刚性楔形搭板在均匀地基沉降下的设计优化

王 宇，罗 伟，王 平，方 筠

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

在路桥过渡段处设置刚性楔形搭板是较为常见的处治不均匀沉降的方法之一［1］。在桥梁设计规范中，关于搭板设计的内容不多，只有简单的几条构造要求。在实际设计时主要依靠工程经验，一旦施工不规范，就可能引起桥头跳车［2］。影响刚性楔形搭板作用性能的因素包括地基和路基状况、刚性楔形搭板的设计参数，如弹性模量、板长、板宽、板左右端面厚度、板后HGT层(水硬性支撑层)的长度等。由于刚性楔形搭板在变形过程中与土体相互作用的复杂性及桥头路堤对沉降变形的敏感性，本文利用数值分析方法对刚性搭板的尺寸进行优化，以对搭板在实际工程中的应用有所指导。

1 有限元模型

路桥过渡段刚性楔形搭板布设方式如图1所示。由于轨道具有对称性，本文对轨道取半结构分析，建立有限元分析模型［3-6］。

模型参数的选取参考了无砟轨道的相关数据，采用60 kg/m钢轨;扣件竖向刚度取22.5 kN/mm;采用C40混凝土道床板，板厚0.24 m，板宽2.8 m;HGT层宽3.8 m，厚0.3 m;台后回填土顶宽8.6 m，截面坡度1∶1.5，高6 m。钢轨采用梁单元，扣件采用非线性弹簧单元，其余部分均采用实体单元进行模拟。

图1 刚性楔形搭板的布置示意

模型的边界条件:路堤底面地基沉降量为Δ，y=0;侧面Y方向位移为0，路堤与桥台接触面纵向位移为0;轨道板和HGT层与桥台接触面竖向位移为0;刚性楔形搭板一端简支在桥台，简支长度为0.6 m，另一端自由搁置在路基上。

《客运专线无砟轨道铁路设计指南》规定:路桥或路遂交界处的沉降差异不应大于5 mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1 000。本文选取地基沉降量Δ的变化范围为0～15 mm，研究在均匀地基沉降模式下对刚性楔形搭板的尺寸进行设计优化。

2 刚性楔形搭板尺寸比选

2.1 均匀地基沉降模式下路基顶面位移的影响

图2为均匀地基沉降模式下桥头路基顶面沉降曲线。从图中可以看出，经过搭板处理后，Δ=5 mm时路基顶面下降了0.5 cm，Δ=10 mm和Δ=15 mm时路基顶面分别下降了1.0，1.5 cm，曲线都很平缓，桥台与路堤的沉降差得到了很好的控制与协调。图中桥头路基顶面沉降曲线呈抛物线形，路基顶面沉降受地基沉降的影响比较大，随着地基沉降的增大，其过渡曲线也随之变短。

图2 桥头路基顶面沉降曲线

2.2 刚性楔形搭板长度的选取

在桥头刚性搭板设计中，搭板长度是重要的设计参数之一。理论上搭板长度越长，其过渡段沉降差的处治效果越好，但若要降低工程造价，就要在保证路堤与桥台衔接处沉降差得到控制的前提下，尽量减小搭板的造价。

研究搭板合理长度时，其他尺寸不变，搭板长度分别取 6，8，10，12 m。地基均匀沉降量 Δ =5，10 和15 mm时，搭板长度与路基顶面沉降关系曲线类似，图3给出了Δ=10 mm时搭板长度与路基顶面沉降的关系曲线。从图3可以看出，刚性搭板长度对路基顶面沉降有一定的影响，在6～16 m范围内影响较突出。随着长度的增加，桥头路基顶面的沉降值减小，沉降曲线变化趋缓;且随着地基沉降的增大，长度影响更显著。但是这种沉降值随着搭板长度增加减小的变化率逐渐变小，从6 m增加到8 m时影响较大，而从10 m增加到12 m时影响较小，所以可以认为搭板长度取值应该在8～10 m。L＜8 m时沉降曲线变化较陡，不能满足平缓过渡要求;L＞10 m时增加了工程费用但对沉降曲线影响小，不可取。

图3 地基均匀沉降量为10 mm时搭板长度与路基顶面沉降的关系

搭板长度不仅对路堤的沉降有影响，而且对搭板底纵向应力也有一定的影响，因此分别计算4种不同搭板长度时的搭板底最大纵向应力，所得结果见表1。从表1可以看到，板越长，板底最大纵向应力越大。其中拉应力增大主要是由于板越长，板中弯矩越大，从而板底拉应力增大;压应力增大是因为板越长，厚度沿板长变化率变小，使搭板与桥台相互作用增大。

表1 不同板长在不同地基均匀沉降量时搭板底最大纵向应力 MPa

2.3 刚性楔形搭板宽度的选取

在一些国家搭板宽度一般与接线路面同宽，而国内根据以往的工程经验，搭板较窄，一般与桥梁行车道同宽，或者搭板边缘与桥梁两边耳墙边缘齐平。为了考察刚性楔形搭板宽度对过渡段的影响，保持其他参数不变，刚性楔形搭板宽度取 2.0，2.2，2.4，2.6 m 4种工况。图4给出了地基均匀沉降量Δ=10 mm时搭板宽度与路基顶面沉降的关系曲线。

从图4可以看出，搭板宽度对沉降的影响很小。即使地基沉降达到15 mm，增加搭板宽度依然无法使沉降曲线变得缓和。

为研究搭板宽度对搭板底纵向应力的影响，分别计算4种不同搭板宽度时搭板底最大纵向应力，所得结果见表2。由表2可知，增加搭板宽度，只能很小程度地减小板底最大纵向应力。

图4 地基均匀沉降量Δ=10 mm时搭板宽与路基顶面沉降的关系

表2 不同板宽在不同地基均匀沉降量时搭板底最大纵向应力 MPa

2.4 刚性楔形搭板厚度的选取

桥头刚性搭板设计中，搭板厚度也是重要设计参数，搭板厚度是决定搭板强度和刚度的主要因素。通过改变搭板厚度变化率来改变轨道整体刚度，可使轨道整体刚度从桥台到路基平缓过渡，另外，通过搭板的协调使得路基顶面折角尽量最小。

为了避免其他参数的影响掩盖厚度因素，保持其它参数相同，只改变搭板厚度，分别取HL=0.4 m，HR=0.6 m;HL=0.4 m，HR=0.8 m;HL=0.6 m，HR=0.8 m，依次记为工况1，2，3。图5给出了地基均匀沉降量Δ=10 mm时搭板厚度与路基顶面沉降的关系曲线。从图5可以看出，刚性搭板厚度对路基顶面沉降有较大的影响。这种影响在整个过渡段范围内均有体现。随着搭板厚度的整体增加和变化率的降低，桥头路基顶面的沉降值减小，沉降曲线变化趋缓;并且随着地基沉降的增大，这种影响更加显著。从消除路基顶面折角考虑，应尽量采取工况3的厚度参数。

图5 地基均匀沉降量Δ=10 mm时搭板厚度与路基顶面沉降的关系

表3为不同搭板厚度在不同地基均匀沉降量情况下搭板底产生的最大纵向应力。由表3可知，工况3的板底最大纵向应力值最小，即增加搭板整体厚度和减小厚度变化率对搭板受力有利。

表3 不同板厚在不同地基均匀沉降量时搭板底最大纵向应力 MPa

3 结论和建议

1)地基沉降变形是路桥过渡段桥台与路堤沉降差的主要构成部分，路堤纵向的工后沉降变形是影响刚性楔形搭板适应性和尺寸参数的关键因素。

2)刚性楔形搭板处治后，桥台与路堤的沉降差得到了很好的控制与协调，路基顶面沉降曲线在均匀地基沉降模式下呈抛物线型。

3)刚性楔形搭板长度对减小沉降、折角影响很大，但当不改变其他参数，仅增加搭板长度时，从6 m增加到8 m影响较大，长度增加至10 m以后，这种影响就变得很小。因此，刚性楔形搭板长度宜取8～10 m。

4)刚性楔形搭板宽度对减小沉降、折角影响很小，在设计中刚性楔形搭板宽度以2.0～2.2 m为佳。

5)刚性楔形搭板整体厚度及厚度变化率对减小沉降、折角影响也很显著。在地基沉降较大的地区宜采用较厚且厚度变化率较小的刚性楔形搭板进行处治。

［1］赵才友，王平，田洪宁.高速铁路桥头刚性楔形搭板受力特性及适应性研究［J］.城市轨道交通，2012(4):61-66.

［2］王志德.搭板设计参数优化解决桥头跳车的研究及应用［D］.武汉:武汉理工大学，2011.

［3］赵才友，王平，蒋孟菲，等.路桥过渡段刚性楔形搭板受力特性及适应性研究［J］.中国铁路，2010(9):56-59.

［4］俞永华，谢永利，杨晓华.路桥过渡段路基加固体的拓扑优化［J］.长安大学学报，2007，27(6):40-43.

［5］李智峰，陶向华，李冬梅.路桥过渡段差异沉降对搭板性能的影响［J］.公路工程，2009(1):77-81.

［6］孟凡明.桥台搭板的设计优化［J］.工程建设与设计，2009(11):125-126.