高铁路桥过渡段轨道板离缝引起的路基膨胀响应分析

收稿日期：2023-11-15

作者简介：陈昌东（1991—），男，江苏盐城人，本科，工程师，研究方向：高铁桥梁与路基。

摘 要：高速铁路路桥过渡段存在雨水及地下水入渗的风险，会影响路基的稳定性。过渡段路基存在施工缝，降水时雨水会从这些缝隙渗入路基，而过渡段路基填料有一定的膨胀性，当水渗入时，路基会因膨胀而变得不稳定。为解决该问题，以某高铁某路桥转换区路基膨胀问题为研究对象，采用变形监测数据、水文地质资料、室内试验与数值模拟相结合的方法，开展路桥转换区路基膨胀变形问题的研究。根据现场实测资料进行了分析，得出离缝对路基膨胀变形有一定影响，从而导致路基的不均匀膨胀问题。在室内试验方面，对该过渡段的材料进行力学性质测试，为后续的数值模拟提供参考数据。在找出病害原因之后提出解决方案，以减轻路基的膨胀问题，为铁路交通的安全运行和建设提供相关的参考。

关键词：高铁路桥；过渡段轨道；轨道板离缝；路基膨胀；响应分析

中图分类号：U213                                  文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）03-0043-03

0 引言

高速铁路路桥过渡段轨道板产生离缝会导致列车通过时发生剧烈振动。因此，需要采取一系列措施来确保过渡段的稳定性和安全性[1]。例如，使用特殊的填料来降低路基的膨胀性，定期检查和维护过渡段，通过这些措施确保其长期稳定性和安全性。

为了对高铁路桥过渡段轨道板离缝引起的路基膨胀响应分析，以某高鐵路桥过渡段轨道板离缝引起的降雨入渗为研究背景，结合现场地形地貌、水文地质条件以及实验室研究数据，构建过渡段雨水渗透数值有限元分析模型，分析路基过渡段的变形特征与变化规律。

1 工程概况

在某高速铁路某段高铁线路的日常检查中，工作人员发现该路段出现了裂缝问题。随后，扩大了检查范围，发现该路段轨道板多处出现离缝。路肩侧出现无砟轨道自密实混凝土与底座板离缝6 mm，深度达到了94 cm，两线间侧离缝2 mm，深度为24 cm，底座板的高低错台达到了6 mm。经过多方面的观察和分析，这些裂纹产生的时间较久，已经存在相当长的一段时间了。

2 路基填料室内试验

2.1 岩矿情况与电镜分析

试验对象选取4个断面样品以及里程DK62+370段路堤处泥岩。这些岩石呈灰黑色、硬度差、层理发育，由泥质及炭质成分组成。对这些样品的成分分布分析后，发现泥质约占79%、炭质约占8%、玉髓约占5%、白云石约占3%。泥质成分主要由水云母高岭石组成，鳞片状，炭质成分呈粉末状，玉髓成分以圆球形为主，白云石成分个别呈自形状，石英粉砂成分呈棱角。通过对样品进行成分分析，更好地了解路堤原风化泥岩的成分组成，从而为岩石的分类、地质演化等方面的研究提供更为详细的数据支持。

对原岩地基岩石泥质粉砂岩和DK62+420边坡1.5 m处进行X射线衍射分析，结果表明，DK62+420边坡1.5 m处的样品主要含有石英、高岭石和方解石，其中石英的含量为81.0%，高岭石和方解石分别为3.4%和5.1%。根据分析结果可知，填料以石英砂岩为主，含有部分炭质页岩或炭质灰岩。这种填料的优点是稳定性好、耐磨性强、抗冲刷能力强，在道路建设中被广泛使用。强风化泥质粉砂岩成分以石英为主，石英含量为72.8%，其次为白云母和绿泥石。这种岩石的优点是硬度较高、不易产生细碎颗粒，因此也可以作为填料使用。如果路基填料的膨胀性不明显，说明在填料选择和建设过程中，需要考虑填料的可塑性和渗透性，以确保路基的稳定性和耐久性。

2.2 填料膨胀性试验

研究人员对DK62+386断面和DK62+420断面的土样进行了自由膨胀率试验和有荷载膨胀率试验，并得出了实验结果，各处样品膨胀率试验结果见表1。在进一步的研究中，选取一断面的土壤样品，制备出含水量为10%、15%、20%、25%的柱状式样，开展了直径为150 mm，高300 mm的三轴实验，研究了无载荷及有载荷情况下含水量对试样纵向膨胀的影响。

填料试验结果显示，该填充物的最大天然膨胀率和最大荷载膨胀率分别为25.04%和0.008%。研究发现，当含水量很高时，填充体的膨胀度随含水量的升高而增加，且膨胀系数的改变是逐步递减的。这表明填料膨胀度与含水量成正比。荷载对膨胀量也有显著影响，在无载荷条件下，含水量为25%时膨胀系数为18.1 mm，在垂直加载45 kPa和含水25%的情况下，加载后的膨胀量只有3.2 mm，表明加载作用对填料膨胀性能有显著的影响。

填料的膨胀量受到多种因素的影响，包括填料的含水率和荷载作用等，在填料工程设计中，需要全面考虑填料的膨胀性及其影响因素，以确保工程的稳定性和耐久性。

3 路基膨胀数值分析

通过对该地区全年降雨情况分析后发现，该地降雨时间长，夏季雷暴天气多，地下水位全年有着明显的变化。为此建立了过渡段有限元模型，有限元模型如图1所示。

模型约束是加固设计中的重要环节，侧面约束水平位移，地面约束水平和竖直位移，保证模型在加固过程中的稳定性。将地表面设置为降雨边界，雨强按面流量施加。当降雨量超过土体入渗量时，改变为零压边界，并产生径流。土体和褥垫层采用平面应变单元，过渡段采用板单元。采用三角形网格对模型进行网格划分，能够准确地模拟土体的变形情况。

荷载计算是加固设计中的重要环节，根据规范对轨道及列车荷载换算土柱高度和分布宽度进行取值，确保在加固过程中，荷载得到合理的计算和施加[2]。过渡段设计是桥梁加固中的一个重要环节，底部宽度5 m，斜坡125 m，顶部宽度20 m，计算长度80 m，高度60 m。用CFG桩进行方法进行加固，桩的长度为12 m，直径0.5 m，距离桥台0～20 m的区域为正方形布置，间距1.5 m。距离桥台20～80 m的区域为正方形布置，间距2 m。确保桥梁得到有效的加固并具有更好的稳定性和安全性。

3.1 降雨参数设定

为了更准确的预测路基变形和稳定性，有限元分析中需要考虑降雨参数的影响。为了提供一个统一的标准，采用平均降雨量的方法来设定降雨参数。这种方法通过统计历史降雨数据，计算出平均降雨量，并将其用作模拟分析的降雨参数。其中，日降雨量和降雨总时长是最常用的参数。但在实际降雨情况中，不同季节和地区的降雨情况可能会有很大的差异，在模拟分析中，需要考虑不同降雨强度和降雨持续时间对路基的影响，这样可以更准确地预测路基的变形和稳定性，提高道路的安全性和可靠性。

3.2 降雨工况设置

为分析过渡段降雨情对路基变形的影响，研究人员根据四季降雨设置了4种降雨工况。

为了研究不同季节的降水条件下路基变形情况，进行了不同工况的设置，具体工况设置如下：①工况1。在离缝和轨道板裂缝之前30 d，每天平均降水5.1 mm。并对此路段的日降水5.1 mm及一月份后的路基变形情况进行计算。一月后对该工程进行50 kPa的加载试验，并对其进行了载荷作用下的路基情况进行检测。②工况2。针对梅雨季节进行模拟，分析了7 h小雨和7 h中雨条件下的道基变形。在此基础上，以50 kPa的荷载作用，检测降雨对路基变形的作用。③工况3。针对夏季的雷雨进行了数值进行模拟，分析了暴雨2 h、大雨2 h、中雨2 h、小雨6 h后，路基的变形状况。在施加50 kPa的载荷后，再对其进行观测。④工况4。以中等强度降雨为例，研究大雨1 h、中雨1 h、小雨8 h后的地基變形，并在此基础上以50 kPa的荷载作用，进一步检测降雨对路床表面的作用。

3.3 结果分析

工况1的降雨数据来源气象局的实测数据和降雨模拟软件。在得到降雨数据后，本文对10、20、25、30 d和荷载作用下的路基变形及概况做分析。研究结果表明，路基的膨胀系数差异不大，而交接部的膨胀系数有很大的差异。例如，经过30 d的大雨，桥台锥坡处的膨胀量达到了18.81 mm，桥台的膨胀量仅为2.54 mm，过渡段20 m范围内的膨胀量则达到了16.27 mm。50 kPa荷载时，路基面膨胀量显著降低。路基段与倒梯形过渡段处的差距也减小。

因此，在铁路建设和维护中，需要对路基面变形情况进行及时监测和维护，以确保铁路运行的安全性和稳定性。在降雨30 d后，路基的膨胀量明显大于20 d和10 d，这表明持续降雨时路基面膨胀的一个重要原因。

根据工况2和工况3的实验数据，不同的降水条件下，地基膨胀量随降水的增加而增大，路基在降雨150 h的膨胀量为10.880 mm。说明即使降雨不是很强，长时间的降雨也会导致路基膨胀。在工况3中雨量中等，在12个h连续降水条件下，路基表层最大沉降量为9.753 mm，这表明路基最大膨胀量还与降雨持续时间有关[3]。

试验结果表明，在不同的降水状态下，路基变形的程度大小是不一样的。在进行实验中，研究人员考虑了不同降雨条件下的路基膨胀深度，并发现其中工况4降雨条件对路基膨胀深度的影响最大，达到了5.88 m。这些实验结果并不是完全一致的，因此在实际工程中还需要具体情况具体分析。在进行路基设计时，应该根据所处地区的降雨条件以及路基填料的特性，合理地进行设计和施工，以保证路基的稳定性和安全性。

4 结束语

通过该研究发现，过渡段路基填料的微膨胀性和离缝现象对铁路交通的安全性产生了一定的影响。因为过渡段路基填料具有一定的微膨胀性，所以填缝材料在使用过程中会发生微小的膨胀现象，而离缝会导致填缝材料的膨胀更加明显。裂缝很容易积累雨水，使其更易于渗入路基，从而给路面带来不可避免的损坏。

在强降雨时，这种问题会变得更加突出。路基遇水后发生了一定程度的膨胀，裂缝的出现使得路基膨胀量增大，降水渗透的作用区域与降水的强弱密切相关。降雨强度越大，持续时间越长，入渗的范围就越广，对路面的影响也就越大。

倒梯形转换路段与路基之间的伸缩膨胀差异及土体向外部膨胀力共同对路基产生挤压效应，导致路面变形，而高强型的钢轨面板能有效地改善这种现象。在列车载荷作用的影响下，轨道板不断受到荷载冲击和膨胀所产生的挤压力。这些力量会导致轨道板表面的离缝现象更加明显，轨道板表面的离缝在过渡段得到发展的概率也更高。

在高速铁路路桥过渡段的建设中，微膨胀土作为路基填料使用会导致病害的产生，因此，应尽量避免使用微膨胀土，并加强防水入渗工作，从材料源头上控制病害产生，保障高速铁路的运营安全。

为了解决这些问题，需要对过渡段路基填料进行改进和升级。例如，在填料中添加适当的添加剂，可以减少填料的膨胀性和离缝现象。此外，还可以对轨道板进行改良，增加其抑制不均匀变形的能力，从而提高轨道板的使用寿命和安全性。

参考文献

[1] 程建军，王瑞，祁延录，等.无砟轨道涵洞过渡段路基膨胀引起的轨道上拱响应[J].中国铁道科学，2020，41（6）：10-19.

[2] 郑明新，熊浪，任勇江，等.高铁路桥过渡段轨道板离缝引起的路基膨胀响应分析[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2023， 42（2）：52-59.

[3] 王梦田，王瑞，程建军，等.路桥过渡段基床填料膨胀诱发无砟轨道上拱规律研究[J].铁道科学与工程学报，2021，18（3）：645-652.