拉伊铁路施工过渡段路基变形控制技术研究_唐晓冬.pdf

1引言随着“一带一路”倡议的不断推进，我国交通工程建设取得了举世瞩目的成就，与此同时，我国也积极援助“一带一路”沿线的中亚国家进行铁路等交通基础设施的建设。在这过程中，往往会遇到各类复杂的地理环境和工程地质条件，大量工程项目在实施的过程中遇到了前所未有的挑战，其中之一路基及过渡段的不均匀沉降问题1。目前，国内外的学者对铁路路基及过渡段沉降的研究已有了较为丰富的成果。宋欢平等2建立了列车轨道耦合模型，得到了改变列车速度会引起加速度改变，从而对列车安全性带来影响的这一结论。王海燕等3改进了传统的分层总和法，提出了基于路基自身压缩这一理论的分层总和法，这一方法与有限元分析软件得到的结果相近，且计算方法更为简单。罗强等4通过试验发现土工格室加筋对基床的加固效果十分明显，基床产生的残余变形显著降低。本文为研究铁路路基过渡段不均匀沉降与加固措施，基于拉伊铁路实际工程项目，利用FLAC 3D建立数值模型并施加，分析铁路路基过渡段的变形特征，讨论过渡段中不同路基填料压实度和含水状态下过渡段的差异沉降程度，以期对工程实践起到一定的指导作用。2工程概况及数值模型建立2.1工程概况本文基于拉伊铁路实际工程项目，项目Lagos至Ibadan铁路线路正线长度156.075 km（双线）；Apapa港口支线工程，长度约6.513 km（单线）。线路所经地区地形呈波状起伏，地面高程海拔10650 m，相对高差100 m以上，从南至北为南部海【作者简介】唐晓冬（1971），男，吉林九台人，高级工程师，从事铁路工程研究。拉伊铁路施工过渡段路基变形控制技术研究Research on Subgrade Deformation Control Technology in Construction TransitionSection of Lagos to Ibadan Railway唐晓冬（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）TANG Xiao-dong（China Civil Engineering Construction Corporation,Beijing 100038,China）【摘要】基于实际工程项目，利用 FLAC 3D 建立数值模型研究铁路路基过渡段不均匀沉降与加固措施。研究结果表明：提高路基的刚度可减小路基的整体沉降；过渡段沉降最小值出现在其与桥台接触的位置，过渡段沉降最大值出现在其与一般的路基接触的位置；沿线路方向路基表面中心的沉降量均随着路基填料压实度的增大而减小，随着路基填料含水量的增大而增大。【Abstract】In order to study the differential settlement and reinforcement measures of railway subgrade transition section,based on theactual engineering project of railway,FLAC 3D is used to establish a numerical model and apply it,analyze the deformation characteristicsof railway subgrade transition section,discuss the compactness of different subgrade fillers in the transition section and the differentialsettlement degree of transition section under water containing state,and draw the following conclusions:(1)The overall settlement ofsubgrade can be reduced by improving the rigidity of subgrade,to reduce the differential settlement of the transition section.(2)The surfacecenter settlement of the subgrade part of the transition section gradually increases with the distance from the abutment,that is,the minimumsettlement of the transition section appears at the position where it contacts the abutment,and the maximum settlement of the transitionsection appears at the position where it contacts the general subgrade.(3)The settlement of the center of the subgrade surface along the linedirection decreases with the increase of the compactness of the subgrade filler,and increases with the increase of the moisture content of thesubgrade filler.【关键词】路基-桥梁过渡段；路基填料；FLAC 3D 软件；不均匀沉降【Keywords】subgrade bridge transition section;subgrade filler;FLAC 3D software;differential settlement【中图分类号】U213.1【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0075-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.023MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计75Construction&DesignForProject工程建设与设计积平原区、低山丘陵区、侵蚀平原及剥蚀残丘区。沿线工程相对简单，地势平坦，无隧道工程。本项工程中大量使用路基结构和桥梁结构，对路基，尤其是路基与桥梁过渡段的质量控制尤为重要。2.2数值模型建立本文采用FLAC 3D软件进行数值模型的建立与计算，FLAC 3D是目前较为常用的岩土工程数值分析软件，其基于有限差分法的原理，计算效率和准确度都具有很大的优势，软件内嵌多种常见的岩土工程本构模型，可实现岩土体自身以及与其他工程结构之间相互作用的数值模拟。路桥过渡段结构计算模型如图1所示，模型高度为28.0 m，路基高8.0 m，地基厚度为20.0 m。图 1计算模型示意图2.3材料参数选择本文中路基、地基均采用摩尔-库伦本构模型，桥台采用弹性本构模型，路基A组填料参数选取如表1所示，部分其他材料的参数选取如表2所示。表 1A 组力学计算参数状态压实度密度/（g/cm3）弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/（）泊松比潮湿0.950.930.901.901.851.80120.0100.070.065.052.037.030.028.025.00.300.300.30浸水0.950.930.902.001.951.90100.070.050.043.035.027.028.025.022.00.300.300.302.4荷载及边界条件荷载主要分为轨道结构自重荷载q1和列车荷载q2两部分，均将其简化为均布荷载，如图2所示。其中q1=17.3 kN/m2，q2=36.8 kN/m2，q=q1+q2=54.1 kN/m2。模型的边界条件为：限制地基底部3个方向的位移，基床及路基均限制Z方向位移。3数值模拟结果分析通过对不同压实度和不同含水率的路基填料模型进行计算，讨论填料压实度和含水状态对路基沉降的影响。3.1压实度对过渡段沉降的影响通过对模型中路基A组填料的压实度进行该调整，将其分别设为0.90、0.93、0.95后进行计算，得到不同填料压实度情况下的路基表面中心沉降曲线，如图3所示。由图3可知，铁路桥梁-路基过渡段的路基部分的表面中心沉降量随着距桥台的距离增大而逐渐增大，即过渡段沉降最小值出现在其与桥台接触的位置，过渡段沉降最大值出现在其与一般的路基接触的位置。同时可以发现，对于路基填料来说，无论其含水状态如何，其沿线路方向路基表面中心的沉降量均随着路基填料压实度的增大而减小。以图3a为例，路基填料的含水状态为潮湿状态时，当压实度为0.95时，过渡段与桥台接触位置的差异沉降为2.21 cm；当压实度为0.93时，过渡段与桥台接触位置的差异沉降为2.32 cm；当压实度为0.90时，过渡段与桥台接触位置的差异沉降为2.48 cm。分析其原因，当填料压实度较小时，路基内部的孔隙相对较多，孔隙率较大，在受到荷载作用时更容易被压缩，产生较大的沉降量。随着压实度逐渐增大，路基内部的孔隙减少，在受到同样水平的荷载时产生的变形量大大减小。3.2含水状态对过渡段沉降的影响通过对模型中路基A组填料的含水状态进行该调整，将其分别设为潮湿状态和浸水状态后进行计算，得到不同填料含水状态情况下的路基表面中心沉降曲线，如图4所示。表 2部分其他材料的力学计算参数材料状态密度/（g/cm3）弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/()泊松比级配碎石潮湿浸水2.302.40210.0180.075.060.040.038.00.270.27B 组填料潮湿浸水1.801.9050.040.030.025.020.016.00.350.35地基桥台1.802.6065.01 500.020.015.00.350.2510.7 kN/m23.4 m3.4 m1.9 m图 2荷载分布图76距桥台距离/m2520101550压实度 0.95；潮湿状态压实度 0.95；浸水状态压实度 0.93；潮湿状态压实度 0.93；浸水状态压实度 0.90；潮湿状态压实度 0.90；浸水状态-1-2-3-4-5-6-7-8-9沉降值/cm图 4不同路基填料含水状态下路基表面中心沉降曲线由图4可知，过渡段的路基部分的表面中心沉降量随着距桥台的距离增大而逐渐增大。同时可以发现，对于路基填料来说，无论其压实度如何，在路基填料的含水状态为潮湿状态时沿线路方向路基表面中心的沉降量均小于路基填料的含水状态为浸水状态时沿线路方向路基表面中心的沉降量。以路基填料的压实度为0.95时为例，当路基填料的含水状态为潮湿状态时，过渡段与桥台接触位置的差异沉降为2.18 cm；当路基填料的含水状态为浸水状态时，过渡段与桥台接触位置的差异沉降为3.86 cm。且随着距桥台距离的增大，两种含水状态下路基表面中心的沉降量差值逐渐增大，在过渡段与一般路基接触位置，路基填料的含水状态为潮湿状态时对应的沉降量为3.96 cm，路基填料的含水状态为潮湿状态时对应的沉降量为7.81 cm。4结论本文基于拉伊铁路实际工程项目，利用FLAC 3D建立数值模型并施加，分析铁路路基过渡段的变形特征，讨论过渡段中不同路基填料压实度和含水状态下过渡段的差异沉降程度，得到以下结论：1）铁路路基过渡段的沉降变形控制关键在于控制不同工程结构物之间的差异沉降，可通过提高该处路基的刚度来减小路基的整体沉降，以减小过渡段的差异沉降。提高路基的整体刚度可以从路基填料的性质入手，选取合适的压实度和含水量。2）过渡段的路基部分的表面中心沉降量随着距桥台的距离增大而逐渐增大，即过渡段沉降最小值出现在其与桥台接触的位置，过渡段沉降最大值出现在其与一般的路基接触的位置。3）对于路基填料，无论其含水状态如何，其沿线路方向路基表面中心的沉降量均随着路基填料压实度的增大而减