（道路与铁道工程专业论文）重载铁路路桥过渡段斜向旋喷桩加强效果研究.pdf

学位论文版权使用授权书 4 1 1 1 1 1 1 1 1 iii iii l i l l l l111 1 tlillq l l l 17 8 0 9 3 5 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， 提供阅览服务，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：弼己互坊 导师签名- 觚获彤导师签名：茂戊炊彤 签字日期：, z o l 矿年6 月z r 日签字日期：2 01 , 7 年6 月2 矿日 中图分类号：u 2 1 3 1 u d c ：6 2 5 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 重载铁路路桥过渡段斜向旋喷桩 加强效果研究 r e s e a r c ho ns t r e n g t h e n i n ge f f e c to fo b l i q u e j e tg r o u t i n gp i l eu s e di nb r i d g e s u b g r a d e t r a n s i t i o ns e c t i o ni nh e a v yh a u lr a i l w a y 作者姓名：陈立涛 导师姓名：魏庆朝 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 6 1 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：道路与铁道工程研究方向：线路设计理论与技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一 致谢 本论文是在导师魏庆朝教授的悉心指导下完成的。魏教授学识渊博、治学严 谨，求学期间一直对我产生着潜移默化的影响，令我受益颇丰。借此机会向我的 导师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 论文撰写期间得到了时瑾老师的指导和帮助，白雁老师及陈建春老师对本论 文提出了非常宝贵的意见，老师的支持让我能够不断开拓思路，对论题逐步深入 地展开研究。通过撰写论文我收获的不仅是论文成果本身，更多的是独立思考的 能力。 感谢同f - j n 兄师姐龙许友博士后、王英杰博士、尹国栋博士、郑方圆博士等 给予我热心的指导和帮助。感谢好友杨坤硕士及其他同学在我论文工作期间给予 的热情帮助和关心。在此向他们表示由衷的谢意和感激。 在铁道第三勘察设计院实习期间线站处多位设计高工对本论文相关内容进行 了热心指导并提出宝贵意见，特此表示感谢。同时也感谢铁道第三勘察设计院线 路处给予我学习成长的机会。 最后，永远感谢我的父母，他们无私的关爱和支持让我能够专心完成学业， 他们是我努力向前的永恒动力! 永远感谢我的妹妹，她伴我一路成长，相扶相持! 同时也将这份成果献给他们。 - 一 中文摘要 中文摘要 摘要：重载运输是铁路扩能提效的有效途径之一，其对解决长距离、大宗量货物 运输问题效果显著。但大轴重、高密度行车的同时也对线路条件提出了更高的要 求。路桥接头处由于结构物性质迥然导致其刚度和变形差异较大，严重影响重载 铁路行车安全和经济效益，因此有必要对路桥过渡段合理加强。 我国日益增长的运能需求及重载技术的飞速发展也加快了既有线扩能改建的 步伐，对于既有铁路如何在不影响正常运营的前提下对路桥过渡段进行合理的加 强成为其重载扩能改建的关键。斜向旋喷桩技术与既有的过渡段加强处理措施相 比其优势不仅表现在施工不中断运营，对路基病害也具有一定的防控作用，是一 种综合处理的过渡段加强措施。 本文结合朔黄铁路扩能改建研究课题对斜向高压旋喷桩技术应用于加强路桥 过渡段路基的效果进行了探索研究。基于朔黄铁路试验段实测数据运用a b a q u s 有限元软件建立了有限元仿真分析模型，。在综合考虑轮轨接触、桩土接触、群桩 效应及边界条件等因素影响的基础上，计算分析了过渡段路基的沉降、静力变形 及动力特性，总结了旋喷桩角度、密度及加强范围等布设参数与加强效果的影响 关系：斜向旋喷桩与水平面的夹角在5 。 - - 1 5 。时效果较好，可进一步抑制过渡段 变形1 0 - 2 0 ；桩密度在1 5 m 一2 m 是合适的，继续加大桩密度，变形抑制能力 的提升将非常有限，但随台后距离的增大适当调整桩密度有利于一级阶梯与二级 阶梯变形的缓和。加强范围2 0 m 2 5 m 较佳，对台后沉降阶梯状分解特征稳定明显。 数据表明旋喷桩动力加强效果更加突出，行车时路基动位移在过渡段范围内明显 趋缓，最大值衰减达2 0 ，路基垂向加速度衰减程度在1 0 - 4 0 ，极大地改善 了行车动力作用。采用斜向旋喷桩对过渡段路基加强不仅可提升其抑制变形和改 善列车动力作用的能力还可改善路基病害提升其整体性能，具有对过渡段进行综 合处理的作用。 综合上述结论我们得出：利用旋喷桩对路桥过渡段进行加强是可行有效的。 本论文的研究将对既有线在不中断运营前提下进行扩能改建提供有益参考。 关键词：朔黄重载铁路；斜向旋喷桩；路桥过渡段；变形特性；动力响应 分类号：u 2 1 3 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：h e a v yh a u lr a i l w a yi sa ne f f e c t i v ew a yt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n , a n di th a ss i g n i f i c a n te f f e c ti ns o l v i n gp r o b l e m se x i s t i n gi n l o n g d i s t a n c e ，b u l kc a r g ot r a n s p o r t s b u tt h ea x l e1 0 a d h i g h - d e n s i t yt r a f f i cp u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t so nr a i l w a ya l i g n m e n t s i n c et h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs u b g r a d ea n db r i d g e s a r eq u i t ed i f f e r e n t , s e r i o u su n e v e n n e s si sp r o n et oo c c u ri nt h el i n k i n go fs u b g r a d ea n d b r i d g e s ，w h i c hh a sg r e a te f f e c t so nt h es a f e t ya n de c o n o m i c a lo fh e a v yh a u lr a i l w a y s o i t sn e c e s s a r yt ot h et r a n s i t i o no fs u b g r a d ea n db r i d g e st ob es t r e n g t h e n e dr e a s o n a b l y t h eg r o w i n gd e m a n df o rt r a n s p o r tc a p a c i t ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fh e a v yt e c h n o l o g yi n o u rc o u n t r ys p e e du pt h ep a c eo ft h ee x p a n s i o nr e c o n s t r u c t i o no ft h ee x i s t i n gr a i l w a y s h o wt o s t r e n g t h e nt h eb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o nw i t h o u ta f f e c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o nb e c o m et h ek e y f a c t o ri nh e a v yh a u le x p a n s i o nr e c o n s t r u c t i o no fe x i s t i n gr a i l w a y s c o m p a r e dt ot h ee x i s t i n g t r a n s i t i o ns t r e n g t h e nm e a s u r e s ，o b l i q u ej e tp i l e sn o to n l yh a st h ea d v a n t a g eo fh a v i n gn o i n t e r r u p t i o no nr a i l w a yo p e r a t i o ni nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n , b u ta l s oh a sac e r t a i n r o l eo np r e v e n t i n ge m b a n k m e md i s e a s e s ，a n di ti sac o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to nt h e t r a a s i t i o ns e c t i o ns t r e n g t h e n c o m b i n e dw i t ht h es h u oh u a n gr a i l w a ye x p a n s i o nc o n v e r s i o nr e s e a r c ht o p i c s ，t h ee f f e c to f a p p l y i n gd i a g o n a lh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yo ns u b g r a d e i nt h et r a n s i t i o no f s u b g r a d ea n db r i d g e si sr e s e a r c h e d b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao ft h es h u oh u a n gr a i l w a y t e s ts e c t i o n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea b a q u s b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fw h e e l - r a i lc o n t a c t ， p i l e - s o i lc o n t a c t , g r o u pe f f e c ta n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n do t h e rf a c t o r s ，t h e t r a n s i t i o ns u b g r a d es e t t l e m e n t ，s t a t i cd e f o r m a t i o na n dd y n a m i cb e h a v i o ra r ec a l c u l a t e d ， t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el a y o u tp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ep o i n to f j e tp i l e ，d e n s i t y , e n h a n c el a y o u tp a r a m e t e r sa n dt h ee f f e c to fs t r e n g t h e na r es u m m e du p 1 w h e nt h e h o r i z o n t a la n g l ei s5 0 1 5 0 e f f e c t i v e ，t h eo b l i q u er o t a t i n gp i l ei sm o r ee f f e c t i v e ，a n d c a l lf u r t h e ri n h i b i tt h et r a n s i t i o ns e c t i o nd e f o r m a t i o no f10 t o2 0 ；2 1 5 m 2 m p i l ed e n s i t yi sa p p r o p r i a t e ，t h ed e f o r m a t i o ns u p p r e s s i o no fu p g r a d i n gw i l lb ev e r y l i m i t e dw h e nc o n t i n u et oi n c r e a s ep i l ed e n s i t y , b u ta st h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c ea f t e r a b u t m e n t , i ti sc o n d u c i v et or e f l e xal a d d e ra n dt w os t e pd e f o r m a t i o nb ya d j u s t i n gt h e p i l ed e n s i t y 3 t h es t r e n g t h e ni nr a n g e2 0 m 2 5 mi sb e r e ra n dt h el a d d e rs t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s o fs u b g r a d es e t t l e m e n ta f t e ra b u t m e n ti sa p p a r e n t l ys t a b l e n l er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e a p p l i c a t i o no fo b l i q u er o t a t i n gp i l eo ns u b g r a d e 北京交通大学硕士学位论文 s t r e n g t h e ni nt r a n s i t i o ns e c t i o nw i l ln o to n l ye n h a n c et h ea b i l i t yo fi n h i b i t i o no f s e t t l e m e n td e f o r m a t i o na n di m p r o v et h ed y n a m i ca c t i o no ft h et r a i nb u ta l s or e l e a s e r o a d b e dd i s e a s et oe n h a n c ei t so v e r a l lp e r f o r m a n c e ，a n di sac o m p r e h e n s i v et r e a t m e n tt o t h et r a n s i t i o ns e c t i o n r e f e r e n c ei sp r o p o s e dt o t h ec a p a c i t ye x p a n s i o no fe x i s t i n g r a i l w a y 、航t 1 1n oi n t e r r u p tt ot h eo p e r a t i o no f l i n e s k e y w o r d s ：s h u oh u a n gh e a v yh a u lr a i l w a y ；o b l i q u ej e tg r o u t i n gp i l e ； b r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ；d e f o r mc h a r a c t e r i s t i c ；d y n a m i cr e s p o n s e c l a s s n o ：i j 2 13 1 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t 一：v i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景_ o 1 1 2 重载铁路发展现状1 1 2 1 国外重载铁路发展概况l 1 2 2 国内重载铁路发展概况3 1 3 重载铁路路桥过渡段3 1 3 1 路桥过渡段问题4 1 3 2 国内外路桥过渡段理论与实验研究现状4 1 3 3 路桥过渡段加强处理措施7 1 4 高压注浆技术10 1 4 1 高压旋喷注浆技术1 1 1 4 2 高压旋喷桩的应用1 1 1 4 3 斜向旋喷桩的应用1 4 1 5 本文研究内容及意义一l5 第2 章既有重载铁路路桥过渡段问题研究17 2 1 朔黄铁路概况1 7 2 2 测试内容与结果分析。1 8 2 2 1 轨道结构参数测试：1 8 2 2 2 路基地基系数k 3 0 测试2 1 2 2 3 地质雷达测试一2 5 2 2 4 动力触探一2 9 2 3 本章小结31 第3 章斜向旋喷桩加强路桥过渡段沉降及变形研究3 3 3 1 土体本构关系3 3 3 2 土体弹塑性理论3 3 3 3 有限元理论概述一3 5 3 4a b a q u s 有限元软件一：3 6 3 5 模型的建立3 7 3 5 1 过渡段模型及参数3 8 3 5 2 轨道结构模型及参数3 9 北京交通大学硕士学位论文 3 5 3 旋喷桩模型及参数3 9 3 6 沉降计算分析4 l 3 6 1 角度与沉降影响关系4 2 3 6 2 加强范围与沉降影响关系4 7 3 6 3 桩密度与沉降影响关系4 9 3 7 静力作用下过渡段变形特性分析5 0 3 7 1 角度与变形影响关系o 5 1 3 7 2 变形随深度变化规律一5 5 3 7 3 加强范围与变形影响关系：。5 5 3 8 本章结论5 7 第4 章旋喷桩加强路桥过段动力效果分析5 9 4 1 动力数值分析基本理论5 9 4 1 1 运动方程的建立5 9 4 1 2 运动方程数值算法6 0 4 2 模型的建立6 2 4 2 1 路桥过渡段结构模型6 2 4 2 2 轮轨接触模型一6 4 4 2 3 车辆模型6 5 4 3 动力响应分析6 7 4 3 1 纵向动位移对比分析6 7 4 3 2 加速度对比分析6 9 4 4 本章结论7 4 第5 章结论与展望7 5 5 1 结论7 5 5 2 展望7 6 参考文献7 7 作者简历8l 独创性声明8 3 学位论文数据集8 5 第1 章绪论 第1 章绪论 1 研究背景 货运重载化是当前世界铁路发展的趋势之一，其对解决长距离、大宗量货物 的运输问题效果显著。我国日益增长的运能需求及重载技术的飞速发展也加快了 既有线扩能改建的步伐。但大轴重、高密度行车条件背后必然是以加剧轨道、路 基的破坏为代价，特别是在刚度和变形均发生突变的路桥过渡段范围问题尤为突 出。为减轻轮轨动力作用，提高行车安全性，有必要对路桥过渡段提出合理的加 强措施，严格控制轨道刚度突变和沉降不均匀引起的轨面变形。但由于既有线路 任务繁重，中断运营造成的损失和影响巨大，如何在不中断运营的前提下对线路 薄软环节进行加强成为了既有线扩能改建的关键。本文即在此背景下结合朔黄重 载铁路课题对采用斜向旋喷桩技术加强路桥过渡段路基的效果进行了探索研究。 1 2 重载铁路发展现状 货物运输能力的提升途径主要有两条：( 1 ) 重载技术：主要特征是车辆轴重 大，载重量高，自重轻，列车编组数多；( 2 ) 快捷运输技术：特征主要是车辆运 行速度高，列车编组数少。 以我国大秦铁路为例：如果将列车最高运行速度由8 0 k m h 提高到1 2 0 k m h ， 其运输能力最多提高5 0 ，且受机车、车辆、线路、闭塞分区设置等较多因素的 限制，操作复杂，投资较大；如果通过对既有线进行加强改造将列车牵引质量从 5 0 0 0 吨提高到2 万吨，其运输能力将提高三倍【l 】。通过提高列车牵引总重的方式 提高大宗货物远程运输能力已成为目前世界各国提高货物运输能力普遍采用的方 式，其具有投资少、运输能力提升幅度大等优势。同时实践也证明t 重载运输确 实是提高运输效率、扩大运输能力和降低运输成本的有效途径。因此世界各国在 重载铁路研究方面做出了很大的努力使得重载铁路获得了前所未有的发展。 1 2 1 国外重载铁路发展概况 美国、加拿大货车轴重多为3 0 吨和3 5 吨，2 5 吨轴重的货车已基本被淘汰。 其载重量为9 0 , - - - - 1 1 0 吨，甚至可达1 2 0 吨。澳大利亚货车轴重主要为2 5 吨、3 0 吨 及3 5 吨，少量矿石专用车轴重达4 0 吨，载重量通常为1 0 0 吨，少量车可达到1 l o 2 澳大利亚即】 澳大利亚准轨铁路最有特色的是哈默斯利和纽曼山重载铁路，它们均开行专 门运送矿石的单元列车。全线长4 9 0 k m ，列车运行9 个小时到达港口，往返周转 大约要2 4 个小时，因此开行重载列车就成为其扩大运能、增加效益的首选途径。 通常轴重为3 7 5 吨，每列车编组1 5 0 辆，总重1 9 万吨，年运量超过9 千万吨。 2 0 0 1 年6 月2 1 日澳大利亚西部的b h p 铁矿集团公司在纽曼山海德兰重载铁路 上创造了重载列车牵引总重9 9 7 3 4 吨的世界纪录。 3 南非1 w 】 南非是利用米轨开行重载列车成功的典范，其现有的铁路以1 0 6 7 m m 轨距的 窄轨铁路为主。在以运送矿石、煤炭为主的线路上，开行两万吨重载列车，其全 长达2 2 k i n 。1 9 8 9 年8 月南非创造了当时开行重载列车的4 项世界纪录：列车牵 引吨数最重一7 1 2 3 2 吨；列车长度最长一7 3 0 0 m ；行驶距离最远一8 6 1 5 k m ；编组 车辆数最多6 6 0 辆。 4 加拿大嗍 加拿大为了提高列车运输能力设计了载重1 0 0 吨的新型专用货车，车体自重 轻并装有径向转向架和自动卸载装置，其重载运输车辆轴重达3 0 吨，牵引重量在 1 万吨以上。 5 巴西 8 1 2 0 0 4 年巴西c v r d 铁矿集团经营的卡拉齐重载铁路上，开行重载列车的平均 牵引重量已达3 9 0 0 0 吨。 2 第1 章绪论 1 2 2 国内重载铁路发展概况 1 大秦铁路 大秦铁路是我国第一条双线重载电 气化运煤专线( 图1 1 ) ，其在经济社会 发展中发挥的作用不可替代。通过开行1 万吨和2 万吨重载列车，其年运量由原 设计能力1 亿吨逐年提高：2 0 0 3 年为1 2 亿吨：2 0 0 6 年达到2 5 4 亿吨；2 0 0 7 年突 破3 亿吨；2 0 0 8 为3 4 亿吨；2 0 0 9 年完 成运量4 亿吨的目标，成为世界上年运 量最高的重载铁路【1 1 。 大秦铁路目前开行的两万吨重载组 合列车采用多台s s 4 型电力机车牵引， 总长约为2 7 0 0 m ，应用我国最新研发的 c 8 0 重载车辆，该车突破传统结构设计理 念和轻量化车体设计关键，c 8 0 型铝合金 货车首次采用铝合金轻型材料；c 8 0 b 型 不锈钢货车首次采用t c s 不锈钢新型材 料，最大限度地减轻车辆自重，提高车辆 单车载重，并可与相应港口码头拨车机、 图1 - 1 大秦重载铁路 f i g1 - 1d a t o n g - q i n g h u a n g d a oh e a v yh a u lr a i l w a y 定位机和翻车机配套使用，实现不摘钩连续翻卸作业，能适应环形装车、直进直 出装车和解体装车作业等，为大秦铁路实现4 亿吨运量目标提供了保障 9 1 。 2 朔黄铁路 朔黄铁路被誉我国西煤东运的第二大通道，其主要承担神府东胜矿区的煤炭 外运任务。全线为国家i 级双线电气化铁路，正线总长5 8 5 4 公里。设计年运输能 力近期6 8 8 5 万吨，远期1 亿吨。2 0 0 2 年底开通单线，2 0 0 4 年开通双线，至2 0 0 7 年底已经完成运煤近5 亿吨。2 0 0 8 年已经运行了部分1 0 0 0 0 吨单元重载列车。2 0 0 7 年朔黄铁路完成煤炭运输1 3 亿吨，并逐步完成了2 亿吨扩能技术改造工程，远期 将要达到年输送能力3 5 亿吨的目标i s 】。 1 3 重载铁路路桥过渡段 重载铁路的发展必须以安全、可靠、稳定为前提。由于铁路沿线地形条件的 北京交通大学硕士学位论文 复杂，其纵向组成并不均匀单一，而是由性质迥异的各类构筑物如：桥梁、隧道 以及涵洞等组成，这些结构物之间的连接地带是线路薄弱环节。 1 3 1 路桥过渡段问题 在路基与桥梁的连接处，由于桥台与路基性质不同，它们的强度、刚度等方 面差别较大，易导致路基与桥梁之间产生差异沉降( 图1 2 ) 。当路基与桥梁之间 的沉降差积累到一定程度会使列车通过时对线路产生较大的附加动力作用，这种 动力作用反过来又加剧沉降差的发展，导致轨面发生弯折，加速路桥过渡段轨道 结构的破坏，路基面也因列车的往复冲击而出现变形，形成道碴囊、道碴槽等病 害，致使轨枕摆动或悬空，产生永久性铁路变形。路基与桥梁结构的刚度差异导 致的动不平顺问题也十分明显。当车辆经过路桥过渡段时，由轨下基础引起的轨 道变形和刚度的突变会增加列车与线路的振动，影响线路结构稳定性，甚至危及 行车安全，大大降低了车辆运行的安全性，从而在整体上影响了重载铁路的经济 效益和社会效益。 因此，过渡段处产生的危害不仅与路基桥涵之间的沉降差和刚度直接有关， 还与列车运行速度、列车上下桥的方向有关。通常列车下桥及高速运行时对过渡 段危害较大。 高 程 线路纵向 图l - 2 过渡段刚度及变形差异 f i g1 - 2s t i f f n e s sa n dd e f o r m a t i o nd i f f e r e n c ei nt r a n s i t i o ns e c t i o n 1 3 2 国内外路桥过渡段理论与实验研究现状 国外许多国家对于路桥过渡段存在沉降差和刚度差等问题十分重视，并对路 桥过渡段的处理措施进行专门的研究，具体处理方法各有特色。德国联邦铁路在 第1 章绪论 1 9 8 2 年颁布施行1 6 0 k n 泊以上高速铁路桥梁( d s 8 9 9 1 5 ) ) 和铁路桥梁和其它 结构物( d v 8 0 4 ) 等规程和文件中，对路桥过渡段的设计及施工提出了严格的要 求，在实际工程中采取了特别加固及台后设置滑板( s l i d i n gs l a b ) 等措施；法国采 用在路基与桥梁过渡段设置过渡桥台等措施；美国、日本等国家则采用加筋路基 的方法减小路基的沉降，日本还采取在路基与桥梁过渡段设置碎石填筑段的措施。 h t r u e 1 0 】指出路桥过渡段刚度纵向不均匀变化对轨道变形和破坏有较大影响， 在轨道刚度纵向不均匀和轨道几何不平顺同时作用下，将严重影响列车的运行品 质。 美国t t c i 研究人员d i n g q i n gl i 和d a v i dd a v i s i n 对引起和加速路桥过渡段及 轨道过渡段破坏的因素进行了研究并得出评估过渡段和一些减缓过渡段破坏的措 施。 s w e e ta n dm o r i l l 1 2 】建立了路桥过渡段的三维连续有限元模型，并进行了动力 分析，但其模量采用的土力学参数均假设为理想状态下的参数且模型不符合过渡 段设计要求。 m a r t i na n dy a n 1 3 】采用大应变有限差分程序f l a c 对循环荷载下的路桥过渡段 的变形特性进行了分析。 我国对铁路路桥过渡段的设计、施工、处理、动力学响应等方面都进行了有 益的探索和研究。秦沈客运专线针对路桥过渡段处理问题采取了一些有效的措施， 如采用加筋土、粉喷桩、碎石桩等加固软弱地基，并在台尾一定长度范围内设置 斜搭板的综合措施来处理路桥过渡段问题，取得了明显的成效及宝贵的经验数据。 韩自力【1 4 】等对路基机床、路桥过渡段及路基沉降控制等路基主要技术条件做 了分析。 张宏等【1 5 】结合工程实践及室内试验研究和理论研究，重点探讨了路桥过渡段 设置搭板、土工格网、石灰加固改良处理措施的设计方法与施工质量控制。 杨广庆【1 6 】等人通过试验，研究了路桥过渡段采用级配沙砾石作填料的生产、 填筑、碾压、平整、检测等工艺要求。 高燕希旧等通过室内和现场试验，分析讨论了利用土工网处理高等级公路桥 头“跳车 时桥台背填土沉降的一些影响因素，得出土工网处理桥头“跳车”是 一种有效措施的结论。 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 方法逐步求解列车通过路桥过渡段时车辆、轨道、线路的动力响应。在国内，翟 婉明、罗强、等建立了一套完整的方法，以刚体动力学方法建立车辆模型，以梁 单元模拟钢轨，以一系列线分布的质量、阻尼器和弹簧模拟轨道结构，较为系统 的建立了车辆路桥过渡段的动力模型，经过计算研究得到了很多有价值的结论。 5 北京交通大学硕士学位论文 蔡成标、翟婉吲1 h l 】建立了列车与路桥过渡段动力特性分析模型，确定了一 套轨道过渡段动力特性的评价指标，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。 罗强 2 2 - 2 6 应用车辆与线路相互作用的动力学理论，全面分析了路桥过渡段轨 面弯折变形、轨道基础刚度的变化、不同行车速度、车辆进出过渡段等情况对车 辆垂向加速度和轮轨垂向力等动力学性能指标的影响规律，并指出路桥结构的工 后沉降差引起过渡段轨面弯折变形是影响行车安全与舒适的主要因素，而路桥间 的刚度差引起、列车的行车方向对行车的动力学性能指标影响不显著。同时，对 高速列车通过路桥过渡段的动力学性能分析认为，路桥间轨道基础刚度的变化对 行车安全和舒适性影响甚微，而由不均匀沉降引起的轨面弯折变形对行车影响剧 烈，并对过渡段的变形限值与过渡段长度的确定方法作了一些研究，认为路桥过 渡段合理长度的设置原则，应重点考虑两方面内容：( 1 ) 路桥过渡段的工后沉降 差的限值与过渡段长度间的关系；( 2 ) 路桥过渡段竖向刚度的变化与路桥过渡段 长度间的关系。研究还认为过渡段的刚度变化对过渡段长度设置影响并不显著。 陶向华 2 7 1 通过将a b a q u s 有限元软件应用于车与路相互作用的动态响应研 究中，建立了路桥过渡段三维有限元模型，采用d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性本构模型来 模拟车辆动荷载作用下路基和地基土的变形特征，将车辆荷载视为动态过程，发 现随着深度增加，车辆动荷载的影响逐渐减小，到地基深处基本没有影响。 张洪亮 2 8 2 9 根据路桥过渡段的实际差异沉降图式分别确定了不设和设搭板的 路桥过渡段计算模型，根据对行车舒适性和安全性的影响，把容许台阶高度和搭 板容许纵坡变化值分别作为是否设搭板的路桥过渡段的容许差异沉降控制指标。 分上桥和下桥两种情况，考虑车路耦合和桥面沉降差的影响，对车辆通过设和不 设搭板的路桥过渡段时的人车路系统的相互作用进行了动力响应分析，得到了人 的加速度及路面对车的垂直作用力随时间的变化曲线、人的加速度最大瞬态振动 值和路面对车的最大作用力，分析了车辆的行进方向、速度和载重，桥面沉降差 和搭板长度等车和路各参数对计算结果的影响。以车辆通过路桥过渡段时动力响 应分析结果为基础，提出了路桥过渡段容许差异沉降及工后沉降的确定方法。 李献民1 3 0 j 通过理论研究、数值分析和现场测试，对高速铁路加筋过渡段进行 了静动力特性分析，基于“空间场观点，首次对列车静载作用下过渡段轨道路 基结构的矢量场特征进行研究，认为土工格栅加筋法处理过渡段后，对矢量场分 布具有很好的改善作用；通过对路桥过渡段区域列车移动荷载作用下的车辆一轨道 路基的数值模拟仿真，对比分析了列车驶向、列车速度、过渡段加筋、轨面平顺 性及不平顺波探等因素对车辆轨道路基系统动力性能的影响，并提出了过渡段车 6 第1 章绪论 辆平稳舒适性的动力学控制指标。通过现场实测数据分析，提出了高速铁路过渡 段路基面同样存在“临界速度 的新概念；提出并推导了预测过渡段路基面动力 响应变化趋势的列车轴重变化系数公式；提出了“超高 填筑路基以减小过渡段 沉降差和动力响应的设计思想。 王于【3 2 】等运用车辆轨道耦合动力学理论，以有碴和无碴轨道的过渡段为例， 进行了车辆轨道垂向动态相互作用的仿真研究，指出了确定轨道过渡段长度时所 采用的动力学性能评价指标，并提出了确定轨道过渡段长度的“临界长度法 。 1 3 3 路桥过渡段加强处理措施 随着世界各国高速及重载铁路的发展需要，国内外对过渡段处存在的不平顺 越来越关注并积极采取有效加强措施如：法国在路基与桥梁过渡段设置过渡桥台； 德国通过道碴厚度沿桥梁至路基方向逐渐递减的方式来达到线路刚度渐变的目 地；日本在路基与桥梁过渡段处设置碎石填筑段等。我国在新建铁路线上，对路 桥涵等过渡段采用加筋土、粉喷桩、碎石桩等加固软弱地基，并在台后一定长度 范围内设置斜拖板的综合处理措施来处理过渡段问题，以达到提高线路平顺性， 确保列车安全和平稳运行的目的。 综合上述国内外在处理路桥过渡段方面积累的丰富经验，我们可将铁路路基 与桥梁过渡段处理的核心思想归纳为：一、控制不均匀沉降引起的轨面弯折变形； 二、控制接头处刚度不均匀变化的剧烈程度。 主要通过以下途径实现： 加强路基，增大基床竖向刚度，减小路基结构物的沉降； 过渡段靠路基一侧提高轨道竖向刚度来减小路桥间刚度差异； 桥梁一侧在轨下、枕下及道碴底部设置橡胶垫减小轨道竖向刚度【3 0 吲】。 在实际工程应用中常采取几种方法相结合的形式对过渡段进行综合治理。 1 增大基床竖向刚度 在过渡段靠路基一侧增大基床竖向刚度，通过加强路基结构来减小路基和桥 梁接头处刚度与沉降的差异，缓解路桥过渡段不平顺状态。主要处理方法有：加 筋土法、级配粗粒料填筑法、钢筋混凝土搭板法等【1 6 】。 ( 1 ) 加筋土法 该方法通过过渡段路基填土内埋设拉筋材料，形成加筋土路基结构，不仅提 升路基强度，还可大幅提高路基刚度，显著减小路基变形，如图1 3 所示。此外通 过调整布筋间距和位置，可将路基与桥梁交界处的台阶式跳跃沉降过渡为连续斜 坡式沉降，达到使路桥过渡段平顺过渡的目的。拉筋埋设范围与位置直接影响处理 7 北京交通大学硕士学位论文 效果，如将拉筋仅布置于基床内，主要作用是加强基床结构，增大基床刚度，减 小列车动荷载引起的路基变形；如果将拉筋满布于路堤，则在增大基床刚度的同 时又能减小自重和动荷载作用下路基表面的变形。 图1 - 3 加筋土法 f i g1 - 3r e i n f o r c e dm e t h o d ( 2 ) 级配粗粒料填筑法 路桥过渡段中常使用高强度优质填料( 包括碎石、砂砾石、水泥石灰稳定砂 石土、低标号混凝土等) 来减少路堤自身的压缩性，降低其工后沉降，如图1 - 4 所示。在保证填料压实度的前提下可实现路基与桥梁间刚度与变形均匀过渡，是 减少路桥间差异沉降差最常用的一种处理措施。但在实际工程应用中往往受台后 施工空间限制使得填料压实不充分，这样质量相对较重的填料反而会增大地基沉 降。所以对级配粗粒料必须严格规定检测标准，以确保填筑压实质量。 图1 - 4 级配碎石填筑法 f i g1 - 4g r a d e db r o k e ns t o n ef i l l i n gm e t h o d 近年来国内外大量研究利用轻质高强材料来填筑路桥过渡段。目前常用的轻 型填料有e p s ( 聚苯乙烯泡沫塑料) 、人工气泡混合土( 泡沫水泥砂浆) 、火山灰、 粉煤灰、轻型废弃物、中空构造物等，这些轻型填料具有良好的力学性能，可以 显著减小自身压缩变形，减小对地基作用及桥台结构的水平压力，应用前景广阔。 8 第1 章绪论 ( 3 ) 土质改性法 该方法主要利用换土法、排水固结法等措施来提高填土的强度以降低填土的 压缩性，增加路基的刚度和减小路基的变形。路桥过渡段若位于承载力较低的软 弱土层，而桥头处的软土层又较薄时可采用换土法，其整治比较彻底，效果良好； 排水固结法在国外应用广泛，在路桥过渡段正式施工之前，在饱和性软粘土地基 表面，铺设排水系统( 砂井、塑料排水板、砂垫层等) ，再利用加压系统( 堆载法、 真空法) 使地基土强迫压密，加速固结，等其强度及变形达到设计要求后，再卸 掉加载系统，正式修建建筑物的方法。这样可以增加地基土的刚度系数，提高强 度，减小结构物的工后沉降及沉降差。 ( 4 ) 过渡板法 该法在路桥过渡段路基填料上设置钢筋混凝土搭板，板的一端支承在刚性基 础( 桥台) 上，另一端简支于枕梁上，利用过渡板抗弯刚度增大轨道结构竖向刚 度，可有效减小列车动载作用下对路桥过渡段的冲击作用。该方法在公路系统应 用最为广泛，当用于铁路路桥过渡段时：由于过渡段的范围较大，列车的质量更 重，过渡板受力情况非常复杂且支承条件不易保证，一旦破损，更换非常困难， 同时该处理虽然对轨道刚度增强效果显著，但不能减小板下填土及地基的压密下 沉，须配合其它处理措施才能有效地控制轨面变形。 图1 - 5 桥头搭板法 f i g1 - 5a p p r o a c hs l a bm e t h o d 2 增大轨道竖向刚度 该类处理方法主要目的是通过提高轨道结构刚度来缓解路桥间轨道刚度的剧 烈变化，并不能解决路桥间差异沉降引起的轨面变形，使用时须与其他措施相配 合。具体处理方法有：改变轨枕的长度和间距、设置加强轨及改变道床厚度等。 ( 1 ) 调整轨枕长度和间距提高轨道刚度 在路桥过渡段范围内，通过使用逐步增长的超长轨枕和减小轨枕间距来实现 轨道刚度过渡。 9 北京交通大学硕士学位论文 美国a r e a 在桥头路基上铺设较长的轨枕，其长度沿线逐渐减小，最终降至 标准长度。随着轨枕长度的逐渐变化，轨枕在道床上支承面积逐渐减小，从而形 成轨道刚度的连续渐变。 ( 2 ) 设置加强轨提高轨道刚度【3 3 j 该法为弥补轨道刚度不足，在路桥过渡段路基一侧的钢轨两侧再附加钢轨来 增加轨排的抗弯刚度。 德国i c e 高速铁路的m u h l h e r g 隧道入口处即采用这种方法。该隧道内铺设无 碴轨道，隧道外为有碴混凝土枕轨道，过渡处加强