黄土高速铁路路基帮宽结构沉降变形模型试验分析

黄岩松

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

为满足快速增长的客运需求，优化拓展区域发展空间，后期新修建的高速铁路、区域连接线、城际铁路难以避免地会并行或接轨既有高速铁路的状况，由此出现一系列的新建线路路基并行或接轨既有高铁路基，即既有高铁路基工程会越来越多。帮宽路基使既有高铁路基的原有平衡被打破，必会引起应力重分布，从而引起既有高铁产生相应的内力和变形，而既有高铁对变形要求极为严苛，若引起的沉降变形超过高速铁路设计规范路基工况后沉降控制允许值，将会对既有高速铁路列车运行的舒适性和安全性构成巨大威胁[1]。

许多学者对路基帮宽进行了大量研究和分析。杨茂[2]等对土工格栅在路基帮宽结构中开展广泛研究，实践和试验研究表明，加设土工格栅会引起路基帮宽结构内部发生土拱效应及搭接处底部应力集中，使得既有-新建路基差异沉降明显减小，从而揭示出土工格栅控制帮宽路基结构具有较好的优良性状。张功新[3]通过理论分析，探究了土工格栅对路基帮宽结构稳定性和沉降变形的影响，认为随着服役年限的增加，土工格栅所发挥的作用逐渐减弱，既有和帮宽路基稳定性逐渐降低。胡润乾[4]对比分析了路基填筑普通填料和轻质混凝土2种情况，采用数值模拟分析了2种路基填料下不同路基加固桩引起的既有线沉降值。

基于此，本文主要研究路基帮宽工程的结构形式和新建路基对既有路基结构不均匀沉降发展的影响规律。

1 模型试验方法

在我国西北黄土地区高速铁路快速发展的趋势下，以某客专交通枢纽接轨某高速铁路帮宽结构工程为背景。既有线轨道类型为无砟轨道，设计时速为250 km/h及以上，双线，最小曲线半径为7 000 m。一般来说，黄土具有孔隙大、结构疏松、颗粒组成复杂等特点，在自重及上覆荷载作用下，遇水极易发生湿陷沉降。因此，在黄土地区进行高速铁路帮宽工程，可能会产生因较大的不均匀沉降带来的一系列工程问题[5-7]。以黄土地区高速铁路帮宽路基结构为研究对象，以荷载传递特性与变形为核心，采用2组室内模型试验工况，分别探讨常规路基帮宽结构和加土工格栅帮宽结构，研究帮宽路基对既有路基结构荷载的传递特征，对比分析荷载作用下既有与新建路基的应力和变形演变规律，揭示路基不均匀沉降变形响应规律。研究成果可为高速铁路帮宽路基结构设计提供一定的理论支撑，并且对高速铁路帮宽路基施工具有指导意义。

2 相似模型建立

2.1 试验模型

根据模型架构尺寸和相似比原理，模型几何相似比为1∶10，实际旧路基面宽度13.6 m(双线并行)，新路基面宽度8.6 m(单侧)，坡比1∶1.5，路基高度6.0 m，路基纵向长度12.0 m。路基模型尺寸为：旧路基路面宽0.68 m，新路基路面宽0.86 m，路基高度0.6 m，纵向长度为1.2 m。模型新旧路基采用台阶法拼接，由上至下，总共分为8个台阶，每节台阶高度为0.075 m，宽度为0.112 5 m。台阶基底均做成向内倾斜3%的反向坡度以利于新旧路基结合，试验模型如图1所示。

图1 试验模型(单位：cm)

模型箱采用钢结构，其2个侧面均有钢板拼接组成，剩下的2个侧面为钢化玻璃，用来观察填料及试验的变化破坏等情况，结构尺寸为(长×宽×高：2.44 m×1.2 m×1.2 m)。模型试验中为了模拟轨道和列车荷载，施加荷载时需采用反向架，反向架结构是钢结构焊接而成，其上部固定千斤顶。

2.2 监测方法

路基沉降模型试验的主要目的是探究2种工况下新建帮宽结构对既有路基结构的差异沉降规律情况，因此路基不同位置的变形量是模型量测的重点。

帮宽结构对既有路基引起的差异沉降是由于路基顶面和路基底部沉降组成，要监测路基顶面的沉降位移情况，需在模型箱路基顶面安装位移计以测量路基表面位移，位移计分别布置在3个位置，即既有路基顶面、既有路基和新建路基顶面结合处以及新建路基顶面位置。由于黄土地区高铁帮宽结构对既有路基引起的差异沉降变形，在监测路基底部的沉降位移情况时，采用15 cm厚的黄土铺于模型箱底部来模拟地基，在模型箱钢化玻璃面上对黄土层界面进行划线标记，并在既有路基、新建路基和既有-新建路基底部结合处贴上米尺。

通过土压力盒测量路基内部的土体压力，以分析荷载传递等规律。在距离路基模型底部7.5、15、30、45、52.5 cm处分别埋设土压力盒。土压力盒通过测量3个位置不同深度变形情况，便于后期试验数据的对比分析和探究新旧路基变形规律。具体量测仪器布置如图2所示。

图2 量测仪器布置(单位：cm)

2.3 荷载设计

试验施加荷载按照无砟轨道(轨道+列车荷载)ZK普通荷载最大量54.1 kN/m2，分布宽度为3.1 m。采用矩形钢板作为加载板，根据路基模型尺寸，加载板的宽度为0.31 m，长度为1 m，厚度为1 cm。为更好模拟实际工况中轨道结构的受力情况，在千斤顶和加载板之间布置分担梁，使加载板受力均匀，分担梁底部设置橡胶垫，以免压坏加载板，加载装置如图3所示。

(a)既有路基预压 (b)加载过程

加载过程采用分级加载方式，以1/2P、P、3/2P(P=54.1 kPa)进行分级加载，每级加载完成后，等路基沉降符合沉降稳定要求后，施加下一级荷载，直到施加到最大荷载为止。

2.4 试验材料

路基填料使用常规A、B组填料(细粒含量小于30%的混合土和砂黏土等)，应符合《铁路路基设计规范(TB1001—2016)》规定土工格栅作为一种土工合成材料，与其他结构物相比，没有抗弯性能却有较高的抗拉性能。在新路基分层填筑的过程中，铺设到新建路基内部，其网格设计可以较好的和土层结合，产生较大的摩擦力，从而提高新填路基的结构强度。

3 试验结果分析

3.1 路基帮宽结构荷载传递影响分析

为了研究帮宽路基结构的荷载传递特性，在路基内不同位置处埋设土压力盒，并对每个土压力盒进行编号标记，如图4所示。

图4 土压力盒编号(单位：cm)

既有路基填筑完以后，对既有路基进行预压，施加荷载为54.1 kN/m2，每隔3 h进行1次土压力盒(3、4、7号)的测试，直到发现土压力盒的测值变化量趋于稳定，即认定为既有路基已经预压完成。通过每3 h测试土压力盒和观察压力变化值发现，第12 h时3个土压力盒的值分别达到了0.423、0.325 6、0.4308 MPa，与前一个时间段压力差异值为0.003、0.006、0.008 MPa。由此可以看出压力值变化趋于稳定，故本次对既有路基进行了12 h的预压。图5为既有路基3、4、7号土压力盒的压力值和变化。

图5 3、4、7号土压力盒压力变化曲线

为了减少既有-新建路基的不均匀沉降，采用台阶法来填筑新建路基。新建路基填筑完成后，对新建路基以1/2P(P=54.1 kPa)、P、2/3P进行分级加载，加载方式为加载—卸载—加载—卸载—加载—卸载，并记录观察压力变化，同时为了研究2种工况下的压力传递情况，选取2、3、4号和8、9、10号2组分别进行对比分析，其压力变化如图6所示。

(a)2、3、4号土压力盒

由图6(a)可以看出，当荷载加载到P/2和P时，未铺设格栅工况下不同位置的压力值都快速增加，新建路基内2号压力盒压力值增加最快，从初始值0.035 MPa增加到0.406 MPa；既有路基内的4号压力盒压力值增加较2号和3号压力盒慢，从初始值0.018 MPa增加到0.310 MPa；当荷载加载到3/2P时，压力值增长变化缓慢，既有路基2号压力盒压力值达到最大值0.430 MPa，新建路基3、4号压力盒压力值分别为0.420、0.325 MPa；铺设了格栅的2号压力盒压力值较未铺设的2号压力盒压力值有所减小，当荷载加载到3/2P时，压力最大值为0.331 MPa，减少值为0.099 MPa。

由此可知：新建路基内的压力值大于既有路基；对新建路基加设土工格栅以后，压力值较未铺设格栅的压力值有所减小，说明土工格栅的存在不仅对应力起到了扩散的作用，并且可以增加该位置处的土拱效应。

从图6(b)可以看出：2种工况的压力盒整体变化规律与图6(a)中基本一致，但图6(b)中的压力值比图6(a)大，当荷载加载到3/2P时，9号压力盒压力值最大，达到了0.551 MPa；铺设了土工格栅的压力值较无加固工况均有所减小，其中9号压力盒压力减小值为0.056 MPa。

综上可知：新建路基所承受的压力随着路基深度而逐渐衰减；在新建路基中加入土工格栅，不同的路基深度埋设的土工格栅调节效果不同，说明土工格栅应该布置在靠下位置处。

3.2 路基底部沉降影响分析

为了研究路基底部沉降，对模型箱底部的黄土层沉降进行观察监测，并对2种不同工况的沉降数据进行采集分析，图7为2种工况下路基底部沉降变形曲线。

图7 路基底部沉降曲线

由图7可以看出，当荷载加载到1/2P和3/2P时，无加固工况下既有、既有-新建结合处和新建路基底部沉降差异开始体现出来，既有-新建路基底部结合处沉降最大，最大值达到了6.89 mm，既有路基底部沉降最小，沉降值1.33 mm；当荷载加载到3/2P时，既有、既有-新建和新建路基底部沉降变化缓慢，既有-新建路基底部结合处最大值达到了7.12 mm。铺设了土工格栅的3个位置处的路基底部沉降变形较无加固工况减小，既有-新建路基底部最大沉降值为5.43 mm。

路基帮宽结构中，新建路基底部沉降明显，同时沉降量最大值发生在既有-新建结合处；当既有路基铺设土工格栅后，沉降量较无加固工况出现了大幅的减小。

3.3 路基顶面沉降影响分析

为了监测路基顶面沉降变形影响，分别在既有、既有-新建结合处、新建路基顶面布置位移计。同时为了对比分析不同荷载下不同沉降控制措施的效果，试验过程中对2种不同工况的沉降数据进行采集。2种工况下路基顶面的沉降位移如图8所示。

图8 路基顶面沉降位移曲线

由图8可知：当荷载加载到3/2P时，无加固工况下既有-新建路基顶面结合处沉降值为3.21 mm，较新建路基顶面沉降变形大；铺设了土工格栅的既有-新建路基顶面结合处的沉降值为2.31 mm；较无加固工况沉降值有所减小。

施加不同的荷载时，既有路基顶面的位移变化小，既有-新建路基顶面结合处的位移变化最大；新建路基内部铺设了土工格栅后，既有和新建路基顶面沉降差异较大，但整体沉降量较无加固工况还是出现了大幅的减小。

4 结论

1)在高铁帮宽结构中，新建路基所承受的压力随着路基深度增加而逐渐衰减；在新建路基中加入土工格栅后，格栅会起到扩散应力的作用，不同的路基深度埋设的土工格栅调节效果不同。

2)高铁路基帮宽结构中，新建路基底部沉降最大值发生在既有-新建结合处，当既有路基铺设土工格栅后，格栅会增加该位置处的土拱效应，同时路基底部沉降变形减小。

3)施加不同的荷载时，既有-新建路基顶面结合处出现了一定的沉降变形，加入土工格栅后，虽然沉降变形减少不大，但整体沉降量较无加固工况还是出现了大幅的减小。