王啟云，張家生，孟 飛

(1.福建工程學院土木工程學院， 福州 350108；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

不均勻沉降對無砟軌道路基動力特性的影響

王啟云1，張家生2，孟 飛2

(1.福建工程學院土木工程學院， 福州 350108；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

為探討不均勻沉降對高速鐵路無砟軌道路基動力特性的影響，建立CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基系統(tǒng)的三維動力有限元模型，計算并對比分析有病害和無病害條件下路基的豎向動應(yīng)力、動位移及振動加速度在空間上的分布規(guī)律，結(jié)果表明路基不均勻沉降導(dǎo)致無砟軌道路基的動力響應(yīng)幅值及其空間分布規(guī)律發(fā)生明顯的改變，且主要集中在支承層寬度范圍、路基面以下0～1.5m深度內(nèi)。由不均勻沉降引起路基動應(yīng)力幅值可達100kPa，為無病害路基的3倍以上，動加速度幅值為無病害路基的2倍以上，在列車循環(huán)荷載作用下沉降區(qū)域?qū)⒓铀贁U大，對路基產(chǎn)生非常不利的影響。

無砟軌道；路基；不均勻沉降；動力響應(yīng)；分布規(guī)律

1 概述

目前，國內(nèi)外大量的研究人員從理論[1-2]、試驗[3-4]、數(shù)值計算[5-6]等方面對高速鐵路無砟軌道路基動力響應(yīng)特性進行了研究，且取得了很多成果。由于在高速列車荷載作用下無砟軌道路基動力響應(yīng)異常復(fù)雜，現(xiàn)有的研究工作仍滯后于工程實踐，其中關(guān)于鐵路路基病害對其動力特性影響的研究較少。鐵路為大型線路工程，往往穿越多種地貌單元，同時由于技術(shù)水平、施工工藝、經(jīng)濟條件、降雨入滲及列車荷載反復(fù)作用等方面的原因[7-8]，各種路基病害時有發(fā)生。鐵路路基病害按發(fā)生部位可分為地基病害、路基本體病害和基床病害；按表現(xiàn)形式可分為擠出變形、下沉、翻漿冒泥和邊坡失效；按路基面形狀可分為路塹病害和路堤病害[9]。迄今為止，國內(nèi)已經(jīng)有多條鐵路出現(xiàn)過路基病害，如朔黃線[9]、京九線[10]、膠濟線[11]。路基作為無砟軌道的支承結(jié)構(gòu)，是列車-無砟軌道-路基系統(tǒng)中非常重要的部分。路基病害嚴重影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的使用和列車的高速、安全、平穩(wěn)運行。因此在高速列車荷載作用下，病害條件下無砟軌道路基的動應(yīng)力、動位移、動加速度等響應(yīng)特性及其分布規(guī)律有待研究。

基于此，本文建立CRTSⅡ型板式無砟軌道路基三維有限元模型，計算了不均勻沉降和無病害條件下路基的動應(yīng)力、動位移及動加速度，探討了不均勻沉降對路基動力特性及其分布規(guī)律的影響。

2 無砟軌道路基有限元模型

參考京滬高速鐵路單線填方路基的尺寸，采用ANSYS建立CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基體系的三維動力有限元分析模型，其中鋼軌采用BEAM188梁單元，扣件采用COMBIN14彈簧-阻尼單元，軌道板、CA砂漿、支承層、路基各結(jié)構(gòu)層均采用SOLID45實體單元。無砟軌道中結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型，路基各結(jié)構(gòu)均采用粘彈性本構(gòu)模型。為減小路基邊界上波的反射，得到了更為精確的動力響應(yīng)計算結(jié)果，同時節(jié)省計算成本，將計算模型中平行于線路方向的兩個路基側(cè)面和路基的底面施加三維一致粘彈性邊界單元[12]，同時約束垂直于線路方向的兩個邊界面沿線路走向的位移。扣件的等效剛度為40 MN/m，阻尼系數(shù)為35 kN/m·s-1。模型計算長度為26 m，計算深度為路基表面以下9.7 m。其他主要計算參數(shù)見表1、表2。

表1 有限元模型幾何參數(shù)

表2 有限元模型材料參數(shù)

由于研究主要對象是路基，故忽略無砟軌道結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造，例如配筋、軌道接縫，且不考慮不平順等復(fù)雜因素引起的列車動荷載的變化，將輪軌力簡化為勻速移動恒荷載，施加的激力為2個相鄰車廂的8對輪載[13]。通過上述步驟建立的無砟軌道-路基有限元模型見圖1。

圖1 無砟軌道路基有限元模型

針對路基中常發(fā)生的不均勻沉降，在有限元模型中設(shè)置如圖2所示的病害。

圖2 路基不均勻沉降示意

3 動力特性分析

3.1 幅值分析

將無路基病害條件下列車荷載對無砟軌道-路基系統(tǒng)的作用記為工況1，路基不均勻沉降條件下列車荷載對無砟軌道-路基系統(tǒng)的作用記為工況2。利用三維動力有限元模型計算得到這兩種工況扣件處無砟軌道-路基系統(tǒng)的動力響應(yīng)幅值，見表3。

表3 無砟軌道-路基系統(tǒng)動力響應(yīng)幅值

說明:BCBM表示基床表層表面，BCDM表示基床底層表面，DCDM表示基床底層底面。

由表3可知，當路基出現(xiàn)不均勻沉降時，其動力響應(yīng)幅值有很大變化，主要表現(xiàn)為路基下沉區(qū)域上方軌道結(jié)構(gòu)加速度和位移明顯增大，其中支承層的加速度增加幅度可達98%，而下沉部位正下方路基的動力響應(yīng)指標明顯變小，這是由于下沉區(qū)域的路基表面和無砟軌道結(jié)構(gòu)沒有直接接觸，動力響應(yīng)主要由土體應(yīng)力擴散產(chǎn)生。

3.2 動力響應(yīng)分布

(1)豎向動應(yīng)力

在工況1和工況2條件下，路基的動應(yīng)力幅值隨深度的分布曲線見圖3，沿橫向的(垂直線路方向)分布曲線見圖4，圖例中鋼軌表示鋼軌正下方，中心表示路基正中心下方，支承層表示支承層邊緣正下方，括號中1表示工況1，2表示工況2(下同)。

圖3 動應(yīng)力豎向分布

圖4 動應(yīng)力橫向分布

從圖3可以看出，當路基中存在不均勻沉降時，其動應(yīng)力幅值沿深度分布規(guī)律與無病害路基情況差別較大，主要表現(xiàn)在：路基沉降中心處，動應(yīng)力幅值在基床表層表面以下0-1.5 m呈線性增加的趨勢，基床表層表面1.5 m以下的動應(yīng)力幅值分布規(guī)律與無路基病害時的動應(yīng)力幅值分布規(guī)律基本一致；路基下沉邊緣部位，在基床表層內(nèi)的動應(yīng)力幅值及衰減率遠大于正常情況。路基無病害時，基床表層表面中心的動應(yīng)力幅值為11.5 kPa，在路基出現(xiàn)不均勻沉降時，基床表層表面中心的動應(yīng)力幅值達到47.8 kPa，增加幅度達3倍以上，在下沉邊緣與支承層交界處應(yīng)力幅值更是達到了102 kPa，對此處的路基土體產(chǎn)生破壞性作用，路基沉降范圍將持續(xù)擴大。

從圖4可以看出，當路基發(fā)生不均勻沉降時，對于下沉中心部位，隨著與路基中心距離的增大，基床內(nèi)動應(yīng)力幅值減小，且無明顯的峰值現(xiàn)象。由于路基下沉導(dǎo)致基床表層表面的應(yīng)力為0，而基床表層底面在支承層范圍內(nèi)隨著與路基中心距離增大而緩慢減小，當基床表層底面處于支承層范圍以外時，隨著與路基中心距離增大基床表層底面的動應(yīng)力迅速減小，且無明顯的峰值現(xiàn)象。對于路基下沉邊緣部位，動應(yīng)力幅值在橫向分布規(guī)律上與正常情況基本一致，但支承層寬度范圍內(nèi)，基床表層表面的應(yīng)力幅值為正常情況下應(yīng)力幅值的3倍以上。

(2)豎向動位移

在工況1和工況2條件下，路基的動位移幅值隨深度的分布曲線見圖5，沿橫向的分布曲線見圖6。

圖5 動位移豎向分布

從圖5中可以看出，在路基無病害時，路基動位移隨著深度的增加而減小，且不同位置處的動位移幅值、衰減率較為一致。路基面下方3 m處豎向動位移幅值衰減為路基面的1/2左右。當路基中存在不均勻沉降時，對于下沉中心部位，在基床表層表面以下0～1 m的范圍內(nèi)動位移幅值幾乎無變化，支承層邊緣正下方路基的動位移幅值小于其他位置。

從圖6中可以看出，在路基無病害時，基床表層表面和底面處動位移幅值在支承層范圍內(nèi)變化較小，在支承層范圍以外則呈弧線形減小的趨勢；基床底層底面處的位移隨著與路基中心距離的增加逐漸減小。在基床底層底面路基中心位移約為0.22 mm，在基床底層底面離路基中心3.8 m時位移接近于0，說明列車荷載對支承層寬度范圍內(nèi)的路基作用明顯，而對支承層以外的路基部分作用有限。當路基中存在不均勻沉降時，動位移在橫向的分布與無路基病害時基本一致。

(3)加速度

在工況1和工況2條件下，路基的動加速度幅值沿深度的分布曲線見圖7，沿橫向的分布曲線見圖8。

圖7 加速度豎向分布

圖8 加速度橫向分布

從圖7中可知，無病害時，路基的加速度的衰減主要集中在路基面以下0～1.5 m范圍內(nèi)，衰減率達75%以上。當路基中存在不均勻沉降時，對于下沉中心部位，由于無動荷載的直接作用，在路基面以下0～1 m的范圍內(nèi)動加速度遠小于正常情況下的動加速度，且變化很小。對于下沉邊緣部位，在路基面以下0～1 m的范圍內(nèi)動加速度為正常情況下的動加速度2倍以上，衰減主要在路基面以下0～1.5 m范圍內(nèi)，衰減率達88%。路基面1.5 m以下，路基中不同位置處的動加速度幅值及其橫向分布規(guī)律與正常情況下趨于一致。

從圖8中可知，在路基無病害時，加速度在基床橫向分布規(guī)律與豎向動應(yīng)力較為相似，不同之處在于加速度在橫向斷面的峰值位置處于鋼軌正下方，而動應(yīng)力的峰值位置處于支承層邊緣。在混凝土支承層寬度范圍內(nèi)路基的加速度較大，在此之外的區(qū)域，加速度沿橫向迅速衰減，說明與軌道接觸范圍內(nèi)路基的振動較大，軌道范圍之外的區(qū)域路基振動較弱。

當路基中存在不均勻沉降時，對于下沉中心部位，隨著與路基中心距離增大，加速度逐漸減小，基床表層表面與底面的動加速度橫向分布規(guī)律一致。對于下沉邊緣，基床表層表面的動加速度幅值大于正常情況下的動加速度幅值，在支承層范圍內(nèi)總體上呈緩慢減小的趨勢；在支承層范圍以外，隨著與路基中心距離的增大，動加速度迅速減小，且逐漸與正常情況下動加速度橫向分布規(guī)律趨于一致。

4 結(jié)論

本文建立了高速鐵路無砟軌道-路基三維動力有限元模型，計算并分析了無病害和不均勻沉降條件下路基的動力響應(yīng)幅值及其空間的分布規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)不均勻沉降導(dǎo)致無砟軌道路基的動應(yīng)力、加速度大小及其分布規(guī)律發(fā)生明顯改變，且主要集中在支承層寬度范圍內(nèi)路基面以下0～1.5 m，尤其是基床表層，因此必須嚴格控制路基上部結(jié)構(gòu)層填筑質(zhì)量，加強路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)路基不均勻沉降引起基床表層動應(yīng)力幅值可達102 kPa，為無病害路基條件下動應(yīng)力幅值的3倍以上，動加速幅值為無病害路基的2倍以上，對路基填料的破壞作用加劇，不均勻沉降區(qū)域?qū)⒓铀贁U大，對路基產(chǎn)生非常不利的影響，建議在路基出現(xiàn)不均勻沉降時應(yīng)立即進行處理。

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The Influence of Uneven Settlement on Dynamic Characteristics of Ballastless Track Subgrade

Wang Qiyun1， Zhang Jiasheng2， Meng Fei2

(1.College of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou350108， China; 2.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075， China)

In order to analyze the influence of uneven settlement on the dynamic characteristics of ballastless track subgrade， a 3-D dynamic finite element model of CRTSⅡ ballastless slab track subgrade is established， and the vertical dynamic stress， the dynamic displacement and the vibration acceleration of subgrade are calculated and analyzed under the conditions with and without defects. The results show that the dynamic response amplitude and spatial distribution of ballastless track subgrade are obviously changed in case of uneven settlement of subgrade， especially in subgrade 0～1.5 m depth within the scope of bearing Layer. The dynamic stress induced by uneven settlement may reach 100kpa， which is more than 3 times of the subgrade without defect. Vertical acceleration also increases more than twice of that without defect. Results also show that the area of uneven settlement develops at a higher rate under repeated train load， which may bring great negative impact on subgrade．

Ballastless track; Subgrade; Uneven settlement; Dynamic response; Distribution pattern

2014-01-14

鐵道部專項科研基金項目(T2008046)；福建工程學院科研啟動基金(GY-Z14003)

王啟云(1986—)，男，講師，2013年畢業(yè)于中南大學巖土工程專業(yè)，工學博士，E-mail：wangqiyun860519@163.com。

1004-2954(2014)10-0017-04

TU43

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.004