高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的路基膨脹響應分析

收稿日期：2023-11-15

作者簡介：陳昌東（1991—），男，江蘇鹽城人，本科，工程師，研究方向：高鐵橋梁與路基。

摘 要：高速鐵路路橋過渡段存在雨水及地下水入滲的風險，會影響路基的穩定性。過渡段路基存在施工縫，降水時雨水會從這些縫隙滲入路基，而過渡段路基填料有一定的膨脹性，當水滲入時，路基會因膨脹而變得不穩定。為解決該問題，以某高鐵某路橋轉換區路基膨脹問題為研究對象，采用變形監測數據、水文地質資料、室內試驗與數值模擬相結合的方法，開展路橋轉換區路基膨脹變形問題的研究。根據現場實測資料進行了分析，得出離縫對路基膨脹變形有一定影響，從而導致路基的不均勻膨脹問題。在室內試驗方面，對該過渡段的材料進行力學性質測試，為后續的數值模擬提供參考數據。在找出病害原因之后提出解決方案，以減輕路基的膨脹問題，為鐵路交通的安全運行和建設提供相關的參考。

關鍵詞：高鐵路橋；過渡段軌道；軌道板離縫；路基膨脹；響應分析

中圖分類號：U213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0043-03

0 引言

高速鐵路路橋過渡段軌道板產生離縫會導致列車通過時發生劇烈振動。因此，需要采取一系列措施來確保過渡段的穩定性和安全性[1]。例如，使用特殊的填料來降低路基的膨脹性，定期檢查和維護過渡段，通過這些措施確保其長期穩定性和安全性。

為了對高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的路基膨脹響應分析，以某高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的降雨入滲為研究背景，結合現場地形地貌、水文地質條件以及實驗室研究數據，構建過渡段雨水滲透數值有限元分析模型，分析路基過渡段的變形特征與變化規律。

1 工程概況

在某高速鐵路某段高鐵線路的日常檢查中，工作人員發現該路段出現了裂縫問題。隨后，擴大了檢查范圍，發現該路段軌道板多處出現離縫。路肩側出現無砟軌道自密實混凝土與底座板離縫6 mm，深度達到了94 cm，兩線間側離縫2 mm，深度為24 cm，底座板的高低錯臺達到了6 mm。經過多方面的觀察和分析，這些裂紋產生的時間較久，已經存在相當長的一段時間了。

2 路基填料室內試驗

2.1 巖礦情況與電鏡分析

試驗對象選取4個斷面樣品以及里程DK62+370段路堤處泥巖。這些巖石呈灰黑色、硬度差、層理發育，由泥質及炭質成分組成。對這些樣品的成分分布分析后，發現泥質約占79%、炭質約占8%、玉髓約占5%、白云石約占3%。泥質成分主要由水云母高嶺石組成，鱗片狀，炭質成分呈粉末狀，玉髓成分以圓球形為主，白云石成分個別呈自形狀，石英粉砂成分呈棱角。通過對樣品進行成分分析，更好地了解路堤原風化泥巖的成分組成，從而為巖石的分類、地質演化等方面的研究提供更為詳細的數據支持。

對原巖地基巖石泥質粉砂巖和DK62+420邊坡1.5 m處進行X射線衍射分析，結果表明，DK62+420邊坡1.5 m處的樣品主要含有石英、高嶺石和方解石，其中石英的含量為81.0%，高嶺石和方解石分別為3.4%和5.1%。根據分析結果可知，填料以石英砂巖為主，含有部分炭質頁巖或炭質灰巖。這種填料的優點是穩定性好、耐磨性強、抗沖刷能力強，在道路建設中被廣泛使用。強風化泥質粉砂巖成分以石英為主，石英含量為72.8%，其次為白云母和綠泥石。這種巖石的優點是硬度較高、不易產生細碎顆粒，因此也可以作為填料使用。如果路基填料的膨脹性不明顯，說明在填料選擇和建設過程中，需要考慮填料的可塑性和滲透性，以確保路基的穩定性和耐久性。

2.2 填料膨脹性試驗

研究人員對DK62+386斷面和DK62+420斷面的土樣進行了自由膨脹率試驗和有荷載膨脹率試驗，并得出了實驗結果，各處樣品膨脹率試驗結果見表1。在進一步的研究中，選取一斷面的土壤樣品，制備出含水量為10%、15%、20%、25%的柱狀式樣，開展了直徑為150 mm，高300 mm的三軸實驗，研究了無載荷及有載荷情況下含水量對試樣縱向膨脹的影響。

填料試驗結果顯示，該填充物的最大天然膨脹率和最大荷載膨脹率分別為25.04%和0.008%。研究發現，當含水量很高時，填充體的膨脹度隨含水量的升高而增加，且膨脹系數的改變是逐步遞減的。這表明填料膨脹度與含水量成正比。荷載對膨脹量也有顯著影響，在無載荷條件下，含水量為25%時膨脹系數為18.1 mm，在垂直加載45 kPa和含水25%的情況下，加載后的膨脹量只有3.2 mm，表明加載作用對填料膨脹性能有顯著的影響。

填料的膨脹量受到多種因素的影響，包括填料的含水率和荷載作用等，在填料工程設計中，需要全面考慮填料的膨脹性及其影響因素，以確保工程的穩定性和耐久性。

3 路基膨脹數值分析

通過對該地區全年降雨情況分析后發現，該地降雨時間長，夏季雷暴天氣多，地下水位全年有著明顯的變化。為此建立了過渡段有限元模型，有限元模型如圖1所示。

模型約束是加固設計中的重要環節，側面約束水平位移，地面約束水平和豎直位移，保證模型在加固過程中的穩定性。將地表面設置為降雨邊界，雨強按面流量施加。當降雨量超過土體入滲量時，改變為零壓邊界，并產生徑流。土體和褥墊層采用平面應變單元，過渡段采用板單元。采用三角形網格對模型進行網格劃分，能夠準確地模擬土體的變形情況。

荷載計算是加固設計中的重要環節，根據規范對軌道及列車荷載換算土柱高度和分布寬度進行取值，確保在加固過程中，荷載得到合理的計算和施加[2]。過渡段設計是橋梁加固中的一個重要環節，底部寬度5 m，斜坡125 m，頂部寬度20 m，計算長度80 m，高度60 m。用CFG樁進行方法進行加固，樁的長度為12 m，直徑0.5 m，距離橋臺0～20 m的區域為正方形布置，間距1.5 m。距離橋臺20～80 m的區域為正方形布置，間距2 m。確保橋梁得到有效的加固并具有更好的穩定性和安全性。

3.1 降雨參數設定

為了更準確的預測路基變形和穩定性，有限元分析中需要考慮降雨參數的影響。為了提供一個統一的標準，采用平均降雨量的方法來設定降雨參數。這種方法通過統計歷史降雨數據，計算出平均降雨量，并將其用作模擬分析的降雨參數。其中，日降雨量和降雨總時長是最常用的參數。但在實際降雨情況中，不同季節和地區的降雨情況可能會有很大的差異，在模擬分析中，需要考慮不同降雨強度和降雨持續時間對路基的影響，這樣可以更準確地預測路基的變形和穩定性，提高道路的安全性和可靠性。

3.2 降雨工況設置

為分析過渡段降雨情對路基變形的影響，研究人員根據四季降雨設置了4種降雨工況。

為了研究不同季節的降水條件下路基變形情況，進行了不同工況的設置，具體工況設置如下：①工況1。在離縫和軌道板裂縫之前30 d，每天平均降水5.1 mm。并對此路段的日降水5.1 mm及一月份后的路基變形情況進行計算。一月后對該工程進行50 kPa的加載試驗，并對其進行了載荷作用下的路基情況進行檢測。②工況2。針對梅雨季節進行模擬，分析了7 h小雨和7 h中雨條件下的道基變形。在此基礎上，以50 kPa的荷載作用，檢測降雨對路基變形的作用。③工況3。針對夏季的雷雨進行了數值進行模擬，分析了暴雨2 h、大雨2 h、中雨2 h、小雨6 h后，路基的變形狀況。在施加50 kPa的載荷后，再對其進行觀測。④工況4。以中等強度降雨為例，研究大雨1 h、中雨1 h、小雨8 h后的地基變形，并在此基礎上以50 kPa的荷載作用，進一步檢測降雨對路床表面的作用。

3.3 結果分析

工況1的降雨數據來源氣象局的實測數據和降雨模擬軟件。在得到降雨數據后，本文對10、20、25、30 d和荷載作用下的路基變形及概況做分析。研究結果表明，路基的膨脹系數差異不大，而交接部的膨脹系數有很大的差異。例如，經過30 d的大雨，橋臺錐坡處的膨脹量達到了18.81 mm，橋臺的膨脹量僅為2.54 mm，過渡段20 m范圍內的膨脹量則達到了16.27 mm。50 kPa荷載時，路基面膨脹量顯著降低。路基段與倒梯形過渡段處的差距也減小。

因此，在鐵路建設和維護中，需要對路基面變形情況進行及時監測和維護，以確保鐵路運行的安全性和穩定性。在降雨30 d后，路基的膨脹量明顯大于20 d和10 d，這表明持續降雨時路基面膨脹的一個重要原因。

根據工況2和工況3的實驗數據，不同的降水條件下，地基膨脹量隨降水的增加而增大，路基在降雨150 h的膨脹量為10.880 mm。說明即使降雨不是很強，長時間的降雨也會導致路基膨脹。在工況3中雨量中等，在12個h連續降水條件下，路基表層最大沉降量為9.753 mm，這表明路基最大膨脹量還與降雨持續時間有關[3]。

試驗結果表明，在不同的降水狀態下，路基變形的程度大小是不一樣的。在進行實驗中，研究人員考慮了不同降雨條件下的路基膨脹深度，并發現其中工況4降雨條件對路基膨脹深度的影響最大，達到了5.88 m。這些實驗結果并不是完全一致的，因此在實際工程中還需要具體情況具體分析。在進行路基設計時，應該根據所處地區的降雨條件以及路基填料的特性，合理地進行設計和施工，以保證路基的穩定性和安全性。

4 結束語

通過該研究發現，過渡段路基填料的微膨脹性和離縫現象對鐵路交通的安全性產生了一定的影響。因為過渡段路基填料具有一定的微膨脹性，所以填縫材料在使用過程中會發生微小的膨脹現象，而離縫會導致填縫材料的膨脹更加明顯。裂縫很容易積累雨水，使其更易于滲入路基，從而給路面帶來不可避免的損壞。

在強降雨時，這種問題會變得更加突出。路基遇水后發生了一定程度的膨脹，裂縫的出現使得路基膨脹量增大，降水滲透的作用區域與降水的強弱密切相關。降雨強度越大，持續時間越長，入滲的范圍就越廣，對路面的影響也就越大。

倒梯形轉換路段與路基之間的伸縮膨脹差異及土體向外部膨脹力共同對路基產生擠壓效應，導致路面變形，而高強型的鋼軌面板能有效地改善這種現象。在列車載荷作用的影響下，軌道板不斷受到荷載沖擊和膨脹所產生的擠壓力。這些力量會導致軌道板表面的離縫現象更加明顯，軌道板表面的離縫在過渡段得到發展的概率也更高。

在高速鐵路路橋過渡段的建設中，微膨脹土作為路基填料使用會導致病害的產生，因此，應盡量避免使用微膨脹土，并加強防水入滲工作，從材料源頭上控制病害產生，保障高速鐵路的運營安全。

為了解決這些問題，需要對過渡段路基填料進行改進和升級。例如，在填料中添加適當的添加劑，可以減少填料的膨脹性和離縫現象。此外，還可以對軌道板進行改良，增加其抑制不均勻變形的能力，從而提高軌道板的使用壽命和安全性。

參考文獻

[1] 程建軍，王瑞，祁延錄，等.無砟軌道涵洞過渡段路基膨脹引起的軌道上拱響應[J].中國鐵道科學，2020，41（6）：10-19.

[2] 鄭明新，熊浪，任勇江，等.高鐵路橋過渡段軌道板離縫引起的路基膨脹響應分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2023， 42（2）：52-59.

[3] 王夢田，王瑞，程建軍，等.路橋過渡段基床填料膨脹誘發無砟軌道上拱規律研究[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（3）：645-652.