王 宇，羅 偉，王 平，方 筠

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

在路橋過(guò)渡段處設(shè)置剛性楔形搭板是較為常見(jiàn)的處治不均勻沉降的方法之一［1］。在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，關(guān)于搭板設(shè)計(jì)的內(nèi)容不多，只有簡(jiǎn)單的幾條構(gòu)造要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，一旦施工不規(guī)范，就可能引起橋頭跳車(chē)［2］。影響剛性楔形搭板作用性能的因素包括地基和路基狀況、剛性楔形搭板的設(shè)計(jì)參數(shù)，如彈性模量、板長(zhǎng)、板寬、板左右端面厚度、板后HGT層(水硬性支撐層)的長(zhǎng)度等。由于剛性楔形搭板在變形過(guò)程中與土體相互作用的復(fù)雜性及橋頭路堤對(duì)沉降變形的敏感性，本文利用數(shù)值分析方法對(duì)剛性搭板的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以對(duì)搭板在實(shí)際工程中的應(yīng)用有所指導(dǎo)。

1 有限元模型

路橋過(guò)渡段剛性楔形搭板布設(shè)方式如圖1所示。由于軌道具有對(duì)稱性，本文對(duì)軌道取半結(jié)構(gòu)分析，建立有限元分析模型［3-6］。

模型參數(shù)的選取參考了無(wú)砟軌道的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用60 kg/m鋼軌;扣件豎向剛度取22.5 kN/mm;采用C40混凝土道床板，板厚0.24 m，板寬2.8 m;HGT層寬3.8 m，厚0.3 m;臺(tái)后回填土頂寬8.6 m，截面坡度1∶1.5，高6 m。鋼軌采用梁?jiǎn)卧?，扣件采用非線性彈簧單元，其余部分均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖1 剛性楔形搭板的布置示意

模型的邊界條件:路堤底面地基沉降量為Δ，y=0;側(cè)面Y方向位移為0，路堤與橋臺(tái)接觸面縱向位移為0;軌道板和HGT層與橋臺(tái)接觸面豎向位移為0;剛性楔形搭板一端簡(jiǎn)支在橋臺(tái)，簡(jiǎn)支長(zhǎng)度為0.6 m，另一端自由擱置在路基上。

《客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》規(guī)定:路橋或路遂交界處的沉降差異不應(yīng)大于5 mm，過(guò)渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000。本文選取地基沉降量Δ的變化范圍為0～15 mm，研究在均勻地基沉降模式下對(duì)剛性楔形搭板的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 剛性楔形搭板尺寸比選

2.1 均勻地基沉降模式下路基頂面位移的影響

圖2為均勻地基沉降模式下橋頭路基頂面沉降曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)搭板處理后，Δ=5 mm時(shí)路基頂面下降了0.5 cm，Δ=10 mm和Δ=15 mm時(shí)路基頂面分別下降了1.0，1.5 cm，曲線都很平緩，橋臺(tái)與路堤的沉降差得到了很好的控制與協(xié)調(diào)。圖中橋頭路基頂面沉降曲線呈拋物線形，路基頂面沉降受地基沉降的影響比較大，隨著地基沉降的增大，其過(guò)渡曲線也隨之變短。

圖2 橋頭路基頂面沉降曲線

2.2 剛性楔形搭板長(zhǎng)度的選取

在橋頭剛性搭板設(shè)計(jì)中，搭板長(zhǎng)度是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。理論上搭板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其過(guò)渡段沉降差的處治效果越好，但若要降低工程造價(jià)，就要在保證路堤與橋臺(tái)銜接處沉降差得到控制的前提下，盡量減小搭板的造價(jià)。

研究搭板合理長(zhǎng)度時(shí)，其他尺寸不變，搭板長(zhǎng)度分別取 6，8，10，12 m。地基均勻沉降量 Δ =5，10 和15 mm時(shí)，搭板長(zhǎng)度與路基頂面沉降關(guān)系曲線類(lèi)似，圖3給出了Δ=10 mm時(shí)搭板長(zhǎng)度與路基頂面沉降的關(guān)系曲線。從圖3可以看出，剛性搭板長(zhǎng)度對(duì)路基頂面沉降有一定的影響，在6～16 m范圍內(nèi)影響較突出。隨著長(zhǎng)度的增加，橋頭路基頂面的沉降值減小，沉降曲線變化趨緩;且隨著地基沉降的增大，長(zhǎng)度影響更顯著。但是這種沉降值隨著搭板長(zhǎng)度增加減小的變化率逐漸變小，從6 m增加到8 m時(shí)影響較大，而從10 m增加到12 m時(shí)影響較小，所以可以認(rèn)為搭板長(zhǎng)度取值應(yīng)該在8～10 m。L＜8 m時(shí)沉降曲線變化較陡，不能滿足平緩過(guò)渡要求;L＞10 m時(shí)增加了工程費(fèi)用但對(duì)沉降曲線影響小，不可取。

圖3 地基均勻沉降量為10 mm時(shí)搭板長(zhǎng)度與路基頂面沉降的關(guān)系

搭板長(zhǎng)度不僅對(duì)路堤的沉降有影響，而且對(duì)搭板底縱向應(yīng)力也有一定的影響，因此分別計(jì)算4種不同搭板長(zhǎng)度時(shí)的搭板底最大縱向應(yīng)力，所得結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看到，板越長(zhǎng)，板底最大縱向應(yīng)力越大。其中拉應(yīng)力增大主要是由于板越長(zhǎng)，板中彎矩越大，從而板底拉應(yīng)力增大;壓應(yīng)力增大是因?yàn)榘逶介L(zhǎng)，厚度沿板長(zhǎng)變化率變小，使搭板與橋臺(tái)相互作用增大。

表1 不同板長(zhǎng)在不同地基均勻沉降量時(shí)搭板底最大縱向應(yīng)力 MPa

2.3 剛性楔形搭板寬度的選取

在一些國(guó)家搭板寬度一般與接線路面同寬，而國(guó)內(nèi)根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，搭板較窄，一般與橋梁行車(chē)道同寬，或者搭板邊緣與橋梁兩邊耳墻邊緣齊平。為了考察剛性楔形搭板寬度對(duì)過(guò)渡段的影響，保持其他參數(shù)不變，剛性楔形搭板寬度取 2.0，2.2，2.4，2.6 m 4種工況。圖4給出了地基均勻沉降量Δ=10 mm時(shí)搭板寬度與路基頂面沉降的關(guān)系曲線。

從圖4可以看出，搭板寬度對(duì)沉降的影響很小。即使地基沉降達(dá)到15 mm，增加搭板寬度依然無(wú)法使沉降曲線變得緩和。

為研究搭板寬度對(duì)搭板底縱向應(yīng)力的影響，分別計(jì)算4種不同搭板寬度時(shí)搭板底最大縱向應(yīng)力，所得結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，增加搭板寬度，只能很小程度地減小板底最大縱向應(yīng)力。

圖4 地基均勻沉降量Δ=10 mm時(shí)搭板寬與路基頂面沉降的關(guān)系

表2 不同板寬在不同地基均勻沉降量時(shí)搭板底最大縱向應(yīng)力 MPa

2.4 剛性楔形搭板厚度的選取

橋頭剛性搭板設(shè)計(jì)中，搭板厚度也是重要設(shè)計(jì)參數(shù)，搭板厚度是決定搭板強(qiáng)度和剛度的主要因素。通過(guò)改變搭板厚度變化率來(lái)改變軌道整體剛度，可使軌道整體剛度從橋臺(tái)到路基平緩過(guò)渡，另外，通過(guò)搭板的協(xié)調(diào)使得路基頂面折角盡量最小。

為了避免其他參數(shù)的影響掩蓋厚度因素，保持其它參數(shù)相同，只改變搭板厚度，分別取HL=0.4 m，HR=0.6 m;HL=0.4 m，HR=0.8 m;HL=0.6 m，HR=0.8 m，依次記為工況1，2，3。圖5給出了地基均勻沉降量Δ=10 mm時(shí)搭板厚度與路基頂面沉降的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，剛性搭板厚度對(duì)路基頂面沉降有較大的影響。這種影響在整個(gè)過(guò)渡段范圍內(nèi)均有體現(xiàn)。隨著搭板厚度的整體增加和變化率的降低，橋頭路基頂面的沉降值減小，沉降曲線變化趨緩;并且隨著地基沉降的增大，這種影響更加顯著。從消除路基頂面折角考慮，應(yīng)盡量采取工況3的厚度參數(shù)。

圖5 地基均勻沉降量Δ=10 mm時(shí)搭板厚度與路基頂面沉降的關(guān)系

表3為不同搭板厚度在不同地基均勻沉降量情況下搭板底產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力。由表3可知，工況3的板底最大縱向應(yīng)力值最小，即增加搭板整體厚度和減小厚度變化率對(duì)搭板受力有利。

表3 不同板厚在不同地基均勻沉降量時(shí)搭板底最大縱向應(yīng)力 MPa

3 結(jié)論和建議

1)地基沉降變形是路橋過(guò)渡段橋臺(tái)與路堤沉降差的主要構(gòu)成部分，路堤縱向的工后沉降變形是影響剛性楔形搭板適應(yīng)性和尺寸參數(shù)的關(guān)鍵因素。

2)剛性楔形搭板處治后，橋臺(tái)與路堤的沉降差得到了很好的控制與協(xié)調(diào)，路基頂面沉降曲線在均勻地基沉降模式下呈拋物線型。

3)剛性楔形搭板長(zhǎng)度對(duì)減小沉降、折角影響很大，但當(dāng)不改變其他參數(shù)，僅增加搭板長(zhǎng)度時(shí)，從6 m增加到8 m影響較大，長(zhǎng)度增加至10 m以后，這種影響就變得很小。因此，剛性楔形搭板長(zhǎng)度宜取8～10 m。

4)剛性楔形搭板寬度對(duì)減小沉降、折角影響很小，在設(shè)計(jì)中剛性楔形搭板寬度以2.0～2.2 m為佳。

5)剛性楔形搭板整體厚度及厚度變化率對(duì)減小沉降、折角影響也很顯著。在地基沉降較大的地區(qū)宜采用較厚且厚度變化率較小的剛性楔形搭板進(jìn)行處治。

［1］趙才友，王平，田洪寧.高速鐵路橋頭剛性楔形搭板受力特性及適應(yīng)性研究［J］.城市軌道交通，2012(4):61-66.

［2］王志德.搭板設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化解決橋頭跳車(chē)的研究及應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011.

［3］趙才友，王平，蔣孟菲，等.路橋過(guò)渡段剛性楔形搭板受力特性及適應(yīng)性研究［J］.中國(guó)鐵路，2010(9):56-59.

［4］俞永華，謝永利，楊曉華.路橋過(guò)渡段路基加固體的拓?fù)鋬?yōu)化［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(6):40-43.

［5］李智峰，陶向華，李冬梅.路橋過(guò)渡段差異沉降對(duì)搭板性能的影響［J］.公路工程，2009(1):77-81.

［6］孟凡明.橋臺(tái)搭板的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2009(11):125-126.