某市中低速磁悬浮新型U型槽低置路基结构变形分析_熊志鹏.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202203086开放科学（资源服务）标识码（OSID）某市中低速磁悬浮新型 U 型槽低置路基结构变形分析熊志鹏1，李学友2（1.高速铁路线路工程教育部重点实验室，西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.中铁二局第四工程有限公司，成都610300）摘要：依托某市中低速磁浮交通示范线，对比研究 U 型槽有无顶板的两种新型路基结构型式不同地基处理方式下的变形特点。总结归纳复杂场地磁浮交通路基地基加固处理技术，并通过建立三维有限元模型，证实了新型路基结构及相关地基处理方法的有效性及合理性，对比分析了中低速磁浮交通路基结构静力学行为规律。研究结果表明：需采用合适的地基处理方式以有效减小地基沉降，且 U 型槽有顶板结构下旋喷桩处理地基效果最佳；同时，两种新型路基结构采用不同地基处理措施的刚度差别不大，均能保证整条线路线下基础的刚度在交界处平滑过渡。关键词：中低速磁浮；路基结构；地基处理；数值分析；模态分析中图分类号：U212.32文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0195 06 0 引言磁悬浮交通具有高速、低噪、环保、经济和舒适等特点。早在 19 世纪 20 年代就己提出了磁悬浮列车的设想，但直至 60 年代才与多种电工新技术的发展紧密结合，认真开展了有关的基础性研宄，出现了初始的示范性模型实验车。德国于 1980 年在埃姆斯兰开工建设一条 Transrapid 试验线，1983 年正式投入试验运行，达到了 300 km/h 的运行速度1。1989 年的横滨博览会后，日本航空公司、爱知县行政区与名古屋铁路公司联合成立了Chubu HSST开发公司来推进 HSST 的商业化，先后推出了 HSST-100、HSST-200 和 HSST-300 三类应用型常导磁浮列车系统，确定了“常导磁悬浮直线电动机车辆”的基本构造2。我国磁浮研究起步较晚，从上世纪 80 年代着手研究磁浮列车技术，目前的磁悬浮技术研究仍然处于技术积累的阶段3-8。目前，世界各国的磁悬浮列车线下结构多以高架线路为主，采用 1632 m 的箱型简支梁或连续梁9-13。而我国的长沙低速磁悬浮试验线有800 m 的区段采用了低置线路14，即在传统的路基结构上架设轨道梁，全世界范围内极少有釆取过这样结构形式的案例。从既有的研究成果来看，对传统的轮轨列车-桥梁系统耦合振动，研究成果已非常丰富。当前，诸多国内外学者正在致力于磁浮列车-桥梁系统的耦合振动研究，成果颇丰，既有中低速磁悬浮研究成果大多数集中在高架线方面的研究。几乎没有采用路基结构形式，涉及到路基方面的研究成果目前未见公开报道。按照目前既有的研究结果，中低速磁浮交通路基承载结构仍处于初步研究阶段，尤其是对于新型路基的结构形式及线下路基结构的力学行为特性尚无具体的研究结果。本文从磁浮交通新型路基低置结构建造技术着手，基于在路堑双线地段采用 U 型槽结构形式，低路堤地段采用 U 型槽组合顶板结构形式路基低置结构。对下部路基采用旋喷桩与素混凝土桩结合施工的方法，有效地保证了线路路基的可靠性并有效降低了工程成本。建立磁浮列车荷载、承轨梁台、低置结构、地基耦合系统的有限元模型，获得中低速磁浮交通新型路基低置结构及复合地基的力学响应规律，对比评价不同低置路基地基加固处理的有效性及合理性，为类似工程及相关设计规范的优化提供借鉴。收稿日期：2022 05 07基金项目：国家自然科学基金项目：中低速磁浮交通新型路基及承轨梁台结构建造技术研究（R10120H283）作者简介：熊志鹏（1997），男，江西景德镇人。硕士研究生，从事铁路路基方面的研究工作。E-mail：。熊志鹏，等：某市中低速磁悬浮新型 U 型槽低置路基结构变形分析 195 1 工程概况 1.1 工程简介某市中低速磁浮交通示范线工程线路全长10.235 km，除 278.4 m 隧道及车辆段内 663.0 m 特殊路基外，其余线段均为高架线。车辆段内三条线路均采用路基结构形式，663.0 m 长的路基与站场，线路平面、实景，见图 1。路基主体结构采用C35 钢筋混凝土封闭式路堑。特殊路基在不同位置根据土层承载力大小，采用高压旋喷桩或素混凝土桩进行地基处理，并铺设碎石垫层，要求复合地基承载力分别大于 200、300 kPa。出入线起点RDK0+000.00出入线终点RDK0+506.640+050.000+100.000+150.000+200.000+250.000+300.000+350.000+400.000+450.000+500.00试车线起点SDK0+000.00试车线终点SDK0+329.510+050.000+100.000+150.000+200.000+250.000+300.00北京地铁石门营车辆段（a）平面（b）实景图1中低速磁浮交通示范线（S1 线）工程平面、实景 1.2 地质概况特殊路基场地位于坡洪积地带，场地内主要分布填土及混合土，工程地质，见表 1、图 2。表1特殊路基工程地质地层地质参数粉土填土（Qml）=1.75 g/cm3，Cu=8 kPa，u=10，0=80 kPa，fi=20 kPa-1漂石填土（Qml）（漂石最大粒径不小于500 mm）=1.70 g/cm3，Cu=5 kPa，u=12，0=110 kPa，fi=60 kPa-2杂填土（Qml）=1.71 g/cm3，Cu=8 kPa，u=12，0=80 kPa，fi=30 kPa-61粉土（Q41dl+pl）=1.93 g/cm3，Cu=15 kPa，u=26，0=160 kPa，fi=55 kPa-63粉质黏土（Q41dl+pl）=1.97 g/cm3，Cu=25 kPa，u=17，0=150 kPa，fi=50 kPa-60含粉土碎石（Q41dl+pl）（局部夹漂石，最大粒径不小于300 mm）=2.08 g/cm3，Cu=8 kPa，u=30，0=260 kPa，fi=120 kPa-63粉质黏土（Q41dl+pl）=2.01 g/cm3，Cu=27 kPa，u=16，0=200 kPa，fi=55 kPa 高程/m高程/m115SDK0+000.00113.00RDK0+000.00113.0+100.00115.64+200.00115.57+300.00116.30+400.00116.00+506.00116.88+120.31113.00+329.51113.001101051009511511010510095（a）试车线（b）出入线出入线设-63-63-60Q41dl+pl-63Q41dl+pl-61Q41dl+pl-63Q41dl+pl-61Q41dl+pl-1Qml-1QmlQml-2QmlQ41dl+pl-60Q41dl+plQ41dl+plQ41dl+plQ3dl+p-60Q3dl+p-64试车线设计高程计高程图2线路地质剖面 试车段：本场地内填土层普遍分布，主要为粉土填土、杂填土，厚度约 0.34.5 m；拟建场地存在坡洪积粗粒混合土，含粉土碎石、含粉土碎石、含粉土碎石，混合土主要成分为碎石，充填物为黏性土和粉土；根据本次勘察结果，拟建场地基岩面起伏较大，基岩表面普遍分布一定厚度的全风化、强风化带，全风化、强风化岩单轴抗压强度较低，稳定性差，桩基设计需考虑其对工程的影响。出入段：本场地内填土层普遍分布，主要为粉土 填 土、杂 填 土 和 漂 石 填 土，一 般 厚 度 约1.05.8 m，填土为松散-稍密土层，力学性质差异较大，稳定性差，不宜直接作为地基、路基的持力层；拟建场地存在含粉土碎石、含粉质黏土碎石、含粉土碎石，混合土主要成分为碎石，充填物为黏性土和粉土，混合土的物质成分对其物理力学性质有较大影响。1.3 路基结构工程采用 U 型槽或 U 型槽+顶板的低置结构，其上现浇分节段设置的空心式承轨梁，化曲为路基工程 196 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）直，且严格确保小半径曲线地段墙身不侵界。两种新型路基结构形式，见图 3。（a）U型槽结构（b）U型槽+顶板结构承轨梁台U型槽旋喷桩/素混凝土桩U型槽承轨梁台旋喷桩/素混凝土桩顶板图3两种新型路基结构形式 2 路基加固处理 2.1 路基设计方案综合考虑线路设计标高、建设用地、施工可行性、工程造价等因素，考虑设计 U 型槽、U 型槽+顶板等不同的特殊路基结构及旋喷桩和素混凝土桩 2 种地基处理方式。对于地基处理，就技术上相对较为成熟的旋喷桩、素混凝土桩 2 种地基处理方式予以横向比较、最终确定。路基结构：针对出入段线，RDK0+52.40+300.00 段，线路为并行的双线，采用 U 型槽的路堑结构；针对试车线，SDK0+221.00+329.51 段，线路高程较高，采用 U 型槽+顶板的低路堤结构。地基处理：选用传统软土应用技术相对成熟的高压旋喷桩、素混凝土桩等分区对地基予以处理。对于出入段线，RDK0+000.00+506.40 段基坑开挖后基坑底以下采用旋喷桩加固，桩径 0.6 m，矩形布置，横向和纵向桩间距均为 1.5 m。对于试车线，SDK0+000.00+251.00 段基坑开挖后坑底采用旋喷桩加固，桩径 0.6 m，矩形布置，横向和纵向桩间距均为 1.5 m；SDK0+251.00+329.51 段U 型结构坑基底采用 C35 素混凝土钻孔灌注桩加固处理，桩径 0.6 m，横向间距 1.8 m，纵向间距2.0 m。2.2 工后沉降监测为观测研究静荷载作用时路基结构的荷载分布情况及施工完成后路基的自然沉降数据，需进行现场路基沉降观测试验。在试车线、出入段线路基SDK0+282.00 处及 RDK0+238.00 处分别新钻 6 个直径为 10 cm 的孔洞，孔深分别为 10、5、3 m 各两个，纵向间距 1 m，成孔后在桩底分别放置单点沉降计和沉降观测标。于 2016 年 11 月 12 日完成了静态数据采集系统安装后，一并开始收集静态数据采集工作。部分沉降观测数据统计分析，见表 2。表2沉降观测标数据统计分析里程路基、地基处理形式断面初始数据/m目前数据/m沉降值/mmSDK0+282U型槽+顶板结构素混凝土桩左110.545110.5405右110.545110.5394RDK0+238U型槽结构+旋喷桩左112.666112.6624右112.665112.6614 路基结构工后沉降值应满足相关规范的要求。其任意段路基的工后沉降应小于 30 mm 的限值。由于路基断面施工期间固结沉降变化速率较快，在上部路基结构施工期间固结沉降约为 24 mm，静置期间沉降无明显变化，上部轨道梁施工后沉降随时间继续增大，增加至 5 mm 左右基本稳定，由此可知，静置后的工后沉降甚小，满足规范要求。3 数值模拟根据初步设计的特殊路基结构及地基处理方式，建立 6 种计算模型：U 型槽+旋喷桩（双线路堑）、U 型槽+顶板+旋喷桩（低路堤）、U 型槽+素混凝土桩（双线路堑）、U 型槽+顶板+素混凝土桩（低路堤）及 2 种无地基处理的特殊路基结构。每种结构选取一个代表性节段，运用 PLAXIS3D 软件进行仿真分析。荷载工况采用考虑 40 t 的磁浮列车静载，换算至每延米荷载 25.4 kN，每一个承轨台的均布荷载约 61.38 kPa。双线路段时，考虑双向同时有磁浮列车走行的最不利情况。钢筋混凝土及桩身视为线弹性材料，土体采用摩尔-库仑本构模型，模型材料参数，见表 3。地层参数，见表 4。模型几何参数，见表 5。表3材料参数部件材料E/kPa/（kNm3）部件材料E/kPa/（kNm3）承轨梁台C35钢筋混凝土3.150107260.2垫层C20素混凝土2.550107200.2U型槽回填3%水泥稳定级配碎石2.326106210.3承轨梁底板C35钢筋混凝土3.150107260.2基床级配碎石2.000106210.3回填混凝土C30素混凝土3.000107