劉 信 立
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)院,北京 102600)
路基段地面沉降下無(wú)砟軌道不平順?lè)治?/p>
劉 信 立
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)院,北京 102600)
基于有限元理論對(duì)高速鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)建立梁—多層板結(jié)構(gòu)模型,對(duì)路基地段不均勻沉降下無(wú)砟軌道系統(tǒng)變形問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)比分析了鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床等的沉降規(guī)律,以期為高速鐵路設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)提供參考。
地面沉降,無(wú)砟軌道,不平順性,高速鐵路
高速鐵路基礎(chǔ)變形會(huì)導(dǎo)致軌下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形,影響無(wú)砟軌道的受力與平順性。地面沉降是影響線下基礎(chǔ)變形的重要因素,無(wú)砟軌道對(duì)沉降變形特別敏感,路基區(qū)域的不均勻沉降會(huì)使軌道的垂向平順性顯著降低。盡管無(wú)砟軌道軌下基礎(chǔ)部分沉降變形可以通過(guò)調(diào)整鋼軌扣件減小或消除,但調(diào)整量是有限的,因此對(duì)無(wú)砟軌道施工后路基本體的殘余壓縮變形及地基的沉降、橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降變形均提出了嚴(yán)格的要求,以保證上部軌道具有高平順性和高穩(wěn)定性,減小軌道養(yǎng)護(hù)工作量,提高高速行車的安全性和舒適性。
本文針對(duì)地面不均勻沉降與CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道變形之間的關(guān)系展開(kāi)研究,以期為高速鐵路設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)提供參考。
CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、預(yù)制道床板、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)、混凝土凸型擋臺(tái)及底座板等部分組成。Ⅰ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成示意圖見(jiàn)圖1。
路基地段道床板長(zhǎng)度為4 962 mm,寬度為2 400 mm,高度為190 mm。采用后張、部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),配筋按截面中心對(duì)稱布置,每塊板布置8個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)。道床板與底座之間填充水泥乳化瀝青砂漿,厚度為50 mm。在路基基床表層鋪設(shè)混凝土底座,寬度與道床板相同,厚度為200 mm。
3.1 梁—多層板模型
利用有限元分析軟件建立板式無(wú)砟軌道梁—多層板模型。其中,鋼軌采用梁?jiǎn)卧M,軌道板采用殼單元模擬,扣件采用彈簧單元進(jìn)行模擬并賦予扣件垂向方向的剛度。其他結(jié)構(gòu)層由于其在厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向,故CA砂漿層、混凝土底座板均采用單層的殼單元進(jìn)行模擬,將其視為板結(jié)構(gòu),與上下部結(jié)構(gòu)之間采用垂向彈簧進(jìn)行連接?;脖韺?、基床底層、路堤填土分別采用多層殼單元進(jìn)行模擬,相互之間通過(guò)均勻分布的垂向彈簧進(jìn)行連接(見(jiàn)圖2)。
3.2 主要計(jì)算參數(shù)選擇
鋼軌:采用60 kg/m鋼軌,彈性模量E=2.09×105MPa,泊松比0.3;
扣件:橫向剛度為30 kN/mm,垂向剛度為50 kN/mm,扣件間距為0.629 m;
道床板:混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,彈性模量E=3.65×104MPa,泊松比0.2,密度為2 750 kg/m3;
CA砂漿層:彈性模量E=3.0×102MPa,泊松比0.2,密度為1 800 kg/m3;
混凝土底座:彈性模量E=3.25×104MPa,泊松比0.2,密度為2 750 kg/m3;
基床表層:彈性模量E=180 MPa,泊松比0.3,密度為2 300 kg/m3;
基床底層:彈性模量E=45 MPa,泊松比0.3,密度為2 100 kg/m3;
土質(zhì)路基:彈性模量E=30 MPa,泊松比0.3,結(jié)構(gòu)密度為1 700 kg/m3。
目前,對(duì)于無(wú)砟軌道路基地段不均勻沉降曲線,我國(guó)多采用(正)余弦型基礎(chǔ)變形影響降曲線,波長(zhǎng)20 m。余弦型不均勻沉降的表達(dá)式為:
其中,f0為不均勻沉降幅值限值;l0為標(biāo)準(zhǔn)沉降長(zhǎng)度,取20 m。余弦型不均勻沉降曲線如圖3所示。
為了比較分析不同沉降值對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響,選取了以下幾種沉降值分別計(jì)算(沉降幅值/沉降長(zhǎng)度):
工況一:5 mm/20 m;工況二:10 mm/20 m;工況三:15 mm/20 m;工況四:20 mm/20 m;工況五:25 mm/20 m;工況六:30 mm/20 m。
模型中考慮了地面沉降,按照余弦型不均勻沉降對(duì)模型施加位移荷載;對(duì)主要邊界條件進(jìn)行了模擬,并考慮了重力作用,以此來(lái)更真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)情況,得出各個(gè)結(jié)構(gòu)層的沉降結(jié)果;沿線路方向,模型的尺度采取較大冗余量,一定程度上消除了邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響;考慮了各部分結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,實(shí)體模型中詳細(xì)考慮了各個(gè)層之間的實(shí)際相互作用情況,選取了比較合適的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)于梁—多層板結(jié)構(gòu),層間采用彈簧進(jìn)行模擬及連接。
圖4為在不均勻沉降最大值為15 mm/20 m(其他五種工況與此類似)下鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層和基床底層的沉降位移??梢钥闯?,在不同工況下,鋼軌、道床板、水硬性混凝土支承層的沉降差別不大,而與基床表層與基床底層的沉降有明顯區(qū)別。并且從圖中可以看出,基底不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)有明顯的影響,其中影響最大的為基床底層,沉降值最大。地面沉降條件下,道床板和基床表層間、基床內(nèi)部、基床底層和地面間可能會(huì)形成一定的離縫現(xiàn)象。
在不同沉降工況下,板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、路基結(jié)構(gòu)的下沉最大值列于表1。由表可見(jiàn),鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層及基床底層的下沉量隨著基底沉降的增加而增大。
表1 不同軌道—路基部件的最大下沉量 mm
對(duì)于鋼軌和道床板,在不同工況下,其沿線路方向的沉降變化如圖5和圖6所示,可以看出,鋼軌和道床板在不同工況下,其沿線路方向的沉降變化是類似的,最大沉降發(fā)生在中部,與不均勻沉降最大值所處位置相對(duì)應(yīng)。由于扣件的強(qiáng)烈約束作用,二者沒(méi)有明顯的差別。對(duì)于水硬性支承層、基床表層和底層,其沿線路方向的沉降位移如圖7,圖8所示。由圖7~圖10可以看出,CA砂漿、混凝土底座、基床表層和底層沉降曲線隨著沉降位移增大而呈現(xiàn)明顯的規(guī)律,其沿線路方向的沉降變形與不均勻沉降波形有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在波谷位置,沉降位移最大。另外,在波長(zhǎng)20 m的范圍之外,鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層及底層均產(chǎn)生了不同程度的上拱現(xiàn)象,隨著沉降的加深,上拱現(xiàn)象表現(xiàn)越來(lái)越明顯,雖然與下沉量相比很小,但對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的平順性來(lái)講,也是應(yīng)值得注意的一個(gè)方面。
梁—多層板計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)?shù)孛娌痪鶆虺两抵禐? mm/20 m時(shí),鋼軌沉降達(dá)到了4.78 mm,道床板和CA砂漿層沉降達(dá)到4.755 5 mm,混凝土底座沉降為4.757 mm,與鋼軌基本一致,基床表層和底層的沉降位移分別為4.758 mm和4.763 mm;當(dāng)?shù)孛娌痪鶆虺两禐?0 mm/20 m時(shí),各層沉降分別為:鋼軌19.122 mm,道床板和CA砂漿層19.02 mm,混凝土底座19.029 mm,基床表層19.031 mm,基床底層19.052 mm。地面不均勻沉降對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)、路基結(jié)構(gòu)的影響十分明顯。隨著不均勻沉降的加劇,各層結(jié)構(gòu)的垂向位移均有所增加。
1)本文針對(duì)高速鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),基于有限元理論建立梁—多層板結(jié)構(gòu)模型,對(duì)路基不均勻沉降下無(wú)砟軌道系統(tǒng)變形問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算,分析了鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床等的沉降。與既有理論模型相比,本文所建立的模型精細(xì)化程度高、與實(shí)際沉降更逼真,計(jì)算結(jié)果可信。2)板式無(wú)砟軌道梁—多層板模型計(jì)算結(jié)果表明:地面不均勻沉降對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)、路基結(jié)構(gòu)的影響十分明顯,隨著不均勻沉降的加劇,各層結(jié)構(gòu)的垂向位移均有所增加。3)高速鐵路運(yùn)營(yíng)條件下,線路周圍地面不均勻沉降會(huì)引起路基和軌道系統(tǒng)的沉降,軌道—路基系統(tǒng)的沉降由下至上逐漸減小,軌道的沉降量值小于地面或者路基結(jié)構(gòu)的沉降量。無(wú)砟軌道和基床表層間、基床表層與底層間的沉降差較大,層間沉降差約為0.1 mm~0.6 mm;地面沉降下道床板和基床間、基床和地面間可能會(huì)形成一定的離縫現(xiàn)象。
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On irregularity analysis of ballastless tracks under roadbed ground settlement
Liu Xinli
(LineTransportationDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)
Based on the finite element theory, the paper establishes the beam-multiple plate structural model for CRTS Ⅰ plate ballastless track structure along express railways, calculates the deformation problems of ballastless track under roadbed uneven settlement, and undertakes the comparison and analysis of the settlement law for rails, roadbed slab, CA screed, concrete base and foundation bed, so as to provide some reference for the design, construction and operation of express railways.
ground settlement, ballastless track, irregularity, express railway
2015-02-27
劉信立(1983- ),男,碩士,工程師
1009-6825(2015)14-0154-03
U213.244
A