剛性楔形搭板在均勻地基沉降下的設計優化

王 宇，羅 偉，王 平，方 筠

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

在路橋過渡段處設置剛性楔形搭板是較為常見的處治不均勻沉降的方法之一［1］。在橋梁設計規范中，關于搭板設計的內容不多，只有簡單的幾條構造要求。在實際設計時主要依靠工程經驗，一旦施工不規范，就可能引起橋頭跳車［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、剛性楔形搭板的設計參數，如彈性模量、板長、板寬、板左右端面厚度、板后HGT層(水硬性支撐層)的長度等。由于剛性楔形搭板在變形過程中與土體相互作用的復雜性及橋頭路堤對沉降變形的敏感性，本文利用數值分析方法對剛性搭板的尺寸進行優化，以對搭板在實際工程中的應用有所指導。

1 有限元模型

路橋過渡段剛性楔形搭板布設方式如圖1所示。由于軌道具有對稱性，本文對軌道取半結構分析，建立有限元分析模型［3-6］。

模型參數的選取參考了無砟軌道的相關數據，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;臺后回填土頂寬8.6 m，截面坡度1∶1.5，高6 m。鋼軌采用梁單元，扣件采用非線性彈簧單元，其余部分均采用實體單元進行模擬。

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;側面Y方向位移為0，路堤與橋臺接觸面縱向位移為0;軌道板和HGT層與橋臺接觸面豎向位移為0;剛性楔形搭板一端簡支在橋臺，簡支長度為0.6 m，另一端自由擱置在路基上。

《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》規定:路橋或路遂交界處的沉降差異不應大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應大于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剛性楔形搭板的尺寸進行設計優化。

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，經過搭板處理后，Δ=5 mm時路基頂面下降了0.5 cm，Δ=10 mm和Δ=15 mm時路基頂面分別下降了1.0，1.5 cm，曲線都很平緩，橋臺與路堤的沉降差得到了很好的控制與協調。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 剛性楔形搭板長度的選取

在橋頭剛性搭板設計中，搭板長度是重要的設計參數之一。理論上搭板長度越長，其過渡段沉降差的處治效果越好，但若要降低工程造價，就要在保證路堤與橋臺銜接處沉降差得到控制的前提下，盡量減小搭板的造價。

研究搭板合理長度時，其他尺寸不變，搭板長度分別取 6，8，10，12 m。地基均勻沉降量 Δ =5，10 和15 mm時，搭板長度與路基頂面沉降關系曲線類似，圖3給出了Δ=10 mm時搭板長度與路基頂面沉降的關系曲線。從圖3可以看出，剛性搭板長度對路基頂面沉降有一定的影響，在6～16 m范圍內影響較突出。隨著長度的增加，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，長度影響更顯著。但是這種沉降值隨著搭板長度增加減小的變化率逐漸變小，從6 m增加到8 m時影響較大，而從10 m增加到12 m時影響較小，所以可以認為搭板長度取值應該在8～10 m。L＜8 m時沉降曲線變化較陡，不能滿足平緩過渡要求;L＞10 m時增加了工程費用但對沉降曲線影響小，不可取。

圖3 地基均勻沉降量為10 mm時搭板長度與路基頂面沉降的關系

搭板長度不僅對路堤的沉降有影響，而且對搭板底縱向應力也有一定的影響，因此分別計算4種不同搭板長度時的搭板底最大縱向應力，所得結果見表1。從表1可以看到，板越長，板底最大縱向應力越大。其中拉應力增大主要是由于板越長，板中彎矩越大，從而板底拉應力增大;壓應力增大是因為板越長，厚度沿板長變化率變小，使搭板與橋臺相互作用增大。

表1 不同板長在不同地基均勻沉降量時搭板底最大縱向應力 MPa

2.3 剛性楔形搭板寬度的選取

在一些國家搭板寬度一般與接線路面同寬，而國內根據以往的工程經驗，搭板較窄，一般與橋梁行車道同寬，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過渡段的影響，保持其他參數不變，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時搭板寬度與路基頂面沉降的關系曲線。

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

為研究搭板寬度對搭板底縱向應力的影響，分別計算4種不同搭板寬度時搭板底最大縱向應力，所得結果見表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力。

圖4 地基均勻沉降量Δ=10 mm時搭板寬與路基頂面沉降的關系

表2 不同板寬在不同地基均勻沉降量時搭板底最大縱向應力 MPa

2.4 剛性楔形搭板厚度的選取

橋頭剛性搭板設計中，搭板厚度也是重要設計參數，搭板厚度是決定搭板強度和剛度的主要因素。通過改變搭板厚度變化率來改變軌道整體剛度，可使軌道整體剛度從橋臺到路基平緩過渡，另外，通過搭板的協調使得路基頂面折角盡量最小。

為了避免其他參數的影響掩蓋厚度因素，保持其它參數相同，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時搭板厚度與路基頂面沉降的關系曲線。從圖5可以看出，剛性搭板厚度對路基頂面沉降有較大的影響。這種影響在整個過渡段范圍內均有體現。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，應盡量采取工況3的厚度參數。

圖5 地基均勻沉降量Δ=10 mm時搭板厚度與路基頂面沉降的關系

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生的最大縱向應力。由表3可知，工況3的板底最大縱向應力值最小，即增加搭板整體厚度和減小厚度變化率對搭板受力有利。

表3 不同板厚在不同地基均勻沉降量時搭板底最大縱向應力 MPa

3 結論和建議

1)地基沉降變形是路橋過渡段橋臺與路堤沉降差的主要構成部分，路堤縱向的工后沉降變形是影響剛性楔形搭板適應性和尺寸參數的關鍵因素。

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

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

4)剛性楔形搭板寬度對減小沉降、折角影響很小，在設計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減小沉降、折角影響也很顯著。在地基沉降較大的地區宜采用較厚且厚度變化率較小的剛性楔形搭板進行處治。

［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性研究［J］.城市軌道交通，2012(4):61-66.

［2］王志德.搭板設計參數優化解決橋頭跳車的研究及應用［D］.武漢:武漢理工大學，2011.

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

［4］俞永華，謝永利，楊曉華.路橋過渡段路基加固體的拓撲優化［J］.長安大學學報，2007，27(6):40-43.

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

［6］孟凡明.橋臺搭板的設計優化［J］.工程建設與設計，2009(11):125-126.