孔繁越

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308

路基作為軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性直接影響著列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，路基含水量直接影響其工作狀態(tài)［1-2］。因此，工程界高度重視路基防排水問(wèn)題。目前，我國(guó)采用鋪設(shè)路基面防水封閉層來(lái)阻止雨水及地表水滲入，主要分為水泥混凝土與瀝青混凝土封閉層兩大類(lèi)。水泥混凝土材料脆性大，變形適應(yīng)能力差，易出現(xiàn)封閉層開(kāi)裂問(wèn)題；而瀝青混凝土材料具有較好的黏彈性，適應(yīng)性好，易維修，在我國(guó)哈齊高速鐵路、鄭徐高速鐵路等多條線(xiàn)路上被廣泛應(yīng)用，逐漸替代了水泥混凝土材料［3-4］。

瀝青混凝土是溫度敏感性材料。眾多學(xué)者［5-8］對(duì)溫度荷載作用下瀝青混凝土層的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)尺模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真技術(shù)，分析了含瀝青混凝土層無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的時(shí)變規(guī)律及空間分布規(guī)律、瀝青混凝土層的受力特點(diǎn)、瀝青混凝土層對(duì)溫度場(chǎng)的影響等。除溫度荷載外，全斷面鋪設(shè)的瀝青混凝土層還受到由軌道結(jié)構(gòu)傳遞的列車(chē)荷載的作用，具有較好的減振、優(yōu)化基床受力等特點(diǎn)［9］。徐琪烽［10］使用ABAQUS 軟件建立有砟軌道結(jié)構(gòu)模型，分析了列車(chē)荷載作用下有砟軌道瀝青混凝土底砟層的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程變化及分布規(guī)律。石越峰等［11］基于建立的有砟軌道瀝青混凝土底砟層三維有限元分析模型，分析了其在列車(chē)荷載作用下的受力變形特性，此路基結(jié)構(gòu)基床表層的豎向變形和振動(dòng)加速度明顯減小。方明鏡［12］將優(yōu)選的瀝青有砟軌道結(jié)構(gòu)與瀝青混凝土蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行線(xiàn)黏彈性有限元分析，揭示了瀝青軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)恿π袨樘卣鳌Ｒ陨涎芯恐饕性跍囟群奢d及有砟軌道動(dòng)力響應(yīng)方面，但瀝青混凝土層對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道-路基結(jié)構(gòu)體系力學(xué)響應(yīng)的研究不夠深入，缺乏系統(tǒng)分析。

本文通過(guò)建立高速列車(chē)?CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道-傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)/瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元分析模型，針對(duì)列車(chē)荷載在無(wú)砟軌道-路基結(jié)構(gòu)內(nèi)荷載傳遞與分布特征，對(duì)比分析瀝青混凝土層對(duì)軌道板、底座板及基床受力的優(yōu)化效果，論證瀝青混凝土層對(duì)高速鐵路列車(chē)-無(wú)砟軌道-路基結(jié)構(gòu)體系力學(xué)響應(yīng)的影響。

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

建立傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)兩個(gè)有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，各部件均采用?shí)體單元建模。軌道板與自密實(shí)混凝土形成的復(fù)合板結(jié)構(gòu)采用單元式方案，設(shè)置0.07 m 的伸縮縫；一塊底座板對(duì)應(yīng)兩塊復(fù)合板并設(shè)置0.02 m 的伸縮縫，為抵抗剪切變形，底座板間設(shè)置傳力桿；傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)基床表層厚0.4 m，瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)采用0.1 m 厚的瀝青混凝土層等厚度地代替基床表層。

考慮到瀝青混凝土屬于溫度敏感性材料，其彈性模量受溫度影響較大，但列車(chē)荷載對(duì)瀝青混凝土層作用時(shí)間較短，在此時(shí)間段內(nèi)其黏彈性無(wú)法充分發(fā)揮，故選取我國(guó)中部某地四季的平均氣溫為基準(zhǔn)，根據(jù)溫度情況選取瀝青混凝土層的彈性模量［11］。模型各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見(jiàn)表1，不同季節(jié)時(shí)瀝青混凝土彈性模量見(jiàn)表2。

表1 模型各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

表2 不同季節(jié)時(shí)瀝青混凝土彈性模量

車(chē)輛包括1個(gè)車(chē)體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)，共31個(gè)自由度。選取CRH3型高速列車(chē)進(jìn)行模擬，軸重17 t，運(yùn)行速度350 km/h，輪軌接觸采用Hertz非線(xiàn)性彈性接觸理論進(jìn)行模擬，左右兩根鋼軌上施加軌道不平順譜以模擬軌道不平順現(xiàn)象，建立的高速鐵路列車(chē)?CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道-傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)/瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)有限元分析模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元分析模型

1.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)鄭徐高速鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)段實(shí)車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證。該試驗(yàn)段底座板厚度為20 cm，瀝青混凝土層厚度為10 cm，列車(chē)運(yùn)行速度為350 km/h，其余各參數(shù)與上述一致。根據(jù)以上條件建立有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，鄭徐高速鐵路實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表3。可知，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果相差較小，偏差在可接受范圍內(nèi)，故認(rèn)為該數(shù)值仿真分析模型可以較好地模擬實(shí)際情況，可用于后續(xù)的計(jì)算與分析。

表3 鄭徐高速鐵路實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2 模型計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)與瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)模型的軌道板、底座板、基床表層與基床底層的壓應(yīng)力、動(dòng)變形和軌下位置的振動(dòng)加速度并進(jìn)行對(duì)比分析，論證瀝青混凝土的有益效果。

2.1 應(yīng)力與變形的橫向分布

1）軌道板

兩種路基結(jié)構(gòu)軌道板底部壓應(yīng)力、動(dòng)變形橫向分布見(jiàn)圖2。

圖2 軌道板底部壓應(yīng)力及動(dòng)變形橫向分布

由圖2（a）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)軌道板底部壓應(yīng)力橫向呈軌下位置壓應(yīng)力最大，軌道結(jié)構(gòu)中部和兩側(cè)壓應(yīng)力接近于0 的W 狀分布；因左右鋼軌施加的軌道不平順?lè)挡煌瑢?duì)應(yīng)位置的軌道板底部壓應(yīng)力峰值存在差異，傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)左右鋼軌壓應(yīng)力差異較大，最大差值可達(dá)116.72 kPa，而瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)左右鋼軌壓應(yīng)力差值最大僅為20.90 kPa；瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)軌道板底部壓應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)力降幅為40.57%?？梢?jiàn)，瀝青混凝土面路基可改善軌道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

由圖2（b）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)軌道板底部動(dòng)變形橫向波動(dòng)較小，與軌道板剛度較大有關(guān)；與瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)軌道板底部動(dòng)變形較大，且動(dòng)變形最大出現(xiàn)在軌下對(duì)應(yīng)位置，不同位置位移有較大區(qū)別，說(shuō)明鋪設(shè)瀝青混凝土層可使軌道板受力更加均勻；瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)軌道板底部動(dòng)變形峰值小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，降幅為42.00%。

2）底座板

兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部壓應(yīng)力、動(dòng)變形橫向分布見(jiàn)圖3。

圖3 底座板底部壓應(yīng)力及動(dòng)變形橫向分布

由圖3（a）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部壓應(yīng)力橫向分布規(guī)律基本一致，與軌道板底部壓應(yīng)力分布規(guī)律類(lèi)似，均呈軌下位置壓應(yīng)力最大、底座板中部位置壓應(yīng)力較小、底座板邊緣位置有小幅上升的趨勢(shì)；與傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)相比，瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)左右兩鋼軌壓應(yīng)力峰值僅相差9.19 kPa，其底座板底部壓應(yīng)力要小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，底座板底部壓應(yīng)力降幅可達(dá)52.17%。

由圖3（b）可知：因底座板剛度較大，兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部動(dòng)變形橫向分布波動(dòng)較?。粋鹘y(tǒng)路基結(jié)構(gòu)有些許波動(dòng)，基本穩(wěn)定在0.3 mm 左右，傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)底座板底部動(dòng)變形峰值對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在軌下位置，瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)動(dòng)變形峰值小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，降幅為30.06%。

3）基床

兩種路基結(jié)構(gòu)基床表層及基床底層頂部壓應(yīng)力、動(dòng)變形橫向分布見(jiàn)圖4。

圖4 基床表層、基床底層頂部壓應(yīng)力及動(dòng)變形橫向分布

由圖4（a）、4（c）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)基床壓應(yīng)力橫向分布規(guī)律一致，與軌道結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力橫向分布規(guī)律不同，其峰值位置出現(xiàn)在底座板邊緣，與列車(chē)荷載主要由上部軌道結(jié)構(gòu)承擔(dān)且底座板邊緣存在側(cè)向剪切作用有關(guān)，中部3～6 m 左右壓應(yīng)力較小，橫向距離超過(guò)底座板邊兩側(cè)位置后壓應(yīng)力驟降，最終穩(wěn)定在0 附近；傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)基床表層、基床底層頂部壓應(yīng)力橫向分布左右峰值存在一定差異，瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)左右峰值基本一致，瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)基床表層及基床底層頂部壓應(yīng)力橫向分布峰值小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，降幅分別為63.17%、13.42%，說(shuō)明瀝青混凝土面路基可降低路基的應(yīng)力水平，進(jìn)而改善路基的受力狀態(tài)。

由圖4（b）、4（d）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)基床動(dòng)變形橫向分布規(guī)律一致，底座板范圍內(nèi)基床表層動(dòng)變形均勻分布，在底座板邊緣位置達(dá)到最大值，由底座板邊緣向兩側(cè)迅速衰減至0；設(shè)置瀝青混凝土層可使基床表層、基床底層動(dòng)變形有所減小，降幅分別為14.49%、13.63%。由于瀝青混凝土的彈性模量介于無(wú)砟軌道底座與基床表層級(jí)配碎石之間，改善了無(wú)砟軌道向路基結(jié)構(gòu)的豎向剛度過(guò)渡，提升了基床結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低了基床頂面的動(dòng)變形。

2.2 應(yīng)力與變形的縱向分布

1）軌道板

兩種路基結(jié)構(gòu)軌道板底部壓應(yīng)力、動(dòng)變形縱向分布見(jiàn)圖5。

圖5 軌道板底部壓應(yīng)力及動(dòng)變形縱向分布

由圖5（a）可知：兩種軌道結(jié)構(gòu)軌道板底部壓應(yīng)力沿線(xiàn)路縱向在車(chē)輪作用處壓應(yīng)力最大，輪載作用沿縱向影響范圍可達(dá)6 m，軌道板直接承受經(jīng)鋼軌傳遞的列車(chē)荷載，由于列車(chē)的振動(dòng)和軌道不平順的影響，使軌道板壓應(yīng)力縱向分布圖波動(dòng)較大；設(shè)置瀝青混凝土層后軌道板底部壓應(yīng)力減小了235.48 kPa，說(shuō)明采用瀝青混凝土層等厚度替代基床表層有利于減小結(jié)構(gòu)受力。

由圖5（b）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)軌道板底部動(dòng)變形縱向呈V 字形分布，與壓應(yīng)力縱向分布類(lèi)似，輪載作用處軌道板底部動(dòng)變形最大；瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)軌道板動(dòng)變形比傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)小0.085 mm。

2）底座板

兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部壓應(yīng)力、動(dòng)變形縱向分布見(jiàn)圖6。

圖6 底座板底部壓應(yīng)力及動(dòng)變形縱向分布

由6（a）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部壓應(yīng)力縱向分布均在輪載作用處達(dá)到峰值，與軌道板對(duì)比，壓應(yīng)力波動(dòng)明顯減小，主要因振動(dòng)沿深度逐漸減弱有關(guān)，輪載作用沿縱向的影響范圍大致在6 m 左右；瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)底座板底部壓應(yīng)力小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)力差值為20.19 kPa，說(shuō)明瀝青混凝土面路基可顯著改善軌道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

由圖6（b）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)底座板底部動(dòng)變形縱向均呈現(xiàn)出由輪載作用處向兩側(cè)逐漸遞減的V 字形分布；瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)底座板動(dòng)變形比傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)小0.085 mm。

3）基床

兩種路基結(jié)構(gòu)基床表層和基床底層頂部壓應(yīng)力、動(dòng)變形縱向分布見(jiàn)圖7。

圖7 基床表層、基床底層頂部壓應(yīng)力及動(dòng)變形縱向分布

由圖7可知：兩種路基結(jié)構(gòu)基床壓應(yīng)力、動(dòng)變形縱向分布規(guī)律一致，峰值位置均出現(xiàn)在輪載作用處，由輪載作用位置向兩側(cè)逐漸減小，最后趨于0；鋪設(shè)瀝青混凝土層可使壓應(yīng)力、動(dòng)變形均有小幅降低，降幅可達(dá)6～7 kPa和0.04 mm。

2.3 應(yīng)力與振動(dòng)加速度的垂向分布

傳統(tǒng)路基和瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)深度范圍和路基結(jié)構(gòu)深度范圍內(nèi)壓應(yīng)力垂向分布見(jiàn)圖8。

圖8 壓應(yīng)力垂向分布

由圖8（a）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力沿垂直方向在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)主要分為兩階段線(xiàn)性衰減，在復(fù)合板范圍內(nèi)由788.67 kPa 減小到95.35 kPa，衰減速率較快；底座板范圍內(nèi)由136.85 kPa 減小到103.64 kPa。故軌道結(jié)構(gòu)為主要承載區(qū)域。

由圖8（b）可知：兩種路基結(jié)構(gòu)基床表層頂部壓應(yīng)力在20 kPa 左右，隨著深度的增加壓應(yīng)力逐漸衰減；整體來(lái)看，兩種路基結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力在基床表層范圍內(nèi)衰減速率明顯高于基床底層，且瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，說(shuō)明鋪設(shè)瀝青混凝土層可改善路基結(jié)構(gòu)受力；傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力沿深度的衰減幅度明顯小于瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)，因此在路基結(jié)構(gòu)內(nèi)瀝青混凝土層作為主要承載結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究表明，各結(jié)構(gòu)層軌下位置加速度最大，因此對(duì)各結(jié)構(gòu)層軌下位置加速度進(jìn)行垂向分析。傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層軌下位置垂向加速度對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩種路基結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層軌下位置垂向加速度 m·s-2

由表4 可知，傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層垂向加速度均未超過(guò)規(guī)范限值，垂向加速度沿深度均呈逐漸降低的趨勢(shì)，兩種路基結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層加速度峰值相差較小。

3 結(jié)論

1）高速列車(chē)荷載作用下，兩種路基結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、動(dòng)變形橫向分布規(guī)律基本一致，增設(shè)瀝青混凝土層后，各結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力、動(dòng)變形峰值均有所降低，故瀝青混凝土層可提升結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，使其受力更加均勻。

2）兩種路基結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、動(dòng)變形沿線(xiàn)路縱向均在車(chē)輪作用處達(dá)到最大值，向兩側(cè)逐漸減小，最后趨于0，呈V 形分布。增設(shè)瀝青混凝土層后各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)均有明顯改善，表明采用瀝青混凝土層等厚度替代基床表層可改善軌道結(jié)構(gòu)向路基結(jié)構(gòu)的豎向剛度過(guò)渡，減小整個(gè)結(jié)構(gòu)體系受力。

3）壓應(yīng)力在兩種路基結(jié)構(gòu)內(nèi)沿深度均呈逐漸遞減的趨勢(shì)，在軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)分為兩階段線(xiàn)性衰減，兩種路基結(jié)構(gòu)幅值差異較??；在路基結(jié)構(gòu)內(nèi)，瀝青混凝土面路基結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力小于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，沿深度降幅更大，故瀝青混凝土層為主要承載結(jié)構(gòu)。