程年圣

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

路基不均勻沉降導(dǎo)致高速鐵路出現(xiàn)平順性和穩(wěn)定性問題，影響了列車運(yùn)行的舒適性、安全性及軌道主體結(jié)構(gòu)的服役性能，成為高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)必須解決的難題。無(wú)砟軌道具有較高的保持幾何形位的優(yōu)勢(shì)，隨著高速鐵路大規(guī)模的建設(shè)而逐步發(fā)展，已經(jīng)成為高速鐵路的主要軌道型式[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路路基不均勻沉降開展了大量研究工作，Lundqvist等[2]分析了軌道幾何狀態(tài)惡化及軌枕空吊對(duì)輪軌動(dòng)力作用的影響；蔡成標(biāo)等[3]分析了路基沉降對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，基于舒適性指標(biāo)提出了路基不均勻沉降控制限值；韓義濤等[4]分析了不同行車速度對(duì)應(yīng)的路基沉降控制值；Banimahd等[5]分析了過(guò)渡段剛度不均對(duì)上部車輛軌道耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響。

本文為研究高速鐵路路基不均勻沉降對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道影響動(dòng)力特征，建立了車輛-雙塊式無(wú)砟軌道-路基不均勻沉降耦合動(dòng)力模型，分別對(duì)路基不均勻沉降時(shí)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)受力及振動(dòng)特征進(jìn)行分析，并分析了沉降波長(zhǎng)、沉降幅值及行車速度的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

圖1為車輛-雙塊式無(wú)砟軌道-路基沉降動(dòng)力學(xué)耦合分析模型。無(wú)砟軌道模型方面，縱向連續(xù)式雙塊式無(wú)砟軌道長(zhǎng)度為200 m，由道床板和支承層組成，道床板為C40現(xiàn)澆混凝土，支承層為HGT水硬性混凝土?？奂?、道床板及支承層模型采用空間實(shí)體單元模擬無(wú)砟軌道，扣件模型采用三向彈簧-阻尼單元模擬，雙塊式無(wú)砟軌道模型基本參數(shù)見表1。車輛模型方面，采用我國(guó)高速鐵路CRH380A統(tǒng)型動(dòng)車組，定距為2.5 m，軸距為17 m，軸重為15 t。車輛由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)及兩系懸掛構(gòu)成，車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)按剛體考慮。輪軌間法向作用力由赫茲接觸理論確定，切向蠕滑力由蠕滑理論確定。

圖1 車輛-軌道-路基沉降耦合模型

表1 雙塊式無(wú)砟軌道基本參數(shù)

2 路基不均勻沉降對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)受力影響

2.1 路基不均勻沉降波長(zhǎng)的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降幅值為40 mm，沉降波長(zhǎng)分別為5 m、10 m、20 m、30 m、60 m時(shí)，分析路基不均勻沉降波長(zhǎng)對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)受力的影響。

圖2為不同沉降波長(zhǎng)時(shí)道床板底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。沉降波長(zhǎng)較小時(shí)峰值現(xiàn)象明顯，沉降波長(zhǎng)為60 m時(shí)，拉應(yīng)力峰值已不明顯，說(shuō)明沉降波長(zhǎng)較大時(shí)，對(duì)道床板受力已影響較小。道床板底部縱向拉應(yīng)力峰值隨沉降波長(zhǎng)變化，可以看出，隨著波長(zhǎng)增大，道床板底部拉應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，沉降波長(zhǎng)為10 m時(shí)道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，峰值為4.86 MPa。隨著沉降波長(zhǎng)的增加，到60 m時(shí)道床板底部拉應(yīng)力僅為1.71 MPa。

圖2 不同沉降波長(zhǎng)時(shí)道床板底部拉應(yīng)力縱向分布

圖3為不同沉降波長(zhǎng)時(shí)支承層底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。沉降波長(zhǎng)為5 m、10 m、20 m、30 m時(shí)峰值較為明顯，沉降波長(zhǎng)為60 m時(shí)，支承層底部受力較為均勻，無(wú)明顯峰值。隨著波長(zhǎng)增大，支承層底部拉應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，沉降波長(zhǎng)為10 m時(shí)支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，峰值為2.48 MPa。沉降波長(zhǎng)為60 m時(shí)支承層底部拉應(yīng)力已降為0.57 MPa。

圖3 不同沉降波長(zhǎng)時(shí)支承層底部拉應(yīng)力縱向分布

2.2 路基不均勻沉降幅值的影響

圖4為不同沉降幅值時(shí)道床板底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。幅值越大，峰值越明顯。隨著幅值增大，道床板底部拉應(yīng)力呈增加趨勢(shì)。沉降幅值20～80 mm范圍內(nèi)，道床板底部縱向拉應(yīng)力變化范圍為2.7～10.6 MPa，增加292.6%，增幅明顯，可見沉降幅值對(duì)道床板底部縱向拉應(yīng)力影響顯著。

圖4 不同沉降幅值時(shí)道床板底部拉應(yīng)力縱向分布

圖5為不同沉降幅值時(shí)支承層底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。幅值越大，峰值越明顯。隨著幅值增大，支承層底部拉應(yīng)力呈線性增大趨勢(shì)。沉降幅值20～80 mm范圍內(nèi)，支承層底部縱向拉應(yīng)力變化范圍為1.2～5.3 MPa，增加341.7%，增幅明顯，可見沉降幅值對(duì)支承層底部縱向拉應(yīng)力影響顯著。

圖5 不同沉降幅值時(shí)支承層底部拉應(yīng)力縱向分布

3 路基不均勻沉降對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征影響分析

3.1 路基不均勻沉降波長(zhǎng)的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降幅值為40 mm，沉降波長(zhǎng)分別為5 m、10 m、20 m、30 m、60 m時(shí)，分析路基不均勻沉降波長(zhǎng)對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的影響。

圖6為不同沉降波長(zhǎng)時(shí)道床板垂向加速度縱向分布，可以看出，結(jié)構(gòu)層離縫處，道床板的垂向加速度較大，沉降峰值位置處相對(duì)較小。

圖6 不同沉降波長(zhǎng)時(shí)道床板垂向加速度縱向分布

為便于分析路基不均勻沉降對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的影響，取路基不均勻沉降范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)的垂向加速度平均值進(jìn)行分析。圖7為道床板垂向加速度隨沉降波長(zhǎng)變化規(guī)律，可以看出，道床板垂向加速度隨沉降波長(zhǎng)的增加而減小。沉降波長(zhǎng)范圍為5～60 m，道床板垂向加速度平均值變化范圍為530～320 m/s2，量值減少39.6%。

圖7 道床板垂向加速度隨沉降波長(zhǎng)變化規(guī)律

圖8為不同沉降波長(zhǎng)時(shí)支承層垂向加速度縱向分布，可以看出，沉降波長(zhǎng)為5 m、10 m短波長(zhǎng)時(shí)，沉降發(fā)生處，支承層的垂向加速度較大。沉降波長(zhǎng)大于10 m后，支承層垂向加速度較為均勻。

圖8 不同沉降波長(zhǎng)時(shí)支承層垂向加速度縱向分布

圖9為支承層垂向加速度隨沉降波長(zhǎng)變化規(guī)律，可以看出，沉降波長(zhǎng)對(duì)支承層垂向加速度平均值的影響較小，沉降波長(zhǎng)范圍為5～60 m，支承層垂向加速度平均值變化范圍為28～31 m/s2，變化范圍為10%左右。垂向加速度最大值方面，波長(zhǎng)越短，支承層垂向加速度越大。

圖9 支承層垂向加速度隨沉降波長(zhǎng)變化規(guī)律

3.2 路基不均勻沉降幅值的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降波長(zhǎng)為10 m，沉降幅值分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm時(shí)，分析路基不均勻沉降幅值對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的影響。

圖10為不同沉降幅值時(shí)道床板垂向加速度縱向分布，可以看出，結(jié)構(gòu)層離縫處，道床板的垂向加速度較大，沉降峰值位置處相對(duì)較小。

圖10 不同沉降幅值時(shí)道床板垂向加速度縱向分布

圖11為道床板垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律，可以看出，道床板垂向加速度隨沉降幅值的增加而增大。沉降幅值范圍為20～80 mm，道床板垂向加速度平均值變化范圍為467～508 m/s2，量值增加9%，增加量值不明顯。

圖11 道床板垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律

圖12為不同沉降幅值時(shí)支承層垂向加速度縱向分布，可以看出，沉降發(fā)生處，支承層的垂向加速度較大。

圖12 不同沉降幅值時(shí)支承層垂向加速度縱向分布

圖13為支承層垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律，可以看出，沉降幅值對(duì)支承層垂向加速度平均值的影響較大，幅值越大，加速度越大。沉降幅值范圍為20～80 mm，支承層垂向加速度平均值變化范圍為26～65m/s2，量值增加150%，增加量值明顯。

圖13 支承層垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文分析了路基不均勻沉降狀態(tài)下雙塊式無(wú)砟軌道動(dòng)力特征，包括軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)受力和振動(dòng)特征影響分析,并討論了沉降波長(zhǎng)、沉降幅值的影響。得出主要結(jié)論如下：

(1)路基中短波長(zhǎng)不均勻沉降對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響較大，軌道結(jié)構(gòu)受力隨著沉降波長(zhǎng)的增加而逐漸減小。路基不均勻沉降波長(zhǎng)應(yīng)控制在20 m以上。

(2)隨著路基不均勻幅值的增加，軌道結(jié)構(gòu)受力顯著增大，應(yīng)重點(diǎn)控制不均勻沉降幅值的增長(zhǎng)。

(3)路基不均勻沉降波長(zhǎng)主要影響道床板的垂向加速度，隨波長(zhǎng)的增加而減小，對(duì)支承層垂向加速度的影響較小。

(4)不均勻沉降幅值主要影響支承層垂向加速度，隨沉降幅值的增加而增大，對(duì)道床板垂向加速度的影響較小。