陈智刚,华永利，盛世勇，蔡 磊，周鹏鹏，李 盛

(1.兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070；2.中国铁路兰州局集团有限公司 工务部，甘肃 兰州 730030)

随着西北高等级城际铁路和高速铁路的大量建设,为满足跨线管线的检修、线路两侧排泄洪及通行的要求,需要在铁路下方修建涵洞,采用顶进施工,形成顶进涵洞。在顶进涵的施工及使用过程中,由于过渡段内回填材料与其周围路基在强度、刚度等力学性能上有较大差异,当同时承受一定程度荷载时,二者易产生不协调变形。

国内外学者针对铁路涵洞过渡段这个薄弱位置进行了一系列的研究,并取得了一定的成果。李铠[1]选择武广高速铁路某涵路过渡段为研究对象,采用有限元软件进行仿真分析,研究了涵路过渡段在列车荷载作用下的动响应特征。王于等[2]运用车辆-轨道耦合动力学理论,以有碴轨道和无碴轨道的过渡段为例,进行车辆-轨道过渡段垂向动态相互作用的仿真研究,指出在确定轨道过渡段长度时,所采用的动力学性能评价指标,提出确定轨道过渡段长度的方法。童发明[3]采用现场测量和数值模拟相结合的方式,对相邻两座铁路涵洞的过渡段的沉降位移和地理特征做了研究。李朝刚[4]结合石武客运铁路桥涵过渡段,对其过渡段采用级配碎石填筑得到一些技术要点。陈煌斌[5]结合气泡混合轻质土路堤的设计理论对气泡混合轻质土工程特性和工程应用进行研究,总结了其在路桥过渡段的结构设计方法,并从过渡段横断面及纵断面两方面对顶进涵竖向位移随填土高度的变化进行简要探讨。杜嘉俊[6]等人以实际工程为背景,对涵洞过渡段的施工、回填材料要求、质量检测指标等方面做了要求。王向峰[7]对铁路涵洞过渡段进行现场振动压路机碾压试验,得出振动压路机在过渡段作业时对涵洞作用的动应力大小以及碾压填料时的有效碾压深度。陈峰[8]等人对涵洞竖向压力与路堤填土高度和涵洞宽度之比进行研究,对过渡段的竖向压力的变化规律进行分析。

上述研究结果表明,对铁路桥梁涵洞过渡段的研究大多通过理论分析和数值模拟相结合的方式,集中于对原有地基与过渡段本身的动力特性与应力响应进行研究,并未充分考虑在列车荷载作用下,回填土与原状土之间存在的力学性能差异会对顶进涵过渡段的竖向沉降产生影响。基于上述情况,本文利用有限元软件对列车荷载作用下采用不同回填料时的涵洞过渡段进行数值模拟,并对其竖向沉降进行分析与研究。

1 数值模拟

采用有限差分软件FLAC3D对西北地区铁路新建顶进涵过渡段进行数值建模计算,分析不同回填料及不同回填高度下顶进涵过渡段沉降的变化规律。

1.1 基本假定

在数值模拟的过程中,遵循以下基本假定:土体按水平层状分布,假定土体材料的力学特性符合摩尔-库伦准则,依据岩土力学相关理论,忽略箱涵顶进施工中开挖对土体弹性模量的影响;考虑到顶进涵过渡段在垂直于列车行驶方向受荷及变形较均匀,故将研究视为平面应变问题。

1.2 材料参数

回填料分别采用级配I碎石掺5%水泥、素混凝土以及泡沫混凝土,其参数如表1所示,地基土参数如表2所示。

表1 回填材料参数

表2 地基土参数

1.3 模型建立

采用有限差分软件FLAC3D建立计算模型,模型尺寸为90 m×42.4 m；顶进涵涵洞采用矩形截面,净空高为3.8 m,宽度为10 m,边墙厚度为0.8 m,顶板及底板厚度均为0.8 m,初始埋深2 m；回填区域边坡率为1∶1，顶进涵过渡段模型如图1所示。在数值模拟时,为了方便对顶进涵过渡段采用不同回填料时的沉降进行监测,在过渡段表面位置处布置19个测量点。考虑到顶进涵采用箱涵,结构左右对称,故布置位移测点时仅布置于顶进涵过渡段的单侧。其中,测点10为路基与顶进涵过渡段的交点，测点布置如图2所示。

图1 计算模型(单位: m)

2 计算结果与分析

2.1 过渡段采用不同回填料时的沉降分析

级配I碎石掺5%水泥、素混凝土以及泡沫混凝土做回填料时过渡段的沉降曲线分别如图3～5所示。

图3 级配碎石掺5%水泥做回填料时过渡段的沉降对比

图4 素混凝土做回填料时过渡段的沉降对比

图5 泡沫混凝土做回填料时过渡段的沉降对比

由图3～5可知,当顶进涵过渡段分别采用级配I碎石掺5%水泥、素混凝土、泡沫混凝土作为回填料时,过渡段沉降曲线均呈现先减小后增大变化规律,除W3、W5的泡沫混凝土外,其他曲线均在测点10处发生斜率突变。

1)当采用级配Ⅰ与级配Ⅱ碎石掺5%水泥作为回填料时,最大沉降出现在测点10处,最大沉降值分别为8.03 cm和8.07 cm。

2)当采用C15与C20素混凝土作为回填料时,最大沉降出现在测点10处,最大沉降值分别为7.10 cm和7.11 cm。

3)当采用容重等级为W3-W11的泡沫混凝土作为回填料时,W3与W5最大沉降出现在测点9处,沉降最大值分别为-6.66、-6.47 cm,W7-W11最大沉降值出现在测点10处,最大沉降值分别为-6.62、-6.80、-6.98 cm。

由以上分析对比可知,当采用泡沫混凝土作为顶进涵过渡段的回填料时,沉降值相较于级配I碎石掺5%水泥和素混凝土是最小的,随着泡沫混凝土容重等级逐渐减小,沉降曲线的斜率变化逐渐平缓。其中,W3、W5泡沫混凝土未发生斜率突变,但是W5在测点9处的沉降值最小,更有利于列车的平稳行驶;相同回填料在改变参数时,沉降曲线无明显的变化,说明参数在一定的范围内改变时,对回填料的变形性能影响较小。

2.2 不同填料在不同回填高度下的沉降分析

为了进一步研究回填高度对过渡段沉降的影响,提高该研究在实际工程中的适用性,选取3种回填料中变形性能相对较优的级配I碎石掺5%水泥、C15素混凝土、容重等级为W5的泡沫混凝土进行分析研究。图6～8分别为采用级配碎石掺5%水泥、C15素混凝土以及容重为W5的泡沫混凝土时,在不同回填高度下过渡段各测点沉降量的变化曲线。

图6 级配碎石掺5%水泥做回填料时过渡段的沉降对比

图7 素混凝土做回填料时过渡段的沉降对比

由图6～8可知,随着回填高度的增加,沉降曲线整体下移。其中,回填料为级配I碎石掺5%水泥时,测点10处的沉降值由6.58 cm增大至8.20 cm；回填料为C15素混凝土时,测点10处的沉降值由6.60 cm增大至8.18 cm；回填料为W5泡沫混凝土时,测点10处的沉降值由6.46 cm增大至7.89 cm。对比分析沉降曲线可知,分别采用级配I碎石掺5%水泥、C15素混凝土、容重等级为W5的泡沫混凝土时,最优回填高度均为1 m。

图8 泡沫混凝土做回填料时过渡段的沉降对比

2.3 不同填料在同一回填高度下的沉降分析

由图9可知,不同填料的回填高度分别为1、2、3、4 m时,过渡段沉降曲线的变化趋势基本相同。对比沉降曲线可得,在列车荷载作用下,过渡段采用容重等级为W3的泡沫混凝土为回填料时沉降值最小；采用级配碎石掺5%水泥和素混凝土为回填料时,过渡段的沉降曲线变化规律接近。因此在不同回填高度的情况下,为考虑列车行驶的平顺性,宜选择容重等级为W3的泡沫混凝土作为过渡段的回填材料；当回填高度为4 m时,3种回填料沉降曲线最为接近,仅在路基与过渡段交界处差别较大。因此,当回填高度增加至一定高度后,若采用适当技术措施对路基与过渡段交界附近的沉降做进一步控制时,则3种材料均可考虑作为过渡段回填材料。

(a)回填高度为1 m

3 结论

1)在列车荷载作用下,顶进涵过渡段采用级配碎石掺5%水泥或者素混凝土作为回填料时,过渡段沉降曲线基本重合,最大沉降出现在测点10处。采用不同容重的泡沫混凝土作为回填土材料时,沉降值明显减小,采用容重等级为W5的泡沫混凝土时,测点10处的沉降值最小且曲线更加平缓,更利于列车的平稳行驶,为最优回填料。

2)选取级配Ⅰ碎石掺5%水泥、C15素混凝土及容重等级W5的泡沫混凝土为变形性能最优的回填料时,随着回填高度的增加,所有测点处的沉降值均增大,沉降曲线整体下移。由此可知采用不同回填料时,最优回填高度均为1 m。

3)回填料均为泡沫混凝土。当过渡段回填高度为4 m时,素混凝土或级配碎石掺5%水泥也可作为回填料,但须对路基与过渡段交界处的沉降做进一步控制。