王先斌，童心豪，馮漢卿，楊小虎

(1.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100095；2.西南交通大學，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，“十三五”期間高速鐵路的累計運營里程將突破3萬km。然而，隨著運營里程的增加，運營過程中路基、橋梁、隧道等結構物的病害也會逐漸增多。路涵過渡段則是病害最為嚴重的路段[1-3]。以某一典型的高速鐵路作為例子進行說明，該鐵路建設較早，采用了大量的倒梯形過渡段。在實際施工過程中，出現(xiàn)了靠近涵洞位置壓實不密實、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)的先進技術[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。在此基礎上，采用數(shù)值計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。

1 新型路涵過渡段設計方法

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適當?shù)亟档图壟渌槭膹姸?，不斷調整配合比，尋求能夠滿足強度、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，進而提高壓實質量?；诖耍ㄟ^對比分析原材料、膠結材料的擊實度、變態(tài)漿液配比、級配碎石配比、變態(tài)級配碎石以及經濟性等方面，選取水泥與粉煤灰質量比為4∶6的變態(tài)漿液來施工。具體試驗結果見表1～表3。

表1 單位立方米變態(tài)漿液中各組份質量 kg

表2 單位立方米改良級配碎石各組份質量 kg

表3 實測力學指標對比

由表1—表3可知，養(yǎng)護時間在4 h以內，Ev2,Evd及K30隨粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，在水泥與粉煤灰質量比為4∶6時達到峰值，之后逐漸減小。之后，隨著養(yǎng)護之間的增長，峰值效應逐漸減弱，在養(yǎng)護時間達到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)場施工的復雜性和多因素影響的隨機性，偏安全考慮，選取水泥與粉煤灰質量比為4∶6的變態(tài)漿液進行施工，在滿足規(guī)范要求的前提下適當降低級配碎石的強度，保證列車運行安全。

基于上述試驗效果，結合前期的研究成果，借鑒其他行業(yè)的先進技術，建議新型路涵過渡段的設計方法如下：在橋臺后一定范圍內采用改良級配碎石(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，借助設計圖紙，在已有研究成果基礎上[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，路基邊坡外側為河流，在橋臺后3 m范圍內采用變態(tài)級配碎石，其他部位采用碾壓混凝土。具體動力學分析模型見圖1。開展現(xiàn)場取樣、室內測試等工作，對密度、含水率、模量、泊松比以及內摩擦角、黏聚力等物理力學參數(shù)進行了測試，具體結果見表4。

圖1 高速鐵路車輛-軌道-過渡段大耦合系統(tǒng)

表4 土體物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬結果

3.1 過渡段隨埋深的動力響應

高速列車通過過渡段時在加速度、動應力及豎向位移方面產生一定的響應。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，自上而下布設了15個監(jiān)測點，結果見圖2。

圖2 列車荷載作用下過渡段隨埋深的動力響應

由圖2可知：隨著深度的增加，過渡段動應力、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，填料快速消耗相應的能量，進而產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

在過渡段基床表層處的中心線布置了監(jiān)測點，設置列車行駛速度為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見圖3。

圖3 過渡段基床表層隨列車行駛速度的動力響應

由圖3可知：隨著列車運行速度的增加，應力、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，即臨界速度，進而說明列車運行速度與過渡段的動力響應并非成正比例關系。

3.3 不同軸重時過渡段隨埋深的動力響應

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

圖4 不同軸重時過渡段隨埋深的動力響應

由圖4可知：隨著列車軸重的增加，加速度、動應力變化不大，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、改良級配碎石的關鍵配比參數(shù)。

2)隨著深度的增加，路基動應力、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，填料快速消耗相應的能量，進而產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，即臨界速度，進而說明列車運行速度與過渡段的動力響應并非成正比例關系。

4)隨著列車軸重的增加，加速度、動應力變化不大，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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(責任審編 劉 莉)