（道路与铁道工程专业论文）朔黄铁路路桥过渡段力学响应及加强措施研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：由于路基与桥梁的工程性质迥异，在路桥交界处极易产生严重的线路不平 顺问题，影响行车的平稳性、舒适性和安全性。伴随我国重载铁路和高速铁路的 发展，路桥过渡段问题更加突出。因此，通过分析铁路路桥过渡段轨道和路基的 力学响应变化规律，研究路桥过渡段的加强措施，对保持线路平顺及维护列车运 行的安全性具有重要的意义。 本文采用理论研究、现场试验、数值模拟相结合的研究方法，在综合分析国 内外铁路路桥过渡段问题研究现状的基础上，结合朔黄铁路路桥过渡段轨道及路 基加强研究的现场试验，对铁路路桥过渡段的力学响应及加强措施进行了研究。 本文的主要工作包括： 1 在广泛收集国内外铁路路桥过渡段技术资料的基础上，分析了过渡段问题 产生的原因，并总结了国内外路桥过渡段常用的处理措施。 2 介绍了朔黄铁路试验段的线路概况，并结合现场测试的数据对试验段路桥 过渡段轨道结构和路基的质量现状及需加强范围进行了分析。 3 介绍了有限元理论并建立了路桥过渡段二维平面计算模型，分析了列车荷 载作用下路桥过渡段力学响应的变化规律，并就轨道刚度、轨枕间距、列车轴重 及行车速度对路桥过渡段力学响应的影响进行了研究。 4 通过路桥过渡段路基有限元模型，对列车荷载作用下路桥过渡段路基的横 向和纵向力学响应进行了分析，研究了基床表层、过渡段填料属性及地基刚度等 因素对路桥过渡段路基力学响应的影响，并借助正交试验设计原理，对各影响因 素的显著性进行了评价。 5 在综合分析朔黄铁路试验段试验数据及数值计算结果的基础上，针对朔黄 铁路路桥过渡段提出了可行的加强措施。 关键词：朔黄铁路；路桥过渡段；力学响应；加强措施 分类号：u 2 1 3 1 ；u 2 1 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs u b g r a d ea n db r i d g e sa r eq u i t e d i f f e r e n t ，s e r i o u su n e v e n n e s si s p r o n e t oo c 圮- u l i nt h e l i n k i n go fs u b g r a d ea n d b r i d g e s ，w h i c hh a sb a de f f e c t so nt h er e l i a b i l i t y , c o m f o r ta n da m e n i t yo ft r a i n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v yh a u lr a i l w a y , t h ep r o b l e mb e c o m e sm o r e s e r i o u s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h es t r e n g t h e n i n gm e a s u r e so ft r a c ks t r u c t u r ea n ds u b g r a d ei n t r a n s i t i o ns e c t i o nh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep r e s e r v a t i o no fl i n es m o o t h ya n d a s s u r a n c eo ft r a i ns a f e t y , t h r o u g hs u m m i n g u pt h ed y n a m i cr e s p o n s el a w so ft r a c ka n d s u b g r a d ei nt r a n s i t i o ns e c t i o n t h em e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i e l dt e s t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ea p p l i e d i 1 1 l i sa r t i c l e o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hs t a t u si nt r a n s i t i o n s e c t i o ni nh o m ea n da b r o a d ，a n dv i af i e l dt e s t so fr e s e a r c ho n s t r e n g t h e n i n gs u b g r a d ea n d t r a c ko fb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o ni ns h u o h u a n g r a i l w a y , t h ed y n a m i cr e s p o n s e a n ds t r e n g t h e n i n gm e a s u r e si nb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r es t u d i e d t h em a i n l e s i so f t h i sw o r ki n c l u d e ： 1 b a s e do nt h ew i d e s p r e a dc o l l e c t i o no f f b r e i 印t e c h n i c a li n f o r m a t i o n , t h ec a u s e s e x i s t i n gi nt h et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r et h o r o u g h l ya n a l y z e da n dt h ea v a i l a b l em e t h o d si n h o m ea n da b o a r dt os o l v eo u tt h ec a u s eo ft h et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r es u m m a r i z e d 2 t h ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so fs h u o h u a n g r a i l w a yt e s ts e c t i o nw e r ei n t r o d u c e d f i r s t l y t h e nt h et r a c ka n ds u b g r a d eq u a l i t ys t a t u sa n ds t r e n g t h e n i n gs c o p ew e r e a n a l y z e d 3 t h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yw a si n t r o d u c e da n dt h e2 dt r a c km o d e lo ft r a n s i t i o n s e c t i o nw a se s t a b l i s h e d b a s e do n2 一dt r a c km o d e l m e c h a n i c a lr e s p o n s eu n d e rt r a i n l o a dw a sa n a l y z e da n di n f l u e n c e so ff a s t e n e r sa n db a l l a s ts t i f f n e s s ，s l e e p e rs p a e i n g , a x l e l o a da n ds p e e dw e r es t u d i e d 4 b a s e do nt h es u b g r a d em o d e lo ft r a n s i t i o ns e c t i o n ，m e c h a n i c a lr e s p o n s e si n h o r i z o n t a la n dl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nw e r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y f u r t h e ra n a l y s i so f i n f l u e n c eo ft h ef a c t o r so nt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h ee m b a n k m e n tw e r ea l s o i n v e s t i g a t e da f t e rt h a t , s u c h l ss u r f a c el a y e rs t i f f n e s so fb e d ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ， f o u n d a t i o ns t i f f n e s sa n ds oo n i na d d i t i o n , s i g n i f i c a n c et e s t so ft h e s ep a r a m e t e r sw e r e e a r r i e do u t 5 b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft e s t sr e s u l t sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 北京交通大学硕士学位论文 c o n c l u s i o n s ，t h ef e a s i b l es t r e n g t h e n i n gm e a s u r e st od oi nt e s tt r a n s i t i o ns e c t i o no f s h u o h u a n gr a i l w a yw e r ed i s c u s s e df i n a l l y k e y w o r d s ：s h u o h u a n gr a i l w a y ；b r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ；d y n a m i c r e s p o n s e ；s t r e n g t h e n i n gm e a s u r e s c l a s s n o ：u 2 1 3 1 ；u 2 1 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 商丽嘶 导师签名氛交兹 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 光阴荏苒，犹如白驹过隙，在熟悉的校园里已经看过了几度玉兰花开，也历 经了几载梧桐叶落。面对即将付梓的毕业论文，令人怀念的校园学习生活也将要 告一段落了。回首这两年的研究生时光，太多的回忆让人感慨与眷念。 首先要感谢我的导师魏庆朝教授，能成为魏教授的学生是我一生的幸运。本 论文是在魏教授的悉心指导下完成的，魏教授渊博的学术知识、一丝不苟的学术 作风、诲人不倦的学术精神，令我受益颇丰。两年里魏教授正直的品格和严谨的 治学态度一直对我产生着潜移默化的影响，虽不能至，其心向之。借此机会向我 的导师表表示崇高的敬意和衷心的谢意。 还要感谢时瑾老师，时老师独特的思考方法及敏捷的思维让我能不断开拓思 路，一步一步将论文深入发展下去，使我通过撰写论文收获的不只是论文本身， 更是独立思考的能力。感谢万传风副教授，万老师不仅对我论文的研究内容及方 法提出了许多宝贵意见，在生活上也给予了我很大的关心。在两年时光中万老师 无私的教导和诚挚的关怀使我有足够的信心来面对未来的生活。在日常学习及撰 写论文期间，龙许友、王英杰等师兄师姐们也给予了热情帮助，在此一并向他们 表达我的感激之情。 在铁道第三勘察设计院实习期间线站处多位高级工程师对我的论文提出了宝 贵意见并提供论文资料，特此表示衷心感谢。同时也感谢铁道第三勘察设计院所 给予的实习机会。 感谢同班同学长期以来对我学习和生活上的指点和帮助以及在我完成毕业论 文期间给予的宝贵意见。还要感谢朝夕相处的姐妹们，因为有你们才会有我如此 多姿多彩的大学时光。 最后要感谢我的父母及家人对我无私的爱护和培养，感谢他们这么多年以来 一直给我物质上和精神上的支持，我所做出的每一点成绩都与他们在背后默默的 鼓励与支持分不开，把这份成果也献给他们。 感谢生命中所有帮助过我的人。 第1 章绪论 1 绪论 铁路是沟通城乡、物资交流、发展经济不可缺少的运输工具。当前，我国正 处于经济建设飞速发展的阶段，铁路运输作为国民经济的大动脉，担负着货运和 客运两大重要任务，而客运高速化和货运重载化正是当今世界各国铁路发展的两 大趋势。铁路的发展必须以安全、可靠、舒适为前提，这些发展需求对铁路系统 的各个方面都提出了很高的要求。特别是对铁路线路而言，其稳定性与平顺性是 保障铁路运营必不可少的条件之一。 1 1 研究背景 铁路线路是由不同特点、性质迥异的构筑物( 桥涵、隧道、路基等) 和轨道 构成，它们相互作用，共同构成了一条平滑线路。由于各构筑物在材料、强度、 刚度、变形等方面的巨大差异，必然会引起轨道的不平顺。特别是当轨下基础的 结构不同时，轨道的变形和刚度会随之发生明显的突变，产生过渡段问题【蚴。 路基与桥台连接处常常发生轨道不平顺现象：一方面由于路基与桥台刚度差 别很大，当列车车辆通过时它们对动荷载的响应不同；另一方面，路基与桥台的 沉降也不一致，路基部分的沉降变形较大，在路桥过渡点附近导致轨面发生弯折。 因此当列车通过时，必然会增加列车与线路的振动，引起轮轨动力作用增大，影 响线路结构的稳定，甚至危及行车安全。国外在铁路的修建过程中，一直非常注重 路桥过渡段部位。从结构设计到施工组织、工期安排到质量检验都采取措施，严 格控制轨道刚度变化及轨面变形( 不均匀沉降引起) ，以确保线路的高平顺。但在 我国的铁路建设中，由于各种原因，以往对路桥过渡段的处理一直未加重视。据 调查，我国既有铁路路桥过渡段的病害范围广泛而严重，其轨道几何形位难以长 期保持，是产生脱轨、掉道等行车事故的多发区段之一。另外，为了保证路桥过 渡段处的线路状态满足养修标准，日常维修工作量的很大部分都用于该路段的整 修，使得该路段的维修工作量远大于一般路段的正常维修工作量，经常维修也使 一些线路台后路基的道碴囊深度达2 3 m ，纵向延伸约1 0 - - , 3 0 m 。随着列车速度的 提高和运量的增加，路桥过渡段设备病害发生和发展速度加快，其结果是需要频 繁的进行养护维修作业才能保证轨道的平顺性要求。 在路基与桥台之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最 大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路 结构的变形，保证列车安全、平稳、舒适运行的目的。采用什么样的方法处理路 北京交通大学硕士学位论文 桥过渡段，如何做好过渡段的加强工作，这是体现路桥过渡段设置效果的关键。 因此研究铁路路桥过渡段力学响应及线路加强措施，对维持线路的几何形态、列 车稳定性、乘客舒适性及列车的运营安全有着非常重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 国外许多国家对于路桥过渡段存在沉降差和刚度差等问题十分重视，并对路 桥过渡段的处理措施都做过专门的研究，各国的具体处理方法都有各自的特点。 德国联邦铁路在1 9 8 2 年颁布施行1 6 0 k m h 以上高速铁路桥梁( d s 8 9 9 1 5 ) 和铁 路桥梁和其它结构物( d v 8 0 4 ) 等规程和文件中，对路桥过渡段的设计及施工提 出了严格的要求，在实际工程中采取了特别加固、台尾设置滑板( s l i d i n gs l a b ) 等 措施；法国采用在路基与桥梁过渡段设置过渡桥台等措施；美国、日本等国家则 采用加筋路基的方法减小路基的沉降，日本还采取在路基与桥梁过渡段设置碎石 填筑段的措施。 我国对铁路路桥过渡段的设计、施工、处理、动力学响应等方面都进行了有 益的探索和研究。秦沈客运专线针对路桥过渡段处理问题采取了一些有效的措施， 如采用加筋土、粉喷桩、碎石桩等加固软弱地基，并在台尾一定长度范围内设置 斜搭板的综合措施来处理路桥过渡段问题，取得了明显的成效及宝贵的经验数据。 学术界在理论方面也做了很多的研究，具有代表性的如下： h t r u e 3 】指出路桥过渡段刚度纵向不均匀变化对轨道变形和破坏有较大影响， 在轨道刚度纵向不均匀和轨道几何不平顺同时作用下，将严重影响列车运行品质。 s w e e ta n dm o r i l l 4 】建立了路桥过渡段的三维连续有限元模型，并进行了动力分 析，但其模型采用的土力学参数均为假设参数，且模型不符合过渡段设计要求。 m a r t i na n dy a n 【5 】采用大应变有限差分程序f l a c 对循环荷载下的路桥过渡段 的变形特性进行了分析。 罗强睁1 0 1 在国内较早应用车辆与线路相互作用的动力学理论，全面分析了路桥 过渡段轨面弯折变形、轨道基础刚度变化、行车速度、车辆驶向等因素对高速铁 路路桥过渡段动力学特性的影响规律。分析表明，由路桥结构的不均匀沉降引起 的轨面弯折变形是影响高速列车安全与舒适运行的主要因素，应重点处理；由路 桥间刚度差引起的轨道基础刚度的变化对高速行车的影响不显著，不成为控制条 件；车辆进出路桥过渡段的动力学特性指标变化不大，列车的驶向不起制约作用； 并对过渡段的变形限值与过渡段长度的确定方法提出建议。 2 第1 章绪论 蔡成标、翟婉吲1 1 _ 1 3 】建立了列车与路桥过渡段动力特性分析模型，确定了一 套轨道过渡段动力特性的评价指标，分析了由基础沉降差引起的钢轨初始变形以 及行车方向、行车速度对轮轨系统动力性能的影响，提出了确定路桥过渡段长度 的方法。王其昌【1 4 】等应用翟婉明教授所建立的车辆一轨道耦合动力学理论与新型快 速显式数值积分方法，对桥梁路基连接过渡段轨道的轮轨相互作用的各项动力学 性能，进行了大量的计算机仿真计算、综合分析和性能评价，分析了高速铁路路 桥过渡段车辆与轨道及路基的相互作用特性，给出了高速铁路路桥过渡段轨道折 角的容许限值。刘林芽【1 5 】利用有限元法，通过建立车辆轨道耦合系统竖向振动分 析模型，对列车经过路桥过渡段时轨道结构的动力学性能进行评价，为既有线提 速和新线建设提供了设计依据。 陈雪华【1 6 】等分析了沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动 应力的关系，以及动应力沿路基深度方向的变化规律等。张洪亮【17 1 8 】等分别用振 型叠加法和拉普拉斯变换法进行了车路动力学分析，求出了人的竖向加速度和路 面对车辆的作用力；并证明路桥过渡段车路动力学分析可以采用拉普拉斯变换法， 其中拉氏数值逆变换采用c r a m p 法，计算程序的编制采用m a t l a b 语言。 雷晓燕f l 踞o 】通过建立轨道振动微分方程，得到了单轮作用下轨道变形的解析 表达式。在此基础上，研究了轨道临界速度与轨道强振动的关系，分析了轨道基 础弹性模量和轨道抗弯刚度对轨道临界速度及轨道振动的影响。夏禾f 2 l 】等通过理 论推导和分析实例研究了列车以一定速度通过桥梁时，车桥系统的共振机理和发 生共振的条件。分析了车桥系统几种不同的共振形式，认为车桥系统的共振条件 与桥梁跨度、长度及竖向和横向刚度，列车编组、车辆轴距参数及车辆的自振频 率等因素有关等。 这些研究采用的主要方法为建立车辆一线路分析模型，编制程序采用相应的解 法，逐步求解列车通过路桥过渡段过程中车辆、轨道和线路的动力响应。建模的 基本思想是：分别建立车辆子系统模型和轨道子系统模型，之后建立车辆模型与 轨道模型之间的耦合模型。由于车辆子系统和轨道子系统是通过轮轨垂向接触实 现的( 具体表现为轮轨之间的垂向作用力) ，因此确定轮轨作用力时采用赫兹非线 性接触理论。所采用的模型的简化方法为：将车体和转向架简化为刚体，均有点 头和沉浮两个自由度。车轮和簧下质量简化成质量块，各部件之间由弹簧和阻尼 器连接。线路部分是由钢轨、轨枕、道床和路基组成的三层点支承梁模型。钢轨 视为连续支承欧拉梁，轨下垫层和枕下道床的支承弹性及阻尼用等效的弹性系数 和阻尼系数来表示，轨枕简化为刚体或同道床一样离散化为集中质量块，路基的 支承用相应的弹性系数和阻尼系数表示。另外，为了有效模拟轮轨之间的赫兹非 3 北京交通大学硕士学位论文 线性接触，采用车辆、轨道振动方程分开求解的有限元法。国内研究路桥过渡段 的基本模式是采用这种模型，编制相应的程序，通过如折角、刚度等因素对车辆 和轨道振动特性影响，再结合控制标准来提出路桥过渡段参数的合理取值。其存 在的问题是：首先，为了编程的方便，采用的简化模型对轨道部分尤其是轨下结 构，无法细化模拟，而模型的精度会直接影响分析结果的可信性；另外，模拟过 渡段时通常采用刚度突变的形式，未考虑渐变段的影响。 1 3 本文主要研究方法和研究内容 根据铁路路桥过渡段的受力和变形特性，在综合参考了国内外相关技术资料 的基础上，结合朔黄铁路路桥过渡段路基及轨道加强研究的现场试验，建立路桥 过渡段轨道结构及路基结构的有限元模型，对铁路路桥过渡段的力学响应及加强 措施进行了理论分析和试验研究。 本文的研究方法为理论研究、现场试验、数值模拟三种方法相结合，主要工 作内容如下： 第一章主要介绍了论文的研究背景，广泛了收集国内外路桥过渡段的技术资 料，对国内外路桥过渡段的研究现状进行了概括，并介绍了本文的主要研究内容。 第二章首先分析了路桥过渡段的结构特点，总结了产生路桥过渡段问题的主 要原因，并对目前国内外路桥过渡段的处理措施进行了综述。 第三章介绍了朔黄铁路试验段的线路概况及现场测试的主要内容，结合测试 数据分析了试验段的轨道及路基的质量现状，得出需要加强的范围。 第四章介绍了有限元理论并建立了路桥过渡段二维平面计算模型，分析了列 车荷载作用下路桥过渡段力学响应的变化规律，并就轨道刚度、轨枕间距、列车 轴重及行车速度对路桥过渡段力学响应的影响进行了研究。 第五章建立了路桥过渡段路基有限元模型，对列车荷载作用下路桥过渡段路 基的横向和纵向力学响应进行了分析，研究基床表层、过渡段填料属性及地基刚 度等因素对路桥过渡段路基力学响应的影响，并借助正交试验设计原理，对各影 响因素的显著性进行了评价。 第六章在综合分析朔黄铁路试验段试验数据及数值计算结果的基础上，提出 了朔黄铁路路桥过渡段可行的加强措施。 第七章对本文的主要研究成果进行了总结，并提出了需要进一步研究的问题。 4 第2 章路桥过渡段问题分析及处理措施综述 2 路桥过渡段问题分析及处理措施综述 本章主要介绍铁路路桥过渡段的结构特点，总结产生过渡段问题的主要原因， 并综合分析目前国内外常用的路桥过渡段的处理措施。 2 1 路桥过渡段结构特点及过渡段问题原因分析 2 1 1 路桥过渡段的结构特点 铁路的发展必须以安全、可靠、舒适等为前提。它要求构成铁路系统的各个 方面都具有高品质和高可靠性。其中，铁路线路的稳定与平顺是必不可少的条件 之一。由于铁路线路是由不同特点、性质迥异的结构物组成，例如桥梁、隧道以 及涵洞等，这些结构在与路基相连接路段的强度、刚度、材料、变形等方面都存 在巨大的差异，并会随着运量、时间、气候环境等因素的变化，以及车辆荷载的 随机性和重复性，轨道结构的组合性和松散性，养护维修的经常性和周期性等特 点，引起轨道的不平顺，产生显著的过渡段问题。 在路基与桥梁的连接处，由于路基与桥梁的沉降特性不一致，在路桥连接处 附近极易产生沉降差，当路基与桥梁之间的沉降差积累到一定程度会使列车通过 时对线路产生较大的附加动力作用，这种动力作用反过来又会加剧沉降差的发展， 导致轨面发生弯折，从而破坏路桥过渡段的轨道结构；另一方面，路基与桥梁结 构的刚度差异也十分明显，能引起轨道刚度的较大变化，形成动不平顺问题。当 车辆经过路桥过渡段时，庙轨下基础引起的轨道变形和刚度的突变会增加列车与 线路的振动，损伤轨道部件、破坏轨面及轨距、影响线路结构的稳定性，甚至危 及行车安全，大大降低了车辆运行的安全性和舒适度，从而在整体上影响了铁路 的经济效益和社会效益。 2 1 2 产生路桥过渡段问题的原因分析 综合设计、施工及工程管理等各方面的因素，将铁路产生路桥过渡段问题的 主要原因归纳为以下几个方面【啪5 】： ( 1 ) 重桥梁轻路基的意识 我国铁路系统对铁路路桥过渡段的处理一直未得到重视，而设计及施工过程 5 北京交通大学硕士学位论文 中的重桥梁轻路基的意识也严重影响了路桥过渡段的施工质量。在以往铁路建设 的过程中，桥梁工程不仅建设规模巨大，投资多，而且有时还是保证线路正常通 车的关键。在施工过程中，也往往是路基桥梁分家，重桥梁轻路基。在人力物力 方面将大量的有经验的工程技术人员投入桥梁的施工过程中，而在路基施工时却 放松意识，减少必要的相关技术人员的使用；在工序安排方面将桥梁作为重点控 制工程一般都优先进行施工，路基工程由于被认为施工难度较小而一般放在桥梁 建成后施工，从而使路桥过渡段的施工质量成为整个过程中的薄弱环节。 ( 2 ) 设计及施工原因 以往在设计中没有把路桥过渡段作为一种结构物来考虑，也没有较为合理的 设计要求。路桥过渡段的设计意图往往都过于简单和原则，参数指标和技术标准 既缺乏也不明确，基本上还是处于经验设计阶段。设计时对路桥过渡段的旋工碾 压过程考虑不够周全，对填料的要求不严格，桥台后排水设计也不严密，这些因 素都将影响其施工质量。 在工程管理方面，工程建设的施工组织对施工的工期和工序的安排也不合理。 路桥过渡段是在铺轨前集中填筑，施工时通常将路桥过渡段的填土碾压工作安排 在施工的工期的尾部，为了赶工期，几乎没有静置沉降和趋于稳定的时间，填土 的压实质量不能得到很好的控制，运营后初期沉落变形较大，从而形成较严重的 线路病害，使得路桥过渡段需要频繁的养护维修才能保证轨道结构的平顺性要求。 在施工过程中，由于路桥过渡段的位置特殊，场地狭小，常使台后填料不易 达到最佳的压实效果，纵然使用小型振动机械，如不严格施工管理，也很难达到 设计要求。施工时还存在对路桥过渡区段的回填料不按设计要求填筑，采用不良 填料的现象。另外由于施工现场的碾压机械配置欠佳，压实功率不够，又没有进 行分层质量检查，出现了碾压厚度超标的情况，使得压实质量控制及压实度达不 到设计的要求。 ( 3 ) 路基与桥台结构差异的原因 桥台与路基本身所用的材料不同，桥台一般是刚性的，而路基则是柔性的， 因此两者的刚度、自重及强度等都不同。由于桥台和路基这种结构上的差异决定 了它们的竖向位移、塑性变形等响应在受到动荷载作用时必然也存在差异。路桥 过渡段在外力作用下是应力集中的区域，而作为刚性桥台与柔性路基的结合部位， 路桥过渡段在结构上又是塑性变形和刚度的突变体。在动荷载作用下，刚柔之间 必然存在沉降差，因此路桥过渡段是影响线路运营的薄弱环节。 ( 4 ) 地基条件原因 一般认为，地基土的性质及结构不同，所产生的沉降和沉降达到稳定所需要 的时间也不同。例如，粉质土地基和中、低压缩性的黏土地基全部完成沉降大约 6 第2 章路桥过渡段问题分析及处理措施综述 需要几年时间，而高压缩性黏土地基，饱和、软黏土地基全部完成沉降则需要十 几年甚至几十年的时间。 许多既有线路的位置靠近河流、沟壑，往往地基土含水量大，地质条件更差， 如果路桥过渡段修在这些地基条件差又未经很好处理的软土地基上，路基和桥梁 的工后沉降量则会是明显的不同，这样在路基桥梁过渡处必然有沉降差。 另外，在软土地基区段的路桥过渡段对桥台和路基处理方法的差异也是引起 过渡段沉降差的重要原因。桥台处通常采用刚性的钻孔灌注桩进行处理，灌注桩 深度达数十米，可认为其呈刚性，在外力作用下基本上不产生变形；而路基的处 理一般采用常见的排水固结法、深层搅拌桩法、碎石桩法等方法，地基固结度很 难达到1 0 0 ，并且由于次固结沉降的存在，使得工后沉降经历很长的时间才能稳 定。与刚性桩相比，路基处理方法的变形要大得多。 ( 5 ) 桥台后填料的成因 桥台后路堤填料一般全是用的填土，在施工过程中，由于路桥过渡段处场地 有限造成作业面也相对狭小，填料的压实质量不容易控制，会导致压实度达不到 设计的要求。即使施工时填料的压实度达到了设计的要求，在线路投入运营之后 路基填料还会进一步的压缩变形，这是因为在施工过程中，填料颗粒间的孔隙不 可能随着压实设备的反复碾压而完全消除，投入运营之后的线路在列车反复荷载 及填料自重的作用下，还会被逐渐压缩，其空隙率继续减小，还会发生塑性变形， 这种变形是填土高度的0 5 1 ，使得路桥过渡处出现沉降差。 另外填料种类的选择直接影响路桥过渡段的沉降变形。这是由于不同种类和 性质的填料产生的沉降大小也各不相同。在相同的压实标准下，强度低、刚度小 的填料与强度高、刚度大的填料相比，其产生的压缩变形要大得多。为减小路桥 过渡段的工后沉降，填筑应采用强度高、刚度大的优质填料，如常见的素混凝土 或级配良好的级配粗粒料等。 ( 6 ) 外部环境的影响 路桥过渡段在经过一段时间的列车荷载及填料自重的作用以及地基的不均匀 沉降后，在桥台后的填土上会产生细小的伸缩裂缝。经过地表水或是雨水的渗透 后，使填土的空隙率发生改变，路基填土出现病害，强度降低，产生较大的沉降。 另外，由于水的渗透流动带走填料中的细颗粒土，在列车荷载反复作用下，会使 路桥过渡段内产生道碴翻浆、轨枕摆动悬空、路基下沉变形、线路部件损坏、轨 面轨距变化等病害。 ( 7 ) 轨道技术状态和种类原因 铁路要求轨下竖向综合刚度保持均匀一致，即桥上的竖向刚度与路基上的竖 向刚度保持一致。桥上是有碴轨道还是无碴轨道，桥上轨枕垫刚度值的大小等都 7 北京交通大学硕士学位论文 与传递到桥头上的作用力大小有关；同时路桥过渡区段内钢轨和轨枕的类型及轨 枕垫刚度匹配与否都与传递到路基上的冲击作用力的大小有关。目前在路桥过渡 段的设计上未考虑钢轨、轨枕及轨枕垫以保持轨下结构竖向综合刚度的均匀一致， 以致钢轨存在有接头或损伤，都是影响轨道正常运营及列车乘坐舒适度的因素。 除以上主要原因外，影响线路运行质量的因素还包括路桥过渡段内的动荷载 大小，因此路桥过渡段问题的产生也与机车车辆的类型、运行速度和技术状况等 方面的因素有关。 2 2 路桥过渡段处理措施综述 世界各国在发展铁路尤其是高速及重载铁路的过程中，对线路结构容易发生 不平顺的部位都特别加以重视，并根据系统工程的观点，从结构设计到施工组织、 工期安排到质量检验都采取严格的措施，来控制由沉降不均匀引起的轨面弯折变 形和轨道的刚度变化，以达到提高线路平顺性，确保列车安全和平稳运行的目的。 各国的具体处理方法都有各自的特点：法国是在路基与桥梁过渡段设置过渡 桥台；德国则是加宽路基与桥梁过渡段中路基的宽度，道碴厚度沿桥梁至路基方 向逐渐递减，以使线路刚度逐渐变化；日本是在路基与桥梁过渡段设置碎石填筑 段等。 结合国内外在处理路桥过渡段方面积累的丰富经验，可得到铁路路基与桥梁 过渡段的处理主要是考虑以下三个原则【2 1 】：通过加强路基结构来增大基床的 竖向刚度，减小路基结构物的沉降，以达到减小路基与桥梁在刚度和沉降方面的 差异、降低路桥间线路不平顺的目的。在路基一侧采取措施，用提高轨道竖向 刚度的方法来减小路桥间轨道刚度的变化率。在桥梁一侧设置轨下、枕下、碴 底橡胶垫块来减小轨道的竖向刚度。 2 2 1 过渡段较软一侧增大基床竖向刚度的措施 在过渡段较软一侧，增大基床竖向刚度，减小路基结构沉降。该类处理方法 的主要目的是通过加强路基结构来减小路基和桥梁在刚度和沉降两方面的差异， 以降低路桥过渡段的不平顺。具体的处理方法有加筋土法、级配粗粒料填筑法、 钢筋混凝土搭板法等【3 2 】。 1 加筋土法 该方法是通过在路桥过渡段的路基填土内( 必要时也可包括地基内) 埋设一 定数量的拉筋材料，形成加筋土路基结构。加筋土不仅能增加路基的强度，而且 8 第2 章路桥过渡段问题分析及处理措施综述 还能大幅提高路基的刚度，显著减小路基的变形。另外通过调整拉筋材料的布置 间距和位置，可将桥背路基与桥梁交界处的台阶式跳跃沉降变成连续斜坡式沉降， 能方便地达到使路桥过渡段平顺过渡的目的。 现场试验和室内试验研究表明，加筋土路基结构能有效地处理由桥背路基土 的沉降而引起的线路不平顺。在施工中，只有按照一定的压实标准填筑，选用适 当的拉筋材料，可以将桥背路基表面沉降控制在和5 c m 内，且其沉降为线形连续 型。 必须注意的是，拉筋的埋设范围与位置不同，将达到不同的处理效果。拉筋 仅布置于基床内，其主要作用是加强基床结构，增大基床刚度，减小列车动荷载 引起的路基变形。拉筋满布于路基面以下的路堤( 包括地基) 内，既能增大基床 的刚度，又能减小动载和自重引起的路基变形。 2 级配粗粒料填筑法 为了减少路堤自身的压缩性，降低其工后沉降，在路桥过渡段中使用强度高， 变形小的优质填料进行过渡段的填筑，包括碎石、砂砾石、水泥石灰稳定砂石土、 低标号混凝土等。该法是最常用的一种处理措施，是各国的高速铁路设计规范中 推荐的减少路桥间沉降差的处理方法。该方案的设计意图明确，通过使用性质稳 定、易控制的级配粗粒料来减小路基自身的压缩性，在较高的压实标准下，可保 证使路基与桥梁间的刚度与变形均匀过渡。存在的问题是如果使用了优质填料， 而因桥台背空间狭窄而没有进行充分的压实，那么质量相对较重的填料引起的地 基沉降也较大，故不能发挥过渡段的功能。所以对级配粗粒料的填筑压实和检测 标准必须进行严格规定，以确保施工质量。 近年来国内外研究、开发和应用了一种减轻结构物自重的工艺方法，即采用 轻型力学性能较好的材料来填筑路桥过渡段。目前常用的轻型填料有e p s ( 聚苯 乙烯泡沫塑料) 、人工气泡混合土( 泡沫水泥砂浆) 、火山灰、粉煤灰、轻型废弃 物、中空构造物等，这些轻型填料都具有良好的力学强度。采用该方法可以显著 减小桥背路堤填料自身的压缩变形，减弱对地基的竖向加载作用以及对桥台结构 的水平压力，使填料对地基变形的影响减小。该方法还可以与地基处理进行综合 考虑，降低地基处理的费用，减小地基处理范围以及缩短施工工期。 3 土质改性法 该方法是使用各种土质改性的措施对路桥过渡段的路基填料进行处理，提高 填土的强度以降低填土的压缩性，增加路基的刚度和减小路基的变形。同样，不 同的加固范围和加固位置可达到不同的处理目的。若只对基床部分填土进行土质 改良，则对减小路桥间轨道刚度的差异有一定效果，能降低由动载产生的基床变 形，但不能减小由柔性路基土工结构与刚性桥台人工结构间沉降差引起的轨面变 9 北京交通大学硕士学位论文 形。 常用的土质改性的方法有换土法、排水固结法等。路桥过渡段若位于承载力 较低的软弱土层，而桥头处的软土层又较薄时可采用换土法，其整治比较彻底， 效果良好；排水固结法在国外应用广泛，是在路桥过渡段正式施工之前，在饱和 性软粘土地基表面，铺设排水系统( 砂井、塑料排水板、砂垫层等) ，再利用加压 系统( 堆载法、真空法) 使地基土强迫压密，加速固结，等其强度及变形达到设 计要求后，再卸掉加载系统，正式修建建筑物的方法。这样可以增加地基土的刚 度系数，提高强度，减小结构物的工后沉降及沉降差。 4 过渡板法 在路桥过渡段范围内路基填料上可设置一钢筋混凝土搭板，并使板的一端支 承在刚性基础( 桥台) 上，另一端简支于枕梁上，利用钢筋混凝土厚板的抗弯刚 度来增大轨道结构的竖向刚度，使刚性桥台与柔性路基结构有一个刚度渐变的过 渡过程，能够有效的减小列车动荷载对路桥过渡段的冲击作用，改善路桥过渡段 的受力状况。该方法在公路系统应用最为广泛，一般高速公路桥头搭板的长度在 3 1 2 m 之间。该方法用于铁路路桥过渡段的处理时，还应注意两个问题：第一是 过渡段的范围较大，列车的质量更重，速度更快，而过渡板板底的支承条件不确 定，结构受力情况非常复杂，一旦破损，更换将非常困难；第二是该处理方法对 轨道刚度的增强效果显著，但不能减小板下填土及地基的压密下沉，必须配合其 它处理措施才能有效地控制由此引起的轨面变形。除此以外还应考虑桥头搭板的 长度和刚度应避开列车的冲击振动频率的影响。 2 2 2 过渡段较软一侧增大轨道竖向刚度的措施 该类处理方法的主要目的是通过提高轨道结构刚度的方法来减小路桥间轨道 刚度的变化率，不能解决由路桥间沉降差引起的轨面变形问题，具体处理方法有 改变轨枕的长度和间距法、附加钢轨法及改变道床厚度法等。 1 通过调整轨枕的长度和间距来提高轨道刚度 在路桥过渡段范围内，通过使用逐步增长的超长轨枕和减小轨枕间距的方法 来实现轨道刚度的逐步过渡。 美国a r e a 在桥头路基上铺设较长的轨枕，从路桥连结处开始铺设，轨枕的 长度逐渐减小，并最终降至标准长度。加拿大国铁公司也采用类似的方法来完成 混凝土枕至木枕轨道的过渡，在混凝土枕向木枕过渡时，铺设长度逐渐减小并最 终降至标准长度的木枕以形成过渡段。这样，随着轨枕长度的逐渐变化，轨枕在 道床上的支承面积逐渐减小，从而形成轨道刚度的连续渐变。 1 0 第2 章路桥过渡段问题分析及处理措施综述 2 附加钢轨，通过增大轨排刚度来提高轨道刚度 该方法是在路桥过渡段范围内较软一侧路基上的行车钢轨两侧再增设附加钢 轨，以增加轨排的抗弯刚度来增加轨道的刚度。 德国在i c e 高速铁路的m u h l h c r g 隧道入口处采用了这种方法。该隧道内是无 碴轨道，隧道外是有碴混凝土枕轨道，帮轨长约3 0 m ，由四根附加在轨枕上的钢 轨组成，两根在运行轨之间，两根在运行轨外侧。这样，有四根附加轨和两根运 行轨组成的的轨排具有较好的整体性和较大的轨道刚度，可减小隧道内外轨道刚 度的差异，降低道床和基床的应力。 南非s p o o r n c t 公司在重载线路c o a l l i n c 的一处隧道进出口过渡区域分别铺设 了梯子型和i i 型轨枕两种类型的轨道结构。根据每3 个月进行的一次轨道状态测 试数据表明，该两种轨道结构的工作状态良好，变形小且均匀。 日本铁路因采取了一系列的强化轨道结构措施，维修工作量已较过去少了许 多，但仍有一些部位，如桥头线路的养护工作量仍比较大。由于构造上的原因， 桥头线路承受的轮载冲击力较一般部位大，极易引起线路在此产生高低不平和摇 摆等变形，不仅影响了列车的舒适性指标，还将缩短钢轨的使用寿命。排水不畅 时，还会引起翻浆。在桥梁前后的线路上，尝试过使用纵向轨枕( 沿钢轨铺设) ，来 增大轨道的竖向刚度，实现轨道的刚度由土路基向桥梁的逐步过渡，取得了一定 效果。 3 通过增加道床厚度来提高轨道刚度 道碴是一种强度高，变形小的优质散体材料，道床的模量一般比土基床大， 在过渡段范围内逐渐增加道床的厚度，也可逐步提高轨道的刚度，减小路桥连结 处两侧刚度的差异。必须注意的是，由于高速铁路路基的压实标准较高，基床表 层又采用了级配碎砾石强化结构，路基基床的模量已普遍大于道床模量，在此条 件一下，通过加厚道床来提高轨道刚度的设想与实际情况不符。 2 2 3 过渡段较硬一侧降低轨道刚度的措施 对于桥梁或隧道等刚性结构物上的轨道结构，可通过调整轨下垫板的刚度或 设置枕下垫块( 无碴轨道) 等方法，使轨道的刚度值与较软一侧轨道的刚度值相 适应。垫板( 块) 的刚度参数可通过室内试验、现场测试和计算分析来确定。 对于有碴轨道结构，由于列车荷载的动力作用较大，常使道碴发生磨损粉化。 为了解决这个问题，日本在高速铁路的刚性结构与道碴间铺设了一层约2 5 m m 厚 的橡胶垫。该层橡胶垫的设置，也会降低轨道的竖向刚度，减小路桥间轨道的刚 度差。美、德等国也铺设过由废旧汽车轮胎加工制作而成的碴底垫层。碴底橡胶 北京交通大学硕士学位论文 垫层的设置，有利于减小路桥间轨道结构的刚度差。 2 3 本章小结 本章首先分析了路桥过渡段结构的特点及产生路桥过渡段问题的原因，并总 结了处理路桥过渡段问题的主要原则。 ( 1 ) 路桥过渡段的不平顺问题，包括静不平顺和动不平顺两个方面。一方面 是轨道刚度的平顺过渡问题；另一方面是桥台和路基的工后沉降差引起的轨面或 路面变形限值问题。这两个方面都对车辆的运行产生影响，但产生的原因是各不 相同的，影响的程度也是不一样的。在制定路桥过渡段处理方案时，必须针对不 同的影响因素和产生的原因，采取不同的加固方法。 ( 2 ) 铁路路桥过渡段产生问题的原因包括重桥轻路意识、设计及施工的不完 善、路基与桥梁结构差异、过渡段所处位置的地基条件、路基所用填料的种类和 性质、以及过渡段的轨道状态等多方面的因素。 ( 3 ) 铁路路桥过渡段的技术处理措施，可根据线路结构的特点，分为三大类： 在过渡段较软一侧，增大路基基床的竖向刚度值，减小路基结构的沉降；在 过渡段较软一侧，增大轨道结构的竖向刚度；在过渡段较硬一侧，通过设置轨 下、枕下、碴底橡胶垫层来降低轨道结构的竖向刚度。该三类方法，同样适用于 公路路桥过渡段的综合处理。 1 2 第