（岩土工程专业论文）路桥过渡段的三维动力分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 基于大量的文献，本文借助实际工程资料，利用数值模拟手段，分析了列车 荷载作用下路桥过渡段的变形情况，以及过渡段的设置形式、材料刚度、过渡段 的尺寸等对路基表面沉降的影响，并利用实测数据进行了验证，得到了一些有益 的结论。主要内容如下： 1 、本文根据列车荷载的实测数据，模拟了列车荷载在路基表面的分布情况。 2 、利用f l a c 3 d j 星序建立了路桥过渡段的有限差分模型，模拟了动荷载作用 下过渡段的变形在线路纵向、横向及路基深度方向的变化规律及过渡段设置形式、 材料刚度、过渡段的尺寸对变形的影响。 3 、将数值模拟计算的路桥过渡段沉降值与秦沈客运专线实测沉降值进行比较 分析，得到了一些结论。 关键词g 路基；路桥过渡段；沉降；三维数值模拟；动荷载 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 abstract a b s t r a c t b a s eo i lv a s tl i t e r a t u r e sa n de n g i n e e r i n gd a t u m , t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed e f o r m a t i o n r e g u l a r i t yo fb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o n , s u c ha s ，t h es e t t l e m e n t so ft r a n s i t i o nu n d e r d y n a m i cl o a d , t h ed i v e r s i f i c a t i o no fs e t t l e m e n t su n d e rd i f f e r e n tf o r m a t , m a t e r i a l s t i f f n e s s , a n dd i m e n s i o n c o n t e n to f t h i sp a p e ra r e 舔f o l l o w s ： 1 1 1 b ed y n a i n i cl o a d s w h i c ha r ea c t e do i lr o a d b e di sv e r yc o m p l e x b a s e do nt h e r e s u l t so f t h es i t et e s t , t h er e g u l a r i t yo f t h et r a v e l i n gl o a dw a ss i m p l yc o n f i r m e d 2 1 1 f i n i t ed i f f e r e n c em o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s i n gp r o g r a mf l a c 3 d 也e l o n g i t u d i n a l ，t i b n s v o r s ca n di n - d e p t hs e t t l e m e n t so f t r a n s i t i o nu n d e rd y n a m i cl o a dw e r e s i m u l a t e d , a n dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha sf o r m a t , m a t e r i a ls t i f f n e s s , a n d d i i n e n s i o ni sa l s os t u d i e d 3 t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw a sc o m p a r e dw i t ht h es i t e t e s tr e s u l t s , s o n l ec o n c l u s i o nw a s g a i n e d k e y w o r d s ：i d a d b o d ；b r i d g e - s u b g r a d e ：s e t t l e m e n t ；t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d y n a m i cl o a d c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：喜r 今 签字日期叼年嗍巾 导师签名彳灵加埠 签字日期： u 7 年fz 月叮日 北京交通大学硕士学位论文 独刨性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谳 签字日期： d 7年协月一日 致谢 论文的最后，我想对我的恩师侯永峰副教授表示深深的敬意和诚挚的感谢! 侯老师在学术上的造诣一直使我敬慕不已，做了他的学生之后，我更敬佩导师那 严谨、科学、正直的作风以及孜孜不倦的学习态度，在我做论文的每一个阶段， 侯老师都严格把关，不容半点马虎，他对科研及教学事业一丝不苟、执着追求的 精神给我留下了深刻的印象。对我的论文，侯老师倾注了大量的心血，虽然担任 领导职务，管理上的工作较多，但侯老师从来都是一丝不苟，悉心地指导我的学 习，我想对这几年来给予我极大关怀和帮助的侯老师，表示深深的谢意! 侯老师 是我学习和做人的榜样! 感谢刘建坤等老师对我学习上的帮助l 感谢师兄田亚户，肖军华，曲俊彪等对我学习上的指导。 感谢我的同学加挚友：阮松，陈书丽，张均洁，盖起磊，盖怀涛等2 0 8 实验 室全体同学在学习上对我的帮助。 感谢我的男朋友吴涛在生活上对我无微不至的关怀，学习上对我时时刻刻的 劝诫。 最后感谢我的父母、兄嫂以及我的亲人，感谢他们在这过去的2 0 多年时间里 对我的关爱。他们博大的爱让我的人生充满感激。 孟凡会 2 0 0 7 1 1 于思源楼 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 i 高速铁路与路基概况 1 1 i 高速铁路的发展对路基的要求 目前世界上对高速铁路的一致认识是指正规运营中最高速度达到2 0 0 k m h 以 上、旅行速度超过1 5 0 k m h 的铁路。我国高速铁路的发展在世界各国中处于较落 后的地位，目前已建成的秦沈客运专线时速可达到1 6 0 h n h 以上，设计速度 2 0 0 k m h ，其中局部冲高3 0 0 k m h ，基础设旎预留提速至2 5 0 k i n h ( 甚至更高) ，是 一条集中新技术、新工艺、新设备于一体的高新技术系统工程正在建设的京沪 高速铁路是中长期铁路网规划) 中投资规模最大、技术含量最高的一项工程， 也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路，正线全长约1 3 1 8 公里，与既有京 沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线，设计时速3 5 0 公里，初期运营时速3 0 0 公里，共设置2 1 个客运车站。该项工程预计5 年左右能够完成，2 0 1 0 年投入运营【l 】。 高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新的挑战，在许 多方面深化和改变了传统的设计观念或思想。高速行车对轨道变形有严格的要求， 因此变形问题便成为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。尤其是路基，过去按 强度破坏设计，而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出 现了不能容许的过大变形。这方面出现问题的铁路有很多，例如日本东海道新干 线的设计时速为2 2 0 k m ，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了 路基的强化，以至从1 9 6 5 年开始，因为路基的严重下沉，使线路变形严重超限， 路基病害不断田。 德国著名的高速铁路专家e i s e n m a n n 指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷 载的基础，如果选择了合理的刚度( 弹性模量) ，则能明显她影响轮载的分配，可 以使轨面的最大支承力减少6 0 7 0 ，而且还可以改善基床动应力的分布，减 弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。但这并不是要求路基 不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳定运行，而只能 依据着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行1 3 1 为了解决复杂的路基变形问 题，日本和欧洲各国采用了高标准的昂贵的强化轨道结构和高质量的养护维修技 术。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 总之，高速铁路的运行不仅要求路基满足刚度要求，还对路基的轨道变形提 出了要求。刚度要求能够使轨砸支撑力合理分布，把列车荷载的影响减弱到最小； 对轨道变形的要求是使轨道变形控制在不影响高速铁路行车的范围内。这两方面 的要求也就是满足平顺性的要求。另外，高速铁路路基基底处理技术，并对基床以 下路堤及基床底层的填筑，基床表面级配碎石填筑。过渡段填筑等路基的填筑施工 等方面也有更高的要求。 1 1 2 高速铁路路基特点 高速铁路路基具有一般路基的共同特点： ( 1 ) 路基建筑在土石地基上并以土石为建筑材料 岩石和土都是不连续介质。各种岩石的性质差异悬殊，并具有多种结构面， 使其被分割，甚至破碎；土的成因、成分、结构、构造也各不相同；在自然应力 和人类活动作用下，土石的工程性质更在不断交化所以，在工程设计中，如何 取锝正确反映土石工程性质的物理力学指标和如何建立表达土石的应力应变一 时间关系的本构模型，己成为岩土工程的重要研究内容。 ( 2 ) 路基完全暴露在大自然中 在线路工程中，路基除可遇见各种复杂的地形、地质条件外，还常受严寒、 酷暑、水位涨落、急风暴雨等气候、水文以至地震等自然条件的影响，从而引发 路基的各种病害，如膨胀土路基千缩湿胀引起路基边坡坍落；南方阴雨和北方冬 冻、春融引起路基隆起、下沉、翻浆冒泥等线路病害，雨季引起大滑坡；西北风 蚀沙埋路基等。所以，认识和克服自然灾害，是路基工作的重要内容。 ( 3 ) 路基同时受静荷载和动荷载的作用 路基上的轨道结构和附属构筑物产生静荷载，列车运行产生动荷载。动荷载 是造成基床病害的主要原因之一【1 。研究土体作用下的变形、稳定问题，必须了 解土的动力性质，包括上的动强度和液化、动孔隙水压力增长及消散模式、土的 震陷等。一些新的测试手段和计算模型的出现，为进一步深入研究基床土动力响 应提供了更完善的条件无论是路堤、路堑，还是不填不挖路基，都可因外荷载 作用而引起土中原有应力平衡发生变化。这些变化是路基设计的依据，所以应充 分掌握外荷载作用的性质和强度，及由此而引起的路基内的应力、应变及土体稳 定问题。 高速铁路路基与普通路基的不同之处也有很多高速铁路运行速度快、技术 标准高、对路基的要求严格，控制路基变形已成为高速铁路路基的最大特点。控 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 制路基变形就是要控制列车行驶时路基面的弹性变形和路基的工后沉降。路基的 弹性变形过大，列车速度不可能提高，沉降量大，需要频繁的维修养护。因此， 在设计高速铁路路基时，于多方面都提出了更高的要求：基床表面厚度增加，压 实标准提高，同时对填料及路桥过渡段的刚度提出了更高的要求。为控制列车行 驶时路基面的弹性变形，对路基各部位的地基系数k 3 0 、动态变形模量鼠d 均作了 规定，对路基的工后沉降也有严格的要求。新建时速2 0 0 公里客货共线铁路设计 暂行规定【5 】规定时速为2 0 0 k m h 的路基基床，其基床表面和基床底层共2 5 米， 其中基床表面0 6 米，基床底层1 9 米。表面应采用级配沙砾石或级配碎石，底层 应采用a 、b 组填料或改良土。 1 1 3 路基工程研究现状 进入上世纪2 0 年代以前，路基填筑都按。自然沉落”法设计施工。直到1 9 3 0 年，美国p r o c t o r 才首先提出用标准击实试验控制路基填筑压实度自此，各国开 始制定路基填筑标准。随着生产力的发展，铁路运量和速度的不断提高，既有线 铁路路基不断出现病害，各国也不断提高新建路基的设计标准【6 】 7 1 1 我国铁路路基现状 建国以来，我国在路基工程的建设上取得了许多成就，特别是对特殊地区与 特殊土路基，无论在科研、工程实践水平上都有很大发展和提高，积累了丰富的 经验。但是由于经济的迅速发展，路基工程的水平仍然跟不上运输发展的需要。 长期以来，我国新建铁路没有把路基当成土工建筑物来对待，而普遍冠名以 土石方。在“重桥隧、轻路基，重土石方数量、轻质量”倾向下，经常发生路基 变形、下沉、边坡坍滑、道碴陷槽等病害，使新建铁路交付运营后不能立即达到 设计速度与运量，一般经过5 1 5 年自然沉落及病害整治才能达到，造成经济与 杜会效益差的后果。如梅七铁路，全长7 0 k m ，1 9 6 9 年开工；1 9 7 4 年临管，1 9 8 3 年底交付运营，前后历时达1 4 年之久运营铁路路基技术状态不佳，强度低，稳 定性差，严重威胁铁路运输和安全，已成为铁路运输的主要薄弱环节随着国民 经济的发展，运量不断增长，路基超负荷工作状态一直没有缓解，以至时常发生 路基病害。据统计，至1 9 9 4 年底，在全国6 8 0 5 3 k m 的运营线上，路基总长6 4 0 8 8 k m ， 占运营线路的9 4 ，路基病害地段8 1 0 8 2 处，累计长1 1 0 5 5 k m ，占运营线路的 1 6 2 。因此，路基质量问题已逐渐被人们所认识与重视嗍。 2 国外铁路路基现状 国外铁路发展的方向是高速铁路及重载铁路。2 0 世纪6 0 年代第一条高速铁 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 路在日本的建成，开创了高速铁路发展的新纪元，到我国拟建京沪高速铁路时， 全世界时速在2 5 0 公里以上的高速铁路已有6 3 0 0 公里之多。高速发展较快的国家 有法国、日本、德国等，他们已经拥有了相对完善的高速铁路的建造技术，对高 速铁路路基的研究也日臻完善。他们对高速铁路的路基制定了较高的技术标准和 严格的施工工艺，其特点如下： ( 1 ) 结合路基工程规定了详细的岩土分类，要求详细地进行调查，为设计、施 工及养护提供所必须的依据资料 ( 2 ) 加强了轨道基础的路基基床部分，包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别 是对基床表面( 日本对新干线要求设置加强基床，很多国家设置基层或防护层、垫 层) 有严格的材料条件并规定了强度要求。关于强度标准，有的用形变模量e 有 的用加州承载比( c b r ) 。日本采用直径为3 0 c m 的平板荷载试验求出的地基系数 k 3 0 ，国际铁路联盟及法国标准要求根据土质、承载能力、防冻要求、线路等级、 运输荷载条件( 轴重、运量、速度) 以及线路上部结构的条件设计基层结构及厚度。 ( 3 ) 对路堤各部分的填土规定了相应的填筑标准，填土质量标准要求较高多 数标准采用压实系数量在旌工中严格进行质量检验及控制日本、法国标准中 分别提出可用贯入仪及落球回弹法等快速检验法，为了调整接近桥台时路堤的刚 度，对桥头路堤规定了更高标准。 ( 4 ) 为控制路基不发生过大的下沉，对路堤填土的地基条件提出了规定及处理 的要求。 ( 5 ) 加强路基的捧水系统，加强边坡和灾害的防护。要求防护工程与主体工程 同时完成；增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害 1 2 路桥过渡段概况 高速铁路安全性、可靠性、舒适性的发展需求对铁路系统的各个方面都提出 了更高的要求。特别是对铁路线路而言，其稳定性与平顺性是保障高速铁路运营 必不可少的条件之一。铁路线路是特点不同、性质迥异的构筑物( 桥、隧、路基等) 和轨道构成，它们相互作用、相互依存、相互补充，共同构成了一条平滑线路。 由于各构筑物在强度、刚度、变形、材料等方面的巨大差异，必然会引起轨道的 不平顺。为了使列车平稳舒适且不间断地运行，必须将其不平顺控制在一定范围 之内嗍。 路基与桥台连接处常常发生轨道不平顺现象：一方面由于路基与桥台刚度差 别很大，它们对列车车辆通过时的动荷载的响应会不同，这方面的不平顺称为力 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 学不平顺；另一方面，路基与桥台的沉降也不一致，路基部分的沉降变形较大， 在桥路过渡点附近导致轨面发生弯折，这方面的不平顺称为几何不平顺。 当列车高速通过时，必然会增加列车与线路的振动，引起列车与线路结构的 相互作用力的增加，影响线路结构的稳定，甚至危及行车安全【1 0 1 。因此，在路基 与桥台之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减 少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形， 达到列车安全，平稳、舒适运行的目的。 1 2 1 过渡段的变形控制及设置要求 1 过渡段的变形控制分析 铁路线路的变形主要由轨道、路基和地基变形三部分组成。轨道结构和路基 机床的变形主要由列车荷载引起，结构物恒载作用产生的沉降主要发生在路堤下 部及地基土层内由于铁路线路主要由松散构件和岩土材料构筑而成，动载引起 的轨面变形是不可避免的对于线路下部的路基土工结构，在上部建筑及路基自 重荷载作用下产生的沉降占线路总下沉量的绝大部分，数值也比较大【1 1 】因此， 在路桥过渡段，存在较大的沉降差，严重影响高速列车的安全平稳运行 关于路桥过渡段的变形控制，需要考虑两个问题：( 1 ) 改变不均匀沉降的形态， 即将路桥交接处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉降：( 2 ) 控制不均匀沉降的数值 ( 斜率) ，即严格控制由路桥间的不均匀沉降引起的轨面弯折变形，使之满足高速 行车的要求【1 2 1 对于第一个问题，采用诸如级配粒料倾斜填筑、台背路堤加筋， 钢筋混凝土过渡段板等结构加固措施能够较好解决。对于第二个问题，日本为了 建设全面采用板式轨道的东北、上越、成田等新干线，于1 9 7 2 年制定了全国新干 线网结构物设计标准。在该标准中，对结构物的竖向平移折角制定了如下表1 - 1 所列的限值【“ 国内铁路系统针对在桥台后设置钢筋混凝土搭板改善桥头跳车的情况，进行 过现场调查。最后的结论是路桥间工后沉降差引起的搭扳纵坡变化值在4 , - 6 0 以 下，即对乘车的舒适性影响较小1 1 4 】 2 路桥过渡段的设计标准 过渡段的基床表面必须符合表l - 2 的要求【m 。过渡段的基床表面以下可用级 配碎石分层填筑，其压实度应符合地基系数k 泣1 5 0 m p a m ，且孔隙率蛭2 8 碎 石的级配范围应符合表1 3 。 北京交通大学硕士学位论文绪论 表1 - 1 日本新干线结构物竖向平移折角限值 日本新干线结构物竖向平移折角限值 最高速度 折角h ) l 】( k m h ) l 3 0 m 7 099 1 1 0 7 59 1 6 056 2 1 0 4 5 4 2 6 03 53 表l - 2 过渡段基床表面要求 t a b 1 - 2 t h e r c k l u i r c m e n t s w i l h t h es u r f a l c 2 0 f t r a n s i t i o n 压实标准 填料厚度 地基系数孔隙率适用范围 岛棚a ，m ) n ( ) 级配沙砾石或 级配碎石 o 芝1 9 0 1 8 路堤 级配沙砾石o 6 0 芝1 9 0 1 9 0 1 8 路堑 中粗砂o 6 0兰1 9 0 1 8 表1 - 3 碎石级配范围1 t a b 1 - 3t h eg r a d a t i o nr a n g eo f , m l s h e ds t o n e 蓉 通过筛孔缸m ) 质量百分率( ) 5 0 4 03 02 52 01 052 5o 50 0 7 5 ll 9 5 l 6 0 - 9 0 3 0 - 6 52 0 一5 01 0 - - , 3 02 l o 2l 9 扣l 6 0 - 9 0 3 0 - - 6 52 帖5 0l m 弓o2 1 0 31 0 09 5 一l 5 啦8 03 0 - - 6 52 0 一5 0l o 3 02 l o 1 注：颗粒中针状。片状碎石含量不大于质软，易破碎的碎石古量不超过1 0 ；黏土团及有机物台量不 得超过2 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 图1 - 1 时速2 0 0 公里客货共线铁路过渡段纵断面 f i g a - iv e r t i a ds o f b r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ni nr a i l w a y 路基的工后沉降量：一般地段不大于1 5 c m ，年沉降速度小于4 c m 年。桥台 台尾过渡段路基工后沉降不应大于8 锄。京沪高速铁路线遂站设计暂行规定【1 3 】 中要求路桥过渡段的沉降差不大于5 c m 时速2 0 0 公里客货共线铁路路桥过渡段 形式如图3 所示( 在软土地基上，可在台后设置混凝土搭板) 。该过渡方式可使轨 道基础的动态不平顺减小到l m m 以内，动力不平顺坡度降低到 0 0 1 以下。 3 路桥过渡段的结构形式及其对地基的要求 ( 1 ) 路桥过渡段的结构形式 依据技术可靠，结构简单，施工方便的原则，并参考国内外铁路公路的设计 规范，路堤与桥梁连接处可有不同的结构形式。包括级配粒料填筑法、加筋土法、 轻型材料法、过渡板法等，与其他方法相比，级配粒料( 主要是级配碎石或级配砂 砾石，也可以是水泥稳定粒料或低标号混凝土等) 填筑和加筋土路堤两种处理措施 具有较明显的优势f 4 j 级配粒料填筑过渡段的处理措施在国内外的高速公路中有 较广泛的应用，同时也列入了日、德、法、西班牙等国的高速铁路设计施工规范 之中。作为秦沈客运专线的主型过渡段处理方案，已有大规模工程应用的经验； 加筋土是一种较成熟的现代土工加固新技术，台背路堤填土加筋技术已列入了我 国 公路土工合成材料应用技术规范之中，秦沈客运专线也有一定数量的试用。 室内外大量的实验研究表明，级配粒料填筑处理路桥过渡段能显著减小路堤的工 后沉降，降低路桥问的工后沉降差，并具有成本低、取材容易、布置灵活、施工 简便等特性。本文只对碎石填筑的过渡段进行数值模拟计算。因此仅介绍级配碎 石填料的过渡段及其压实标准。 级配粒料填筑结构型式要求基床表面填料与相邻路基基床填料一致；基床底 7 北京交通大学硕士学位论文绪论 层及路堤下部填料应采用级配良好，具有较大硬度和能充分压实的碎石、砂砾石 或其他满足要求的材料( 如水泥稳定材料或低标号混凝土) 。琏1 6 0 k m h 时，基床 表面填料可与基床底层及路堤下部的填料一致，可采用石灰混凝土或水泥混凝土。 ( 2 ) 路桥过渡段对地基的要求 在我国常速铁路路基设计中，对地基条件几乎未作任何具体要求( 软土地基除 外) ；日本高速铁路路基规范，对地基条件提出了一些规定。为了控制过渡段路堤 的沉降，由铁道部第三勘查设计院主编的京沪高速铁路桥隧站设计暂行规定对我 国铁路路基的地基条件提出了如表1 _ 4 所示规定【1 3 l 。 表1 - 4 中国高速铁路地基条件吲 地层地基条件 基岩无条件 碎、卵、砾石类土 无条件 砂类土 舵5 o m f a 或之l o ，且无地震液化可能 r 亡1 2 m p a 或【0 1 之：o i s m p a 黏性土 1 2 m p a 兰_ 脸0 8 m i a ，但厚度小于2 米 1 2 2 路桥过渡段存在的问题及其原因分析 1 路桥过渡段的闯题 路桥过渡段的最严重的问题就是由不平顺引起的一系列问题。由于不平顺引 起路桥沉降差异，对高速列车的运行产生影响。首先是影响行车的速度和舒适性， 其次容易造成桥台跳车，严重时可能会引发事故国内外对路桥过渡段进行技术 处理的基本原则是一致的。处理方案也大同小异。下节中详述 2 路桥过渡段线路结构变形不一致的原因分析 铁路和公路的路桥过渡段受到高速运行车辆动荷载的作用时，都会在桥头处 出现振动较大的跳车现象。产生这种现象的主要原因有以下几个方面： ( 1 ) 地基条件原因 许多既有线路都是修筑在条件差且未经很好处理的软弱地基土上的。在软土 地基上，路桥过渡段的路和桥的工后沉降量是不同的，因此在路桥过渡处必然有 沉降差。对于粉质土地基和中、低压缩性的粘土地基，其全部完成沉降需要几年 时问；对于高压缩性冻土地基、饱和软粘土地基，则其全部完成沉降需要十几年 甚至几十年时问。所以，地基工后沉降过大是造成桥头跳车事故的原因之一 ( 2 ) 桥台后路堤填料的原因 s 北京交通大学硕士学位论文绪论 大部分既有线路桥台后路堤填料一般全是填土。由于施工条件的限制，碾压 质量不易控制，压实度达不到设计要求。即使旌工时压实度全部达到了设计的要 求，但因运营时路堤填土本身的自重和动荷载的作用，也将使路堤填土进一步压 缩变形，使得路桥过渡处出现沉降差。桥台前的防护工程由于受到土压力的水平 作用，将产生一定的水平位移。这一水平位移将会使路桥过渡处的路基出现沉降 变形路桥过渡处常会产生细小的伸缩裂缝，经过地表水或雨水的渗透后，会使 路基填土出现病害，强度降低，产生沉降。或由于水的渗透流动带走填料中的细 颗粒土，使得路桥过渡处出现沉降变形。 ( 3 ) 设计及施工原因 以前的路基设计时往往对路桥过渡区段的施工碾压过程考虑不周，对填料的 要求不严格，桥台后排水设计考虑不周，施工时对工期或工序安捧不当等，这些 都将影响其施工质量。旅工时对路桥过渡区段的回填料不按设计要求填筑，或采 用不良填料，或碾压厚度超过要求，或压实度达不到设计要求，都将造成质量缺 陷。旖工时碾压器械配置欠佳，压实功率不够，不进行分层次质量检查，也会使 压实质量达不到控制要求 ( 4 ) 重桥轻路意识的原因 在铁路建设工程中，特别是高速铁路建设工程中，桥梁建设不仅工程规模大， 投资多，而且有时还是保证线路正常通车的关键。从以往的施工过程看，往往是 路桥分家，重桥轻路，未能在路基簏工中投入必要的人力和物力。而在旌工过程 中，路桥过渡区段又是质量控制的薄弱环节。往往在铺轨架桥时，或正常运营一 段时间后，路桥过渡区段的问题才明显出现。 ( 5 ) 路基与桥台结构差异的原因 桥台一般是刚性的，而路基则是柔性的由于这两种结构的差异，在路桥过 渡区段内，当受到动荷载作用时，在刚柔之间必然存在着沉降差。路桥过渡区段 由于其刚性不同、自重不同、强度不同，在外力作用下又是应力集中的区域，因 此是影响线路运营的薄弱环节与桥墩相比，路桥过渡区段桥台的水平稳定性更 处于不利位置桥台前后由于荷载条件不同，桥台前没有荷载，桥台后有填土的 水平土压力作用，使桥头受到较大水平推力。如设计和施工时没有相应措施，则 往往会造成事故，如软基上出现的桥台移位、桩基剪断等。 除以上主要原因外，还有一些影响路桥过渡段线路运行质量的因素：桥上轨 道技术状态和种类、路桥过渡区段轨道技术状态和种类、以及机车车辆的类型、 运行速度和技术状况等f 阍 9 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 3 国内外研究现状综述 1 国外研究现状 国外铁路先进国家从八十年代开始研究用土工格栅解决过渡段的不平顺问 题，并积累了较丰富的经验。在处理过渡段方面有一定基础，提出了一些经实践检 验是可行的技术处理措施，归纳起来主要有如下几类【1 7 1 ： ( 1 ) 在过渡段较软一侧，增大基床刚度，减小路堤沉降；( 2 ) 在过渡段较软一侧， 增大轨道竖向刚度；( 3 ) 在过渡段较硬一侧，通过设置轨下、枕下、碴底橡胶垫块 ( 板) 来调整轨道竖向刚度。 为了研究列车在高速运行情况下，路基动应力的变化规律，日本曾对路基动 应力与下沉进行了试验0 8 1 美国关于桥头跳车的最新n c h r p 专题报告也把容许差 异沉降的研究作为路桥过渡段沉降方面5 个未来主要研究方向之一【1 9 1 。在瑞典国家 铁路局和其他单位联合进行的高速列车振动的现场测试中，发现高速列车的通过 引起了非常大的沉降，已经超过了保证铁路安全运营的界限。d i n q q i n gl i 等通过对 美国西部部分铁路路桥过渡段进行试验分析，得出引起车头跳车的可能因素，并 找到适用的解决方法刚。 2 国内研究现状 国内也是从八十年代开始注意路桥过渡段的研究。自1 9 9 4 年以来，我国先后 进行了六次列车提速列车速度的不断提高，在方便了旅行的同时，也使既有线 路路基暴露出更多的问题。特别是路桥过渡段的桥头跳车问题，列车的提速使路 桥过渡段产生了更严重的差异沉降。其产生的直接原因是刚性桥台结构物与柔性 路堤连接处所产生的刚度差，以及在桥台台尾连接地段因车荷载的反复作用，填 土在固结沉降过程中产生了较大的差异沉降。这是导致线路不平顺的根本原曰2 1 1 这些问题的出现吸引了许多学者参与到过渡段的研究中来。 罗强阎等运用车辆轨道路基大系统相互作用的动力学理论，对高速列车 通过路桥过渡段的动力学性能进行分析，分析表明由路桥结构的刚度差引起的过 渡段轨道刚度的变化对高速行车的影响并不显著有关的动力学性能指标距安全 舒适控制标准还有较大距离，不成为控制条件；由路桥结构的不均匀沉降引起的 轨面弯折变形对行车的影响则非常剧烈。并对过渡段的变形限值与过渡段长度的 确定方法提出建议。 罗强等 2 3 1 还应用车辆与线路相互作用的动力学理论，求得车辆与线路的相互 作用是一个大型的非线性微分方程组，并采用了一种新型快速显式数值积分法和 一类新型预测校正积分法( n e w m a r k 预测校正积分模式刚) 进行了数值模拟分 1 0 北京交通大学硕士学位论文 绪论 析。得出了路桥过渡段的不平顺对高速行车的影响规律。 蔡成标、翟娩明 2 5 1 建立了列车与路桥过渡段动力特性分析模型，分析了由基 础沉降差引起的钢轨初始变形以及行车方向、行车速度对轮轨系统动力性能的影 响，提出了确定路桥过渡段长度的方法。刘林芽 2 6 1 利用有限元法，通过建立车辆 轨道耦合系统竖向振动分析模型，对列车经过路桥过渡段时轨道结构的动力学性 能进行评价，为既有线提速和新线建设提供了设计依据。陈雪华等f 2 7 】分析了沿路 桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系，以及动应力沿 路基深度方向的变化规律等。张洪量等脚】分别用振型叠加法和拉普拉斯变换法进 行了车路动力学分析，求出了人的竖向加速度和路面对车辆的作用力；并证明路 桥过渡段车路动力学分析可以采用拉普拉斯变换法，其中拉氏数值逆变换采用 c r a m p 法，计算程序的编制采用m a t l a b 语言。王其昌等 2 s c l 应用翟婉明教授所建 立的车辆轨道耦合动力学理论，对桥梁路基连接过渡段轨道的轮轨相互作用的 各项动力学性能，进行了大量的计算机仿真计算、综合分析和性能评价，分析了 高速铁路路桥过渡段车辆与轨道及路基的相互作用特性毛立军1 3 0 利用车辆一轨 道耦合动力有限元计算模型，对轨道过渡段不同工况进行仿真分析，表明过渡段 轨道底部刚度的突变并不直接导致动力系数的增大，而一旦存在不平顺折角，轮 轨之间的动力系数将急剧增大。 在数值模拟方面，刘萌成等1 3 1 】应用a b a q u s 有限元建立了桥台后路堤路面动 力计算的三维模型，将车辆荷载表达为反复移动的分布荷载( 移动荷载) 形式，并 编制了) “岍程序通过有限元e x p f i c i t 计算模块：( 1 ) 在车速、阻尼比与胎压3 个影响因素中，对竖向应力与竖向位移峰值影响大小排序为车速、胎压、阻尼比， 表明慢速行驶或超载作用将加速路面累积变形导致的结构破坏。( 2 ) 在移动荷载作 用下，路面顶部单元剪应力值远小于正应力，表盼单元主应力方向始终与坐标轴 平行，而基层底部受剪应力的影响较大，表明单元主应力方向随荷载的移动而发 生旋转( 3 ) 基层底部水平拉应力与拉应变随荷载循环次数增加而不断增加；受移 动荷载的激励作用，压应变不断累积增加，这将致使路桥过渡段差异沉降与坡差 不断增加，并最终导致路面结构的损坏 杨广庆 3 2 1 等通过分析高速铁路路桥过渡段施工质量的重要性，研究高速铁路 路桥过渡段的施工技术及注意事项，并介绍其质量检测方法和频率，提出应开发 出适合我国国情的旌工方法，保证列车高速、安全、稳定的运行。李献民等【3 3 】对 土工格栅加固后的路桥过渡段基床动响应特性及其影响因素进行了分析和研究 研究结果表明：随着行车速度增大，过渡段基床动应力增量为正；但当行车速度超 过临界速( 2 2 0 2 3 0k n o b ) 后，基床动应力反而减小；基床动应力的变化特征与其在 基床中的位置密切相关。 北京交通大学硕士学位论文绪论 铁道部组织、铁道第三勘测设计院主持对秦沈客运专线山海关至辽中段的几 处路桥过渡段进行了。先锋号”和。中华之星”两种实车测试试验研究【，哪。试验 的主要结论包括：( 1 ) 由动力车机头作用产生的动应力、动位移、加速度幅值明显大 于由拖车产生的相应值，成为路基( 动力) 设计的控制条件；( 2 ) 动应力沿深度衰减 明显，基本符合双曲线变化规律；( 3 ) 行车速度对动应力有一定程度的影响，对动 位移的影响较小，对加速度的影响较大；( 4 ) 过渡段范围内的动应力、动位移、加 速度等测试数据，在不同行车速度条件下的变化规律基本一致；( 5 ) 动应力、动位 移的纵向变化形态是近桥台小、远桥台大，而加速度的变化形态是近桥台大，远 桥台小；6 ) 列车的行驶方向对动应力和动位移无实质影响，对加速度有一定程度 的影响；( 7 ) 列车轴重对动应力、动位移、加速度的影响十分显著；( 8 ) 车辆在编组 中所处的位置对动应力、动位移、加速度无影响；( 9 ) 从各项指标综合分析，不同 轨道形式及不同地基条件下，采用的两种过渡段设计均满足轨道平顺性，列车稳 定性和运行平稳性良好的要求；( 1 0 ) 土工格栅因难以按要求碾压，不能充分发挥土 工格栅高强度的作用，建议设置无耳墙式桥台；o1 ) 得出的级配碎石及加筋土过渡 段施工工艺及质量检测方法能够满足设计要求；( 1 2 ) 建议对较高填方过渡段、不同 轨道形式过渡段设置钢筋混凝土搭板，并结合增设护轮轨、橡胶垫板等轨道过渡 措施，可增强过渡段效果，以保证刚度平顺过渡。 综上所述，国内外对于路桥过渡段的研究范围比较广，涉及到了影响路桥过 渡段的各种因素。此领域的理论分析研究主要方法是建立车辆轨道线路 分析模型，通过有限元方法和时程积分方法逐步求解列车通过路桥过渡段过程中， 车辆、轨道和线路的动力响应但依然存在的问题是：虽然国内外均根据现场行 车调查确定了路桥过渡段容许差异沉降，数值上不统一，而且没有更多考虑除车速 外其它参数的影响。因此有必要对其进行更全面的理论研究。 1 3 本文主要研究内容及思路 1 3 1 本论文的研究内容 本文对路桥过渡段进行三维有限差分分析，对级配碎石处理过的路桥过渡段 建立三维有限差分模型分析当动荷载通过路桥过渡段时沉降的变化，以及沉降 沿路基深度方向和横向的变化规律等等【3 蜘，以期对路桥过渡段的设计和施工起到 参考作用。具体研究内容如下： 北京交通大学硕士学位论文绪论 ( 1 ) 根据实测应力数据对列车荷载进行纵向和横向分布的模拟。 ( 2 ) 建立路桥过渡段的三维有限差分计算模型，计划分析如下内容：荷载作用 时间对沉降值的影响；路桥过渡段形式( 即正梯形和倒梯形) 不同对沉降的影响： 路桥过渡段材料刚度不同对沉降的影响；过渡段尺寸不同对路基表面沉降的影响。 ( 3 ) 将理论计算值与现场实测值进行比较，验证数值模拟的可靠性和实用性。 1 3 2 本论文的研究思路 本文研究上述内容的基本思路如下： 论文第一章对对高速铁路路基和路桥过渡段的结构以及规范作了简要说明， 对国内外有关路基及路桥过渡段的研究进行了评述，指明目前的研究现状和趋势， 给出了本文的研究内容及研究思路 论文第二、三章是本文的主要研究内容，通过建立三维有限差分模型，对影 响路桥过渡段沉降的一系列因素进行分析。 论文第四章为全文的实证分析部分，通过将数值模拟计算结果与现场实测数 据对比，得出相关结论。 最后，在论文第五章总结全文，并给出结论与建议，及进一步努力的方向 北京交通大学硕士学位论文 路桥过渡段三维有限差分计算模型的建立 2 路桥过渡段三维有限差分计算模型的建立 2 1 土的本构模型 材料的本构关系是反映材料的力学性状的数学表达式，表示形式一般为应力一 应交一强度一时间的关系。可分为弹性模型和弹塑性模型等。目前已经提出的土体 本构模型不下数十种，但能够用于实际工程的计算模型很少。其中经典线弹性模 型只适用于安全系数较大、应力水平较低、土体不发生屈服的情况，是不经济的。 实际上土体在一般应力状态下都可能发生屈服，其应力一应变的关系是非线性的。 土体发生屈服后除了弹性变形之外还有不可恢复的塑性变形因此实际土体在加 荷与卸荷时的变形特性是不同的。土的变形不仅随着荷载的大小而异，而且还与 加荷前的应力路径有关，即与达到此应力的途径有关土的这种非弹性的应力一 应变关系用弹塑性模型模拟比较好【研 弹性模型主要有邓肯张模型。弹塑性模型主要有剑桥模型，拉德模型，椭圆一 抛物双屈服面模型等。弹塑性模型的优点是可以模拟屈服后的应力应变状态，能 够反映土体的实际变形特性、软硬化性质、应力路径等的影响。但是很多弹塑性 模型公式比较复杂，参数难以确定，仍然处于研究发展之中因此，本文中桥台 部分采用线弹性模型，地基土、路基填土、碎石均采用摩尔库仑塑性模型该模 型用于承受剪应力会发生屈服变形，但是屈服应力仅仅依赖于小主应力的材料 1 3 9 1 4 0 2 1 i 土的弹性本构模型 土的弹性本构模型可以分为线弹性模型和非线性弹性模型 ( 1 ) 线弹性模型 线弹性模型是需要两个参数就可以描述其应力应变关系，即层和i ，或置和g 或 a 和口其应力应变关系可以表示如下： p ) = 【d 】忙( 2 - 1 ) 式中： p 应力分量和应力分量的增量列阵； p _ 一应变分量和应变分量的增量列阵； 1 4 北京交通大学硕士学位论文路桥过渡段三维有限差分计算模型的建立 【d 】常系数的弹性矩阵。 线弹性模型在土力学的地基附加应力计算以及地基沉降计算中有广泛的应 用。虽然这种模型对土的力学特性做了较大的简化，但当应力水平不高且在一定 的边界条件情况下，还是很实用的。但是应当指出用此方法计算时，重要的是需 要正确测定土的变形模量和泊松比，这一点是比较难做到的。线弹性模型只适用 于安全系数比较大、土体不发生屈服的情况【4 2 l 。 ( 2 ) 非线性弹性模型 土的基本变形特性之一就是应力应变关系的非线性。为了反映这种非线性， 在弹性理论中引入两种模型：割线模型和切线模型。割线模型是计算材料应力应 变全量关系的模型；切线模型是建立在增量应力应变关系基础上的弹性模型，实 际上是采用分段线性化的广义胡克定律的形式。模型的表达形式是增量的胡克定 律： d 0 - = 【d 】 d 占( 2 - 2 ) 非线性弹性模型中最著名也是应用最广泛的是邓肯一张双曲线模型，如图2 - i 所示邓肯和张认为，在常规三轴试验压缩试验条件下，土的应力应交关系可 采用双曲线方程表示为 厣七： 图2 1 时速2 0 0 公里客货共线铁路过渡段纵断面 f i g 2 - 1s t r e s s - s t r a i na wo f v e r t i c a l x ：妇o f b r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o n 0 - , 一o 3 = 圭- i ( 2 - 3 ) 一。石石 ) 其中： 毛轴向应变5 n 、扫双曲线函数参数； q 一吒大小主应力差 北京交通大学硕士学位论文路桥过渡段三维有限差分计算模型的建立 邓肯张模型的主要优点是可以利用常规三轴试验测定所需的计算参数； 同时由于它建立在广义胡克定律的弹性理论的基础上，很容易为工程界接受。另 外，所用参数及材料常数不多，且物理意义明确。因此该模型得到了工程界的广 泛应用。土的弹性模型还有超弹性模型和次弹性模型等，能用于处理非线性、剪 胀性、应力路径影响等特性 3 9 1 。 2 1 2 土的弹塑性本构模型 虽然土的弹性本构模型具有表达简单，参数较少的优点，但是它们所表述的 应力应变关系显然难以反映实际土的情况。但是在实际工程的土中往往存在 复杂的应力，这时土体不能再看作仅具有弹性应变，而是同时存在弹性和塑性应 变。因此，用弹塑性模型来模拟土的应力应变关系使之更接近实际 建立土体的弹塑性本构模型，要确定其屈服准则、流动规则和硬化定律。 ( 1 ) 屈服准则是判断材料被施加应力后是否发生塑性变形的准则。其通用 表达式为 ，( ，聊= 0 ( 2 - 4 ) 式中：f 屈服函数； o i 应力张量； h - - 反映材料塑性性质的参数 ( 2 ) 流动规则，也叫正交定律 4 0 l ，用以确定塑性应变增量的方向或塑形应变增 量张量的各个分量之间的比例关系。塑性应变增量的方向是由应力空间的塑性势 面决定的：在应力空间，各应力状态点的塑性应变增量方向必须与通过该点的塑 性势面相垂直。这一规则实质上是假设在应力空间中一点的塑性应变增量的方向 是惟一的。塑性势函数也就是应力状态的函数为： g ( ，哪= o ( 2 - 5 ) 则塑性应变增量与应力存在着下列正交关系： 蟛= 烈要 ( 2 6 ) o d f 式中：以确定塑性应变增量大小的函数 日表示塑性势面的硬化参数。 ( 3 ) 硬化规律，是计算一个给定的应力增量引起的塑性应变增量的准则。也就 北京交通大学硕士学位论文 路桥过渡段三维有限差分计算模型的建立 是上