王 子 玉

(1.海南熱帶海洋學院生態(tài)環(huán)境學院,海南 三亞 572022； 2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

鐵路路基凍害治理方法包括保溫法、填料法和控水法。利用靜壓把含鹽和特種結構劑的粘土漿液注入土層，一方面降低路基土的冰點，另一方面封堵路基土體內空隙，阻隔地下水分向路基表層遷移，可以達到緩解凍脹融沉、治理凍害的目的。王彥虎等采用鉆孔埋管注鹽法對路基凍害進行治理，治理效果表明此方法對于降低路基凍脹量效果明顯[1]。賴遠明，孫增奎，葛建軍等針對多年凍土區(qū)鐵路路基溫度場進行深入研究，對多年凍土路堤溫度場進行有限元分析，并取得有益成果[2-4]。毛雪松等以多年凍土路基為研究對象，進行路基足尺模型試驗，建立伴有相變的路基水熱力耦合模型。王鐵行等應用有限元方法模擬氣候變化過程中路基溫度場隨時間的變化，得到不同時期多年凍土路基溫度場分布，并對影響因素進行分析[6]。汪雙杰，陳建兵，劉華，牛富俊，許健，呂菲等采用保溫法抑制路基凍脹效果，并對保溫材料厚度、路基填料等進行研究[7-12]。

綜上所述，本文采用注漿法加固鐵路路基，并對注漿法加固后的路基進行數(shù)值建模及振動響應特性數(shù)值模擬計算，分析加固前后路基內部振動響應變化。

2 注漿加固路基數(shù)值模擬

2.1 邊界條件

本文采用有限元方法針對典型季節(jié)凍土區(qū)路基進行數(shù)值建模，數(shù)值模型邊界采用無限元邊界。

2.2 數(shù)值建模

本文選取典型季節(jié)凍土區(qū)濱綏線斷面建立計算模型，計算斷面的選取與幾何尺寸與溫度場模型選取相同。

路基計算模型中軌枕采用剛體進行模擬，路基模型其他部分采用三維實體單元進行模擬，路基與軌枕之間的耦合采用連接約束。為了保證路基模型計算精度的同時減小計算工作量，計算模型分別在水平方向和豎向采用有限單元尺寸過渡方法劃分網(wǎng)格，計算模型共205 570個單元。道砟層最小單元尺寸為0.2 m，無限元尺寸為5 m。有限元模型橫斷面見圖1。選用顯示模塊進行計算，顯示模塊在處理較復雜非線性與接觸非線性問題具有計算效果較好，同時其需要的內存和磁盤空間遠遠小于隱式方法的優(yōu)勢，適用于分析振動荷載這種波動傳播分析。

2.3 車輛荷載

列車荷載施加是準確模擬路基動力計算結果的關鍵。本文中列車荷載采用課題組凌賢長、朱占元等開發(fā)的程序(ZL-TNTLM)，通過計算獲得輪軌作用力，將其作為列車振動荷載輸入到的鐵路路基三維無限元邊界計算模型，分析路基振動響應特性，同時解決了場地時變系統(tǒng)處理困難等問題。列車荷載通過在路基模型中每一根軌枕輸入與之對應的軌枕作用力時程實現(xiàn)，列車行駛軌枕力時程示意圖見圖2。

由列車—軌道—路基耦合模型計算得到的激振力，通過直接施加在對應軌枕上，作為荷載輸入到軌枕—道床—路基—場地的鐵路路基三維無限元邊界計算模型，分析路基振動響應特性。軌枕作用力振動荷載輸入示意圖見圖3。

2.4 材料熱力學參數(shù)

計算路基模型各土層導熱系數(shù)λ、比熱容C及相變潛熱L參考《中國凍土》[13]《凍土物理學》[14]中取值，并對導熱系數(shù)進行相應折減，路基模型各土層的動力學參數(shù)與物理力學指標均參考文獻[15][16]。

在鐵路路基有限元模型的基礎上，增加加固路堤層，按照實驗資料改變相應加固層力學參數(shù)，計算得到不同凍結狀態(tài)普通路基和加固路基，列車行駛荷載應力幅值及加速度幅值衰減曲線。

3 加固路基振動響應分析

對比加固路基與普通路基動應力幅值，由圖4a)～圖4c)可見，在凍結期普通路基動應力幅值大于加固路基，在春融期加固路基大于普通路基，而對于非凍結期，由數(shù)值計算結果可見兩種路基振動幅值相差不明顯。這是由于在凍結期，受溫度影響基床表層呈凍結狀態(tài)，導致在凍結期路基強度和剛度增加，當應用黏土固化漿液加固后，加固層強度處于普通路基強度在凍結期和春融期之間，因此，在凍結期此部分加固路基較普通路基略小，而在春融期情況相反。

由圖5a)～圖5c)可見，對于不同凍融狀態(tài)下路基的振動加速度幅值不同，加固路基振動幅值較普通路基減弱；而在春融期和非凍結期加固路基與普通路基加速度幅值相差不多?？梢姡庸搪坊鶎τ趦鼋Y期減小路基振動具有明顯效果；而對于春融期在增加路堤強度同時，加速度幅值小幅增大。

這是由于應用靜壓把含鹽和特種結構劑的粘土漿液注入土層后，一方面降低路基土的冰點，同時封堵路基體土內空隙，起到隔水作用，使凍結期土體含冰量降低，進而降低振動響應，而在春融期增加路基本體強度以達到緩解、治理凍害的目的。

4 結論

本文運用有限元計算方法，針對黏土漿液注漿法加固季節(jié)凍土區(qū)凍融路基進行數(shù)值建模計算，主要結論如下：

1)粘土漿液注漿法同時起到提高路基本體強度的作用，對增加列車載荷下鐵路路基穩(wěn)定性亦具有顯著效果。

2)對比普通路基和加固路基在列車荷載下的振動響應，可見此方法對于減小路基振動響應和路基內部動應力亦具有顯著效果。