拉伊铁路运营期软土路基沉降分析

陈涛

摘要：运营期的铁路沉降分析是铁路建设中控制成本的重点考虑因素，针对拉伊铁路软土地区桥台路基运营期沉降分析，通过动荷载加载400次、800次、1200次进行变形计算，研究运营期拉伊铁路的软土区桥台路基变形。结果表明：当持力层较深时，软土地区铁路桥梁可根据计算采用摩擦桩，运营期的沉降在列车运行400次内，其变形较大，在400～800次存在一定的变形，1200次后桥台路基沉降基本上趋于稳定，且其工后沉降满足铁路变形控制要求。

关键词：铁路工程；运营期；沉降计算；软土地区；摩擦桩

0   引言

软土路基对于工程的施工及使用均存在不利的影响。当软土路基土层处于流、软塑状况时，对于大跨度桥梁桩基需要较大的桩径，软土导致工程桩基施工的侧壁难以成型，需采用强度较高的泥浆护壁，必要情况下需采用钢护筒进行跟进施工。

铁路软土路基的工后沉降对铁路运营影响较大，需进行路基处理，才能保证铁路路基的安全，避免发生不利于铁路运行的路基沉降等问题。运营期铁路的沉降，通常是由于循环动荷载作用下塑性应变不断积累和下卧层土体不断固结产生的。

目前，国内软土地基的研究已成为热点问题。如雷华阳[1]等针对排水板易淤堵、加固效果欠佳等问题，提出一种新型交替式预压技术，可有效防止淤堵泥层的加剧，使得土体加固效果提升。王连俊等[2]针对云南某高速公路河谷区复杂沉积环境多层软土地基，采用强夯垫层法处理的加固效果与沉降变形进行观测研究，在地基处理及路基填筑期间，通过不同观测断面的监测数据，分析了不同类型软土地基的土体变形、应力和孔隙水压力等数据随时间的变化规律。周洺汉[3]等针对铁路运营期路基沉降进行研究，通过一系列的方式手段对运营期铁路路基沉降进行综合治理，研究一种解决铁路运营路基期沉降的方法。

中国铁路技术在国际舞台不断进步、标准化进程不断发展，使得中国标准铁路在国际上占据了较大的市场份额。同时在不同的地区因其环境及地质情况的不同，给我国铁路的设计建造带来了较大的挑战。本次研究以拉伊铁路为背景，对软土路基段处理措施、软土区桥台路基处置措施和软土区桥梁桩基选型进行了介绍，并对软土地区段桥台处路基运营期在列车动荷载作用下固结沉降问题进行研究[4]，分析其动荷载对软土区桥台路基处的沉降影响。

1   工程概况

拉伊铁路正线总长度156.075km，位于尼日利亚国西南部，南起尼日利亚最大的港口城市Lagos市，向东北经Abeokuta、Ibadan城市。线路所经地区地形呈波状起伏，地势北高南低，地面高程海拔10～650m，相对高差100m以上，从南至北为南部海积平原区、低山丘陵区、侵蚀平原及剥蚀残丘区。

拉伊铁路里程DK0+000～DK23+500段为滨海海积平原，地势平坦，区间分布许多泻湖，最为出名的为拉各斯泻湖。根据地质情况可知，铁路沿线地质情况较差，部分路基段位于软弱土层，软土地区对工程建设及铁路运营均存在较大的不利影响，同时工程地势地面高程为5～250m。

拉伊铁路沿线地下水埋藏于滨海及海积平原区及各大河谷中的第四系冲积层中，埋深2～5m，水量丰富，主要受地表水及大气降水双重补给，水质受自然环境影响较大，其中滨海海积平原区的孔隙潜水水质较差。

拉伊铁路轨道路基段正线采用ⅢB型混凝土轨枕+弹条Ⅲ型扣件，桥面段采用新Ⅲ型桥枕+Ⅱ型扣件；正线轨道上道岔采用P60-12和P60-9道岔，侧线采用P50-9道岔。正线与侧线采用有砟轨道无缝线路铺设，轨道示意图如图1所示。

2   软土区路基处理和桥梁桩基选型

2.1   海积平原路基处理措施

拉伊铁路里程DK0+000～DK23+500段位于海积平原地区，场地存在深厚淤泥，作为铁路路基结构段时路基沉降较大，不满足铁路沉降控制，为控制该路段的沉降值，可增加该路基上层土体的整体刚度，防止因局部沉降导致路基结构的破坏，一般路基段结构拟采用钉形水泥土双向搅拌桩处理。其中：搅拌桩直径为500mm，总桩长16m，扩大头为800mm，长2m，桩基分布采用2m矩形布置。

施工期桩顶清表后，顶层设置砂砾褥垫层（500mm），内铺土工格栅一层（双向60kN）。道路上层结构上填矿渣，均匀分层夯实，回填至路基结构层下。

2.2   路基与桥梁衔接处措施

针对路基与桥台结构不均匀沉降问题，临近桥台路基采用钉形水泥土双向搅拌桩处理，直径为500mm，扩大头采用长2m、直径800mm的结构，总桩长以12～18m变桩长控制，桩基分布采用1.3m矩形布置。

桩顶清表与路基段一致，临近桥台路基相接段采用泡沫混凝土填筑，路基上层填筑矿渣（桥台后、涵洞后10m为级配砂砾），均匀分层夯实，回填至路基结构层下。

2.3   确定铁路桥梁桩基结构

因大部分路段土层基岩较浅，岩层具有较大的承载力，为此该路段铁路桥采用端承桩。滨海海积平原区段层深厚软土层，采用端承桩时需设置较长的桩基，存在造价高等问题。对于滨海海积平原区，可通过沉降分析计算研究采用摩擦桩的可行性。

以软滨海海积平原区12-15号墩台为例，该桥梁正线桥面宽度为11m，墩台的尺寸如图2所示。其中：12、13号墩承台长10.2m，宽6.9m，桩长38m；14号墩承台长15m，宽8m，桩长39m；15号墩承台长14.3m，宽10.4m，桩长40m。其中，12、13、14、15等墩台的桩均采用摩擦桩，所处地层为①₀素填土、①₁黏土、②₁淤泥、④₁黏土、⑤₁黏土、⑤₂粉質黏土。

本工程滨海海积平原区土层较差，针对不同的路段其基础结构均不一致，路基段处置方案主要是对上层软土地层进行加固处理，加固深度总长可达18m。根据沉降分析可知，铁路工后沉降变形可控。桥梁段可采用摩擦桩，同时需对桥梁段工后沉降进行变形计算。

3   桥梁段工后沉降分析

为验证拉伊铁路滨海海积平原区桥梁工后沉降问题，选取DK0+000～DK23+500段12-15号桥梁桩基进行研究，该段处于深厚淤泥地层，桥梁桩基采用摩擦桩。

软土路基滨海海积平原区12-15号墩台位置土层参数参考详勘报告，土层物理力学参数如表1所示。

3.1   荷载分析

3.1.1   静荷载

列车（活）荷载按相关规范选取，简称中-活载。活载的分布情况如图3所示。活载主要通过轨道进行传播，将下层结构作用于一个整体，铁路的荷载直接作用在下层结构，为垂直受力。

根据相关规范，活载的作用须按最不利情况考虑。按运营过程中承受的最大的荷载作用，即最大轴重进行考虑。同时在有限差分模型中，可将集中力转化为纵向均布的线荷载，其线荷载的值如下：

P_s=220/1.5=146.67kN/m（1）

3.1.2   动荷载

根据钢轨的分布情况可知，在轮载力P作用下，根据碎石道床轨道结构基础受力情况，一般认为列车轮载荷载主要由5～7根轨枕承担，并通过道床传递给路基。

通过简化计算，假定列车的荷载作用由5根轨枕分担，其分担到每根枕面上的支承力，假定分别为0.4P，0.2P及0.1P，如图4所示。

轮载力P是按动荷载计算，具体如下：

P_d=P_s（1+αv/100）（2）

式中：P_d为动轮载，P_s为静轮载，α为冲击系数通过规范取值，采用无缝线路时，α=0.00；v为列车运行速度。

拉伊铁路正线设计速度为150km/h，支线速度为80km/h，本次针对正线速度150km/h进行验算。根据相关研究及参考规范，模拟车辆荷载对结构的影响，通过对轨道施加车辆荷载来模拟岩土体在荷载作用下的反应。运用正弦波荷载定义车辆荷载的表达式如下：

F₀=P_s+P_dsin（wt）（3）

式中：P_d为动轮载，P_s为静轮载。

3.1.3   不同动荷载作用下

列车荷载为采用不同的次数进行分析计算，考虑列车的行驶速度为150km/h，荷载加载次数分别为400次、800次、1200次，加载时间设为0.25s。

3.2   模型建立及变形计算

3.2.1   建模

模型计算根据工程的情况选取，本次模型计算采用有限元进行分析，模型采用简化模型，模型的取值范围为170m×27m×108m（长×宽×高），模拟该范围内的地应力岩土结构分析。

本次有限元分析主要针对列车动荷载应用过程，模型钻孔桩、土层及桥跨结构均采用实体单元进行建模。模型整体三维结构共47562个单元，56789个结构节点。

有限元模型根据结构模型分为桥梁结构单元、土层结构单元，其中桥梁等混凝土结构采用弹性本构模型，土层单元本构模型采用M-C弹塑性模型。

模型边界条件主要为有约束的边界，根据模型结构X、Y、Z的三个方向，X、Y侧边界约束采用水平法向约束，模型低部采用固定约束，顶面不施加约束。桥梁桩位于土层中模型如图5所示。

3.2.2   变形计算

模型的受力分为两步进行，第一步为模型的自重应力，模型通过施加自重应力后，即可进行地应力平衡，待平衡后再施加动荷载。动荷载可通过静荷载在模型中进行施加，动荷载加载为不断重复过程，并通过接口程序不断的运行，然后记录加载400次、800次、1200次结果。

通过计算分析可知，其最终加载1200次的应变结果如图6所示。同时其轨道中心线工后沉降如图7所示。不同荷载次数的变形位移如表2所示。

根据计算结果可知：动荷载在加载400次内，其结果变化较大，为变形高速发展过程；动荷载在加载400～800次，发生一定的变形，该过程为发展期；动荷载在加载800～1200次，变形基本趋向稳定，变形较少，为稳定收敛期。

运营期最大沉降位于12-15桥台间，考虑到结构的塑性变形的不利因素，其最大沉降为4.21mm，满足铁路变形的控制要求，同时给轨道扣件预留了变形空间。

4   结束语

运营期的铁路沉降分析是铁路建设中控制成本的重点考虑因素。本文针对拉伊铁路软土地区路基沉降问题，提出了软土地区路基段处置措施、软土区临近桥台路基处置措施和软土区桥梁段桩基措施。

针对拉伊铁路软土地区桥台路基运营期沉降分析，通过动荷载加载400次、800次、1200次进行变形计算，研究运营期拉伊铁路的软土区桥台路基变形。得出以下结论：

拉伊铁路软土区路基采用钉形水泥土双向搅拌桩处理措施，顶层设置500mm厚砂砾褥垫层，内铺土工格栅一层。路基和桥台衔接处采用钉形水泥土双向搅拌桩处理，桥台路基相接段填筑泡沫混凝土，软土区桥梁采用摩擦桩形式，即能够满足施工要求。

橋梁段运营期最大沉降位于12-15桥台间，其最大沉降量为4.21mm，满足铁路桥的安全控制要求。

桥梁段动荷载的影响过程分为高速发展期、发展期、稳定收敛期等3个过程，拉伊铁路软土路基运营期在动荷载0～400次为高速发展期，400～800次为发展期，800～1200为稳定收敛期。

参考文献

[1] 雷华阳，刘安仪，刘景锦，等.超软土地基交替式真空预压法加固效果影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2022， 41（2）：12.

[2] 王连俊，杨天琪，帅宇轩等.强夯垫层法对河谷区软土地基加固效果研究[J].公路，2022，67（1）：46-52.

[3] 周洺汉，商拥辉，徐林荣，等.高铁路基运营期沉降超限治理措施及效果评估[J].铁道标准设计，2017，61（12）：28-34.DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.12.007.

[4] 徐明伟.高速铁路运营期线桥结构沉降监测及安全评估[J].2014，40（4）：20-23.DOI：10.19630/j.cnki.tdkc.2014.04.007.