加約束。橋梁樁位于土層中模型如圖5所示。
3.2.2? ?變形計算
模型的受力分為兩步進(jìn)行，第一步為模型的自重應(yīng)力，模型通過施加自重應(yīng)力后，即可進(jìn)行地應(yīng)力平衡，待平衡后再施加動荷載。動荷載可通過靜荷載在模型中進(jìn)行施加，動荷載加載為不斷重復(fù)過程，并通過接口程序不斷的運(yùn)行，然后記錄加載400次、800次、1200次結(jié)果。
通過計算分析可知，其最終加載1200次的應(yīng)變結(jié)果如圖6所示。同時其軌道中心線工后沉降如圖7所示。不同荷載次數(shù)的變形位移如表2所示。
根據(jù)計算結(jié)果可知：動荷載在加載400次內(nèi)，其結(jié)果變化較大，為變形高速發(fā)展過程；動荷載在加載400～800次，發(fā)生一定的變形，該過程為發(fā)展期；動荷載在加載800～1200次，變形基本趨向穩(wěn)定，變形較少，為穩(wěn)定收斂期。
運(yùn)營期最大沉降位于12-15橋臺間，考慮到結(jié)構(gòu)的塑性變形的不利因素，其最大沉降為4.21mm，滿足鐵路變形的控制要求，同時給軌道扣件預(yù)留了變形空間。
4? ?結(jié)束語
運(yùn)營期的鐵路沉降分析是鐵路建設(shè)中控制成本的重點(diǎn)考慮因素。本文針對拉伊鐵路軟土地區(qū)路基沉降問題，提出了軟土地區(qū)路基段處置措施、軟土區(qū)臨近橋臺路基處置措施和軟土區(qū)橋梁段樁基措施。
針對拉伊鐵路軟土地區(qū)橋臺路基運(yùn)營期沉降分析，通過動荷載加載400次、800次、1200次進(jìn)行變形計算，研究運(yùn)營期拉伊鐵路的軟土區(qū)橋臺路基變形。得出以下結(jié)論：
拉伊鐵路軟土區(qū)路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理措施，頂層設(shè)置500mm厚砂礫褥墊層，內(nèi)鋪土工格柵一層。路基和橋臺銜接處采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，橋臺路基相接段填筑泡沫混凝土，軟土區(qū)橋梁采用摩擦樁形式，即能夠滿足施工要求。
橋梁段運(yùn)營期最大沉降位于12-15橋臺間，其最大沉降量為4.21mm，滿足鐵路橋的安全控制要求。
橋梁段動荷載的影響過程分為高速發(fā)展期、發(fā)展期、穩(wěn)定收斂期等3個過程，拉伊鐵路軟土路基運(yùn)營期在動荷載0～400次為高速發(fā)展期，400～800次為發(fā)展期，800～1200為穩(wěn)定收斂期。
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