張家玲，徐光輝，蔡 英

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻?qū)o砟軌道結(jié)構(gòu)的動力特性影響很大，甚至危及行車安全。但如果對路基結(jié)構(gòu)的剛度均勻性提出過高要求，又會增加施工碾壓遍數(shù)，提高工程造價(jià)。為此，國內(nèi)外學(xué)者對路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻性進(jìn)行了相關(guān)研究，這些研究一般采用不同波長、不同幅值的沉降曲線來模擬路基結(jié)構(gòu)的不均勻。由于路基結(jié)構(gòu)的不均勻沉降實(shí)質(zhì)是路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻引起的，當(dāng)路基結(jié)構(gòu)的剛度存在不均勻時(shí)，在荷載作用下，將產(chǎn)生不均勻沉降，這會導(dǎo)致輪軌動位移和動應(yīng)力的增大，進(jìn)而危及列車運(yùn)行安全。

為了分析路基結(jié)構(gòu)剛度不均勻?qū)ι喜寇壍澜Y(jié)構(gòu)動力特性的影響，建立無砟軌道—路基三維多層體系動力學(xué)模型。通過施加列車動荷載，分析路基結(jié)構(gòu)各種剛度不均勻性狀對軌道結(jié)構(gòu)動力特性的影響，以此提出路基結(jié)構(gòu)剛度不均勻的限值標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)路基結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的檢驗(yàn)和控制。

1 無砟軌道—路基的多層體系模型

根據(jù)京滬高鐵無砟軌道綜合試驗(yàn)段路基的典型斷面，利用非線性有限元軟件ABAQUS，建立基于CRTSⅡ型板式無砟軌道—路基的多層體系模型。模型縱向長度按標(biāo)準(zhǔn)軌道板長度6 450 mm設(shè)置，模型組成為:①軌道板寬度為2 550 mm，厚度為200 mm;②砂漿調(diào)整層設(shè)計(jì)厚度為30 mm;③底座寬度為2 950 mm，厚度為300 mm;④級配碎石層頂寬為9 500 mm，厚度為400 mm;⑤基床底層采用 AB組填料，厚度為2 300 mm，路堤邊坡為1∶1.5。模型建立了軌道板、CA砂漿層、底座板、路基4個部件，其中路基部件再剖分為級配碎石層和基床底層。模型的邊界約束條件為:地基橫向邊界設(shè)置X向約束，底部設(shè)置X，Y和Z向約束，模型縱向前后2個斷面設(shè)置Z約束。模型先施加自重應(yīng)力，然后在軌道板的承軌槽位置施加列車動荷載。計(jì)算過程中，軌道板與CA砂漿的接觸面允許產(chǎn)生分離，CA砂漿與底座板的接觸面不產(chǎn)生分離，底座板與級配碎石的接觸面允許產(chǎn)生分離，路基內(nèi)部各層間的接觸面不允許產(chǎn)生分離。

2 模型荷載及計(jì)算參數(shù)

2.1 模型荷載

1)自重荷載:由于自重荷載對模型層間的接觸狀態(tài)有較大影響，因此在建立模型時(shí)需要考慮自重荷載對模型系統(tǒng)的動力影響。

2)列車荷載:由于鋼軌具有彈性，一個車輪的荷載往往由幾根軌枕來承擔(dān)，同理，在某根軌枕上，可能要承擔(dān)多個輪載的作用，為了準(zhǔn)確考慮承軌槽所承擔(dān)的荷載，對承軌槽上的荷載按群輪作用考慮，即

式中:R為作用在承軌槽上的壓力;a為承軌槽間距;k為剛比系數(shù);P為輪載;x為輪載作用點(diǎn)與承軌槽之間的水平距離，可以用列車運(yùn)行的速度和時(shí)間表示。Σ e－kx(coskx+sinkx)為轉(zhuǎn)向架車輪荷載沿縱向分布系數(shù)。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

無砟軌道—路基多層體系模型的主要參數(shù)見表1。級配碎石層正常模量值取為190 MPa，其他值為模擬剛度不均勻部位的模量值;為了模擬基床底層對軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響，AB組填料正常模量值為120 MPa，其他為軟弱基床底層的取值。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

路基剛度不均勻按軌道板下路基端部不均勻和角部不均勻考慮，路基剛度不均勻分布形狀及分析時(shí)選用的節(jié)點(diǎn)位置見圖1。計(jì)算時(shí)不均勻部位從軌道板端部開始，長度從0逐漸增加到整個軌道板長度，共13種情況。對應(yīng)于每一種長度，級配碎石層的彈性模量分別取 110，130，150，170，190，210 和 230 MPa 七種情況進(jìn)行計(jì)算。

圖1 路基剛度不均勻狀況示意

3 模型動力響應(yīng)分析

3.1 路基剛度不均勻部位對軌道動位移的影響

圖2為軌道板下路基端部和角部不均勻部位剛度值為130 MPa時(shí)，軌道板兩端節(jié)點(diǎn)最大動位移隨不均勻部位長度的變化曲線。從圖中可以看出，不論是不均勻端節(jié)點(diǎn)389，還是均勻端節(jié)點(diǎn)394，其動位移均隨著不均勻部位長度的增大而增大，但端部不均勻情況的動位移更大，增加速率也更快。因此，在后面分析時(shí)路基剛度不均勻均按端部不均勻考慮。

圖2 路基剛度不均勻部位長度對軌道結(jié)構(gòu)動位移的影響

3.2 路基剛度不均勻狀態(tài)對軌道結(jié)構(gòu)動位移的影響

圖3為基床底層剛度為120 MPa時(shí)路基結(jié)構(gòu)各種不均勻性狀下軌道板端部節(jié)點(diǎn)最大動位移曲線。從圖3(a)可以看出，節(jié)點(diǎn)389的動位移隨剛度值的變化比較明顯，并且隨著不均勻區(qū)域面積的增加而增大。當(dāng)級配碎石層不均勻區(qū)域剛度＜150 MPa后，軌道板節(jié)點(diǎn)動位移將超過1 mm，尤其是不均勻區(qū)域的剛度值為130 MPa和110 MPa時(shí)，變化更加明顯。當(dāng)不均勻區(qū)域剛度為130 MPa、面積達(dá)到5 m2，及不均勻區(qū)域剛度為110 MPa、面積達(dá)到3 m2時(shí)，軌道板節(jié)點(diǎn)動位移將超過1 mm。從圖3(b)可以看出，只有當(dāng)不均勻區(qū)域的面積達(dá)到10 m2后，節(jié)點(diǎn)394的動位移才有明顯的變化，不均勻區(qū)域的剛度值為130 MPa和110 MPa時(shí)，變化更加明顯。由此說明，路基剛度不均勻不僅影響本區(qū)域上部軌道結(jié)構(gòu)的動位移，而且對其他滿足要求的相鄰區(qū)域上軌道板的動位移也會產(chǎn)生影響，且不均勻區(qū)域的剛度值越小，影響越明顯。

圖3 基床底層剛度為120 MPa時(shí)軌道板端部節(jié)點(diǎn)動位移曲線

3.3 基床底層剛度對軌道結(jié)構(gòu)動位移的影響

為了分析基床底層剛度對軌道結(jié)構(gòu)受力及動位移的影響，本文還分析了當(dāng)基床底層剛度為100 MPa，80 MPa時(shí)各種不均勻性狀對軌道結(jié)構(gòu)動力特性的影響。分析結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 基床底層剛度為100 MPa時(shí)軌道板端部動位移曲線

圖5 基床底層剛度為80 MPa時(shí)軌道板端部動位移曲線

圖4為基床底層剛度為100 MPa時(shí)路基不均勻狀態(tài)下軌道板最大動位移曲線。從圖4(a)可以看出，當(dāng)級配碎石層剛度為150 MPa以上時(shí)，不管不均勻區(qū)域的面積多大，對節(jié)點(diǎn)389動位移的影響并不明顯。但當(dāng)級配碎石層剛度為130 MPa、不均勻區(qū)域的面積為10 m2，及級配碎石層剛度為110 MPa，不均勻區(qū)域的面積為5 m2后，軌道板動位移就明顯增大，影響效果顯著增加。從圖4(b)可以看出，當(dāng)基床底層剛度為100 MPa時(shí)，隨著級配碎石層不均勻區(qū)域面積的增大和不均勻程度的增加，節(jié)點(diǎn)394的動位移隨著級配碎石層剛度值的減小而有增加的趨勢。當(dāng)不均勻區(qū)域的面積較小時(shí)，動位移增加不太明顯，但當(dāng)不均勻區(qū)域的面積擴(kuò)大到一定范圍后，動位移增加較快。如當(dāng)級配碎石層剛度為130 MPa、不均勻部位面積為8 m2，以及級配碎石層剛度為110 MPa、不均勻部位面積只有5 m2時(shí)，軌道板動位移超過1 mm。

圖5為基床底層的剛度為80 MPa時(shí)路基不均勻狀態(tài)下軌道板最大動位移曲線。圖5(a)為節(jié)點(diǎn)389的最大動位移曲線，從圖中可以看出，不管級配碎石層的剛度多大，軌道板節(jié)點(diǎn)的動位移都＞1.5 mm。圖5(b)為節(jié)點(diǎn)394的最大動位移曲線，從圖中可以看出，不管不均勻區(qū)域的面積有多大，軌道板動位移均不能滿足要求，并且軌道結(jié)構(gòu)動位移反而會隨級配碎石層剛度值的增加而增大。由此可見，當(dāng)基床底層剛度不滿足要求時(shí)，僅僅依靠增加級配碎石層剛度值來達(dá)到合格的路基剛度值是不可能的。

3.4 路基剛度不均勻范圍大小對軌道結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的影響

圖6為軌道板在不同基床底層剛度時(shí)各種路基不均勻情況下所承受的最大動應(yīng)力。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，軌道板所受的動應(yīng)力均隨著路基級配碎石層剛度的減小而增大，且變化趨勢一致。但圖6(c)的變化趨勢一致性方面不如圖6(a)和圖6(b)明顯，剛度超過正常值與小于正常值的變化規(guī)律也不一致，且動應(yīng)力均比圖6(a)和圖6(b)中的動應(yīng)力小?；驳讓觿偠刃?，對軌道結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力有一定的緩沖作用，但動位移不能滿足要求。

圖6 軌道板在各種路基狀態(tài)下的最大動應(yīng)力

4 結(jié)論

通過建立無砟軌道—路基多層體系模型，分析了路基各種不均勻性狀對軌道結(jié)構(gòu)動位移和動應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論:

1)軌道板端部下路基不均勻引起軌道板承軌槽位置處的動位移比角部不均勻情況稍大。

2)路基不均勻不僅影響其上部結(jié)構(gòu)的動位移，并且對其相鄰區(qū)域上部結(jié)構(gòu)的動位移也有影響。

3)路基不均勻區(qū)域的面積較小時(shí)，對軌道板動位移影響不大，但當(dāng)級配碎石層不均勻區(qū)域剛度為130 MPa、面積達(dá)到 5 m2，及不均勻區(qū)域剛度為110 MPa、面積達(dá)到3 m2時(shí)，軌道板兩端節(jié)點(diǎn)動位移將超過允許值。

4)基床底層剛度對軌道結(jié)構(gòu)動力特性影響較大。當(dāng)基床底層剛度不滿足要求時(shí)，僅僅依靠增加級配碎石層剛度值來滿足要求是不可能的。

［1］韓義濤，姚力.基礎(chǔ)沉降對土路基上板式軌道動力性能影響分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(10):28-31.

［2］蔡成標(biāo)，徐鵬.高速鐵路無砟軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)動力學(xué)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(4):493-497.

［3］劉茹冰，張士杰.路基沉降不均對板式軌道受力的影響分析［J］.路基工程，2009(1):142-143.

［4］陳鵬.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.

［5］周萌，宮全美.路基不均勻沉降值對板式軌道動力響應(yīng)的影響［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(10):1-4.

［6］馬軍旺.路基不均勻沉降對岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2011.

［7］徐慶元，李斌，周智輝.CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道線路路基不均勻沉降限值研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2012，33(2):3-5.

［8］姜輝.路基不均勻沉降對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響分析［J］.中國科技財(cái)富，2009(6):47.