高速铁路路桥(涵)过渡段的新型设计方法研究＊

杨长卫，张建经，朱浩波，谢晓安

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.中国水电集团京沪高铁三标项目部，山东泰安 271000)

高速铁路路桥(涵)过渡段的新型设计方法研究＊

杨长卫1，张建经1，朱浩波2，谢晓安2

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.中国水电集团京沪高铁三标项目部，山东泰安 271000)

高速铁路路桥(涵)过渡段一直是高速铁路路基中最薄弱的环节，为了改进过渡段的性能，保证轨道的平顺性，介绍了一种由碾压混凝土和变态级配碎石组成的新型路桥(涵)过渡段。为了检验其过渡效果，建立了考虑路基结构层之间相互作用的路桥过渡段垂向动力学模型，分析了该过渡段在高速列车作用下的动力性能。结果表明:新型过渡段的轨面弯折角沿线路方向基本不变，轨面沉降沿线路方向呈线性分布，说明由碾压混凝土和变态级配碎石组成的新型过渡段能够较好地实现由刚性桥台向柔性路基的过渡;比较了过渡段沉降量的数值计算结果与实测结果，两者较接近，进一步验证了新型过渡段的合理性和优越性。

高速铁路;路桥(涵)过渡段;变态级配碎石;碾压混凝土;数值分析

控制线路的平顺性是高速铁路设计的核心内容之一，是保证高速列车安全、可靠、舒适运行的前提。无论是既有线路还是新建线路，路桥过渡段均是影响线路平顺性的重要路段。在我国的相关规范［1－3］中规定路桥(涵)过渡段应采用倒梯形结构来实现由刚性桥台(涵洞)向柔性路基的过渡。但是，从现场检测结果来看，过渡段常存在以下2个问题:首先，过渡段的刚度过大，远远超出了规范要求的临界值(见表1)，容易造成过渡段－路基连接处在列车荷载的重复作用下出现较大的工后沉降差，而过大的工后沉降差又容易造成该处倒梯形过渡段的上表面出现拉应力，甚至开裂等破坏;其次，在桥台后2 m范围内采用小型机具进行碾压，其压实质量难以得到保证，当高速列车通过该区段时，将产生一个附加冲击力作用，加大了该处路基的累积变形，恶化线路状态，降低轨道结构的使用寿命，影响列车运行的舒适度。因此，有必要针对如何实现由刚性桥台向柔性路基平稳过渡的问题开展深入研究。

针对上述问题，以京沪高速铁路第3标段为工程依托，借鉴水工、坝工的工程经验，提出了一种新型路桥(涵)过渡段，结合现场实测的土性参数和试验条件，选取典型工点，从数值模拟和现场实测2个方面对新型路桥(涵)过渡段的合理性和优越性进行综合对比分析。

1 新型路桥(涵)过渡段概况

根据相关标准［1－3］的要求，京沪高速铁路第3标段采用掺5%水泥的级配碎石进行过渡段填筑，并对其压实效果进行了现场检测。但检测结果具有一定的离散性，本文采用格拉布斯法剔除其中可疑数据，求得掺5%水泥级配碎石过渡段压实质量检测结果的平均值，见表1。

表1 级配碎石过渡段压实质量检测结果表Table 1 Compaction quality test results for graded gravel transition section

由表1可知，对于掺5%水泥的级配碎石过渡段，在碾压后4 h内的检测结果能够较好地满足规范要求。但是，第2 d和第3 d的检测结果显示掺5%水泥级配碎石的各项指标远远超出了规范的要求。出现上述现象可能是由于碾压后4 h内水泥浆液处于凝结阶段，过渡段的强度主要由级配碎石提供，而2 d以后水泥浆液处于硬化阶段，过渡段的强度主要由水泥胶结的碎石块体来提供，前者的强度低，可塑性强，而后者则恰恰相反。

针对上述问题，借鉴水工、坝工碾压混凝土和变态混凝土的工程经验，本文提出了适合高速铁路建设的新型路桥(涵)过渡段，即在桥台后0～2 m范围内采用变态级配碎石，而在过渡段的其他部位采用碾压混凝土进行填筑。所谓变态级配碎石是指采用掺入一定比例粉煤灰的混合水泥浆液，通过人工加浆的方式，将其注入级配碎石中，然后使用混凝土振捣器进行振捣而形成的混凝土类似物。碾压混凝土则是采用掺入水泥和粉煤灰的改良级配碎石来代替只掺入5%水泥的级配碎石，同时借用碾压混凝土技术而形成的一种新型工艺。这样既可以通过高强度的变态级配碎石来解决桥台后2 m范围内采用小型机具进行碾压，其压实质量难以得到保证的问题，又可以利用碾压混凝土来适当降低过渡段的刚度，增强自身的可塑性，减小过渡段－路基连接处的工后沉降差，降低了倒梯形过渡段上表面出现拉应力的危险，同时，使用粉煤灰代替部分水泥，降低了工程造价，节约成本。

综合以上分析可知，碾压混凝土和变态级配碎石制作的核心是变态浆液的确定，即掺入水泥和粉煤灰的比例。京沪高速铁路第3标段在曲阜东站试验段开展了大量的现场试验，具体结果见图1～图4。

图1 Ev2随粉煤灰含量的变化关系图Fig.1 Relation diagram between static deformation modulus Ev2and the content of coal ash

图2 Evd随粉煤灰含量的变化关系图Fig.2 Relation diagram between dynamic deformation modulus Evdand the content of coal ash

图3 K30随粉煤灰含量的变化关系图Fig.3 Relation diagram between the coefficients of subgrade reaction K30and the content of coal ash

图4 n随粉煤灰含量的变化关系图Fig.4 Relation diagram between porosity n and the content of coal ash

综合分析图1～图4可知，采用掺水泥和粉煤灰的改良级配碎石进行路桥(涵)过渡段填筑压实时，各项力学指标的检测结果均能满足规范要求，且在碾压后4 h以内，Ev2，Evd，K30以及n的检测结果均随粉煤灰含量的增加而增加，在粉煤灰含量达到60%时出现峰值，而在碾压后12 h和24 h，Ev2，Evd以及K30的检测结果显示随粉煤灰含量的增加而减小。因此，依据上述试验结果，结合地基系数K30，Evd，Ev2以及n的现场检测情况，并综合考虑现场施工的干扰，选择粉煤灰掺量为60%。

2 数值分析

为了研究新型路桥过渡段和掺5%水泥的级配碎石的路桥过渡段在350 km/h高速列车荷载作用下各自的动力响应，本文首先通过仿真软件ADAMS建立车辆—轨道动力学模型来计算轮轨作用力，之后利用有限元软件MIDAS/GTS建立轨道—路基动力学模型来计算路基的动力响应，两者通过轮轨作用力进行耦合。

2.1 车辆—轨道—路基耦合系统垂向动力学分析模型

以京沪高速铁路DK533+440.5工况点的倒梯形过渡段为工程依托，建立车辆—轨道—路基耦合垂向动力学分析模型。该模型主要包括车辆—轨道动力学模型、轨道—路基动力学模型，两者通过轮—轨间作用力进行耦合，如图5所示。图中车体被简化为刚体，钢轨被简化为具有连续点支撑的欧拉梁［4］;轨道板简化为弹性基础上的有限长自由梁;钢轨、轨道板、支撑层、摩擦板之间采用连续点弹簧单元和阻尼单元进行连接;摩擦板和路基之间的水泥沥青砂浆，简化为连续分布的线性弹簧单元和阻尼单元(KCA，CCA)。基床表层、基床底层、路基本体、级配碎石等结构层离散化为刚性质量块，结构层之间分布连续弹簧单元、阻尼单元以及应力单元(Ki，Ci，σmaxi)，且参数沿路桥过渡段走向逐渐变化。级配碎石与基床底层、路基本体之间设置连续分布的弹簧单元和阻尼单元(Kj，Cj)，以考虑它们之间的相互作用。该模型中所涉及的物理参数详见文献［5］。

图5 路桥过渡段车辆—轨道—路基耦合系统垂向动力学分析模型Fig.5 Vertical dynamic analysis models of vehicle－track－subgrade coupled system

2.2 计算模型

选取京沪高速铁路DK533+440.5路桥过渡段作为典型工点来进行研究，具体几何尺寸如下:基床表层厚0.7 m，基床底层厚2.3 m，路堤填土厚6 m，CRTSⅡ型轨道板尺寸(长 ×宽 ×高)为6.45 m ×2.55 m ×0.2 m;水硬性材料支撑层顶面宽度为 2.95 m，底面宽度为 3.25 m，厚度为 0.3 m;摩擦板宽9.0 m，厚 0.4 m;水泥乳化沥青调整层的设计厚度为0.03 mm，过渡段采用倒梯形设置形式，梯形下边界长 3.0 m，坡比为 1∶2.7，几何模型见图6。基床表层采用级配良好的碎石进行填筑，路基本体和基床底层采用掺28%碎石的改良土，地基是风化花岗片麻岩。对于新型过渡段，在桥台后0～2 m范围内采用变态级配碎石，其他部位采用碾压混凝土进行填筑;对于原设计要求的过渡段，采用掺5%水泥的级配碎石进行填筑。依据上述几何模型，采用2.3.2节所确定的列车荷载，利用有限元软件MIDST/GTS对路桥过渡段进行数值建模，数值模型见图7。

图6 过渡段几何模型图Fig.6 Geometric model of transition section

图7 过渡段数值模型图Fig.7 Numerical model of transition section

2.3 计算参数的确定

2.3.1 材料参数的确定

由于在振动下边界反射对路桥过渡段的动力响应存在较大影响，因此本文通过施加黏弹性边界来消除该影响。根据材料的力学特性来选取合理的本构模型，具体力学参数见表2。

表2 材料的物理、力学特性参数Table 2 Physical and mechanical characteristic parameters for the materials

2.3.2 列车荷载的确定

本文选取高速客车［5］的相关参数建立车辆模型，利用仿真软件ADAMS建立车辆－轨道－路基空间耦合动力学仿真模型。该车辆模型运行时速为350 km/h，施加300 000个轮载循环(相当于京沪线正常运行约24 d)，以考虑高速列车荷载的重复作用。为了考虑轨道的不平顺性，本文选取中南大学和长沙悦诚机电科技有限公司对京沪高速铁路第3标段轨面平顺性的现场调整结果［6］进行分析，以提高仿真效果。由于ADAMS自身的局限性，不能很好模拟土体的本构特性。因此，通过在路基与轨道之间沿线路方向均匀布置非线性点弹簧单元和阻尼单元来考虑轨道－路基间的相互作用，仿真模型见图8，计算结果见图9。

图8 机车—轨道—路基耦合系统模型轴视图Fig.8 Vehicle － track － subgrade coupling system model(axis view)

图9 轮载时程曲线示意图Fig.9 Wheel load versus time curve

2.4 计算结果

本文所采用的轨面弯折角均为轨道表面某点的切向转角，而非割线转角。

材料刚度大小的分布规律:变态级配碎石＞掺5%水泥级配碎石＞碾压混凝土。

针对新型过渡段和掺5%水泥的级配碎石过渡段(原设计过渡段)，研究高速列车作用下各自的动力响应，具体计算结果如图10～11。

图10 轨面竖向沉降量沿纵向分布图Fig.10 Diagrams for longitudinal distribution of the volume of vertical settlement on rail－surface

图11 轨面弯折角沿纵向分布图Fig.11 Diagrams for longitudinal distribution of rail－ surface bending angle

由图10可知，在过渡段部分，新型过渡段的最大沉降量大于原设计过渡段的最大沉降量;在路基部分，新型过渡段的最大沉降量与原设计过渡段的最大沉降量基本一致;在过渡段—路基连接处，原设计过渡段的沉降差约为新型过渡段沉降差的2.0倍，而过大的沉降差又容易造成钢轨上表面出现拉应力。图11显示了在过渡段部分，新型过渡段的最大轨面弯折角小于原设计过渡段的最大轨面弯折角，且前者的轨面弯折角沿线路方向基本不变;在路基部分，两者的轨面弯折角基本一致，接近 0;在过渡段—路基连接处，原设计过渡段的轨面弯折角突然增大的幅度约为新型过渡段的4倍，而轨面转折角较大的突变又将会严重影响线路的平顺性。出现上述现象可能是由于新型路桥过渡段使用了碾压混凝土，而碾压混凝土是在满足质量要求的前提下适当降低了自身的强度，增强了自身的可塑性，增大了自身的沉降量，从而减小了过渡段—路基连接处的沉降差以及该处轨面弯折角突变的幅度，降低了倒梯形过渡段上边界因受拉而出现开裂的危险，充分体现了碾压混凝土的优越性。同时，在桥台接触区内采用高强度的变态级配碎石，有效抵御了列车荷载在此处附加冲击力作用，减小了沉降量，使得轨面的沉降量沿其线路方向呈线性分布，较好地实现了由刚性桥台向柔性路基的过渡，充分体现了变态级配碎石的优越性。

综合以上分析可知，碾压混凝土能够有效地解决过渡段刚度过大的问题，降低了倒梯形过渡段上边界出现开裂的危险，同时变态级配碎石则能够有效地解决桥台后2 m范围内采用小型机械进行压实，其压实质量不能得到保证的问题。因此，新型路桥(涵)过渡段能够较好的实现由刚性桥台向柔性路基的平稳过渡，具有一定的优越性。

3 现场实测

新型路桥(涵)过渡段在京沪高速铁路第3标段已经成功应用，并取得了显著的经济效益，为以后在高速铁路建设中的推广应用提供了宝贵经验。为了进一步验证新型路桥(涵)过渡段的可行性，京沪高速铁路第3标段选择了路桥过渡段数值分析模型的原型DK533+440.5工况点，采用与其他过渡段相同的施工机械进行施工，选取由变态级配碎石+碾压混凝土组成的新型过渡段形式，并在距离桥台25 m的基床底层顶部埋入沉降观测设备，定期进行沉降观测，观测结果见图12。

图12 沉降监测数据Fig.12 Dates of settlement observation

由图12可知，在工后24 d，测点的实测沉降量为4.06 mm，数值计算结果与其基本一致。在工后48 d以后，基床底层顶部的沉降量已经基本趋于稳定，且工后最大沉降量小于15 mm，满足设计要求。因此，上述新型路桥(涵)过渡段是可行的。

4 结论

(1)将碾压混凝土和变态混凝土施工工艺的设计理念和指导思想引入高速铁路建设领域，可有效改善路桥过渡段的工作性态。

(2)在列车荷载的重复作用下，对于掺5%水泥的级配碎石过渡段(原设计过渡段)和由变态级配碎石+碾压混凝土组成的新型过渡段来讲，在过渡段部分，原设计过渡段轨面的最大沉降量小于新型过渡段轨面的最大沉降量，而新型过渡段轨面的竖向沉降量沿线路方向呈线性分布;原设计过渡段轨面的最大弯折角大于新型过渡段轨面的最大弯折角，且原设计过渡段的轨面弯折角沿线路方向分布极不均匀，最大值出现在桥台后5 m处，而新型过渡段的轨面弯折角沿线路方向基本不变。在路基部分，2种过渡段的轨面沉降量、轨面弯折角基本一致。在过渡段－路基连接处，原设计过渡段轨面的沉降差大于新型过渡段轨面的沉降差，且原设计过渡段轨面弯折角的突变幅度也大于新型过渡段轨面弯折角的突变幅度。因此，新型路桥过渡段能够更好地实现由刚性桥台向柔性路基的过渡。

(3)从数值模拟、现场实测2个方面对由碾压混凝土和变态级配碎石组成的新型路桥(涵)过渡段进行综合性分析，得出该过渡段具有较突出的优越性。首先，使用粉煤灰代替部分水泥，降低了工程造价。其次，粉煤灰的粒径与水泥的粒径不同，掺入粉煤灰不仅能够较好地改善级配碎石的级配组成，提高了压实质量，而且能够通过适当降低过渡段的刚度来增强自身的可塑性，有效地解决过渡段刚度过大的问题，降低了倒梯形过渡段上边界出现开裂的危险。最后，在桥台后2 m范围内采用变态级配碎石来取代小型振动压实设备，改善了压实质量，提高了作业效率，降低了工程造价，并且有效解决了桥台后2 m范围内采用小型机械进行压实其压实质量不能得到保证的问题。

［1］客运专线铁路路基工程施工技术指南(TZ212－2005)［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

Passenger dedicated line railway subgrade engineering construction technology guidelines.(TZ212 －2005)［S］.Beijing:Railway Publishing House of China，2006.

［2］客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准.铁建设［2007］85号［S］.北京:中国铁道出版社，2007.Passenger dedicated line ballastless track railway engineering construction quality acceptance interim standards.Iron construction ［2007］ No.85［S］.Beijing:Railway Publishing House of China，2007.

［3］客运专线无砟轨道铁路设计指南.铁建设函［2005］754号［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

Passenger dedicated line ballastless track railway engineering design guidelines.Iron construction［2005］No.754［S］.Beijing:Railway Publishing House of China，2005.

［4］翟婉明.车辆—轨道耦合动力学［M］.北京:中国铁道出版社，1997.

ZHAO Wan－ming.Vehicle－track coupling dynamics［M］.Beijing:Railway Publishing House of China，1997.

［5］罗 强.高速铁路路桥过渡段动力学特性分析及工程试验研究［D］.成都:西南交通大学，2003.

LUO Qiang.Dynamic characteristics analysis and project test research on bridge－subgrade transition section of high speed railway［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong U-niversity，2003.

［6］翟婉明.车辆—轨道垂向系统统一模型及耦合动力学原理［J］.铁道学报，1992，14(3):10 －21.

ZHAI Wan－ming.Unified model for vertical system vehicle － track and its coupling dynamics principles［J］.Journal of China Railway Society，1992，14(3):10 －21.

［7］王 于，翟婉明，王其昌，等.一种确定轨道过渡段长度的新方法［J］.铁道工程学报，1992(4):25－28.

WANG Yu，ZHAI Wan － ming，WANG Qi－ chang，et al.A new method for ascertaining the length of transition section of track［J］.Journal of China Railway Engineering Society，1992(4):25－28.

［8］中南大学，长沙悦诚机电科技有限公司.京沪高速铁路轨面平顺性调整报告［R］.长沙:中南大学，2010.

Central South University，Changsha Yuecheng Electrical and Mechanical Technology Company.The smooth adjustment of railway track of Beijing－Shanghai high－speed railway［R］.Changsha:Central South University，2010.

［9］罗 强，蔡 英.高速铁路路桥过渡段变形限值与合理长度研究［J］.铁道标准设计，2000，20(6－7):2－4.

LUO Qiang，CAI Ying.Research on the deformation limit value and reasonable length of bridge－subgrade transition section of high speed railway ［J］.Railway Standard Design，2000，20(6 －7):2 －4.

［10］佐佐木直树.板式轨道［M］.王其昌，译.北京:中国铁道出版社，1983:13 －18.

Sasaki Zhishu.Slab Track ［M］.WANG Qi-chang，Trans.Beijing:Railway Publishing House of China，1983:13－18.

［11］HA IW an－Ming.Two simple fast integration methods for large－scale dynamic problems in engineering［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1996，39(24):4199－4214.

［12］LIAN G Bo.Dynamic analysis of the vehicle－subgrade model of vertical coupled system ［J］.Journal of Sound and Vibration(SCI)，2001(1):79－73.

Research on the new design method of high－speed railway bridge(culvert)－subgrade transition section

YANG Chang-wei1，ZHANG Jian-jing1，ZHU Hao-bo2，XIE Xiao’an2

(1.Civil Engineering Department，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.Third Section of Beijing－Shanghai High－speed Railway of SINOHYDRO，Taian 271000，China)

Bridge－subgrade transition section is always the weak link of high－speed railway subgrade.This paper introduced a new type of bridge－subgrade transition section which is composed of the roller compacted concrete and the abnormal graded gravel in order to improve the performances of transition section and guarantee the smoothness of railway.Establishing a vertical dynamic analysis model of bridge－subgrade transition section which considered the interaction among different structural layers in the subgrade system furtherly，this paper analysed the dynamic performances of this new transition section in order to check the transition effects.The results show that the bending angle of rail surface is almost constant along the rout and the settlement along the rout is linearly distributed，which verifies the new transition can realize the transition from the rigid abutment to the flexible subgrade.At last，the rationality and the superiority of the new transition are verified because the results of on－site settlement observation are close to the results of numerical analysis.

high speed railway;bridge(culvert)－subgrade transition sections;abnormal concrete numerical model;roller compacted concrete;numeric analysis

U442.5

A

1672－7029(2011)05－0006－06

2011－06－30

国家自然科学基金重大研究计划项目(41030742);铁道部科技研究开发计划项目(2009G010－c)

杨长卫(1987－)，男，河南洛阳人，博士研究生，从事高速铁路路基动力学研究