淺談地面沉降對路基上雙塊式無砟軌道平順性的影響論文

　　無砟軌道對下部基礎(chǔ)沉降變形特別敏感。高速鐵路基礎(chǔ)沉降會導(dǎo)致軌下基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的變形，軌道平順性顯著降低，引起較大的輪軌動力響應(yīng)。基礎(chǔ)不均勻沉降直接影響軌道系統(tǒng)安全服役狀態(tài)和使用壽命，影響旅客的舒適性和行車的安全性，因此需要對下部基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。

　　國內(nèi)外高速鐵路都要求對線下工程進(jìn)行變形控制，將沉降限制在某一范圍內(nèi)。已有相關(guān)文獻(xiàn)，從路基不均勻沉降角度，對無砟軌道的受力、行車安全等方面進(jìn)行了探討，并提出不均勻沉降的限值及軌道整治措施，但缺少地面不均勻沉降對無砟軌道平順性影響的相關(guān)研究。地面沉降的成因機(jī)制復(fù)雜，且具有發(fā)展緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍大、難以預(yù)測防治等特點(diǎn)，相對路基沉降而言其與上部結(jié)構(gòu)平順性的關(guān)系更為復(fù)雜。對地面不均勻沉降與軌道、路基變形之間的關(guān)系開展研究，具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。

　　本文基于雙塊式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特性，考慮無砟軌道-路基-地面多層空間結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系，基于所建立有限元分析模型對地面不均勻沉降與無砟軌道變形之間的關(guān)系展開了系統(tǒng)的研究，為高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營提供理論參考。

　　1 理論模型的建立

　　1.1 模型建立

　　鐵路地基大都屬于彈性地基，符合溫克爾假定，常用的無砟軌道及下部基礎(chǔ)理論分析模型分為以下三種：疊合梁模型、梁-板模型及梁-體模型。疊合梁模型在計(jì)算線路縱向彎矩時，忽略了其他彎曲方向的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，為平面計(jì)算模型，模型理論簡單，且結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大；梁-板模型符合無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力情況，更能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，但難以真實(shí)模擬路基土體；梁-體模型自由度多、后處理復(fù)雜，但是與無砟軌道實(shí)際工作情況最為接近，特別適用于結(jié)構(gòu)受力分析時采用。

　　路基地段雙塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、無砟道床、支承層、基床表層、基床底層、地面土體等組成，見圖 1 所示。本文主要針對地面沉降下軌道結(jié)構(gòu)平順性開展研究，考慮無砟道床為板狀多層結(jié)構(gòu)，采用梁-板模型能很好模擬鋼軌及無砟道床；考慮到土體在傳遞荷載過程中的重要性及其彈塑性質(zhì)，采用更能精細(xì)模擬土體應(yīng)力及變形行為的實(shí)體單元。因此，本文基于有限元軟件 ABAQUS 建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，綜合了梁板、梁體模型各自的優(yōu)勢。為了減少計(jì)算量，模型取半結(jié)構(gòu)，并施加對稱約束。

　　模型沿線路縱橫向的尺度均較大，以降低邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，建�；�本假定如下：

　　1) 考慮重力作用下地應(yīng)力平衡，不考慮路基工后沉降，僅對地面沉降加以模擬。

　　2) 鋼軌模擬為彈性點(diǎn)支承梁，與道床板之間采用線性空間彈簧連接。

　　4) 采用板殼單元模擬道床板及支承層，之間采用均勻分布的非線性彈簧模擬接觸面狀態(tài)，彈簧的剛度根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性模量及厚度進(jìn)行換算。

　　5) 土體采用實(shí)體單元，只考慮其彈性行為，采用接觸單元模擬支承層與土體間層間接觸行為。

　　1.2 模型參數(shù)

　　對于多種因素影響的地面沉降曲線型式，相關(guān)文獻(xiàn)多將沉降假定為下凹的曲線圓弧。通過對沉降范圍的沉降觀測數(shù)據(jù)曲線擬合，發(fā)現(xiàn)沉降型式更接近余弦曲線。

　　2 地面沉降幅值的影響

　　地面沉降成因復(fù)雜，沉降波長范圍內(nèi)沉降量也相差較大。根據(jù)地面不均勻沉降幅值的不同，選取以下 6 種工況(波幅/波長)分別進(jìn)行計(jì)算。

　　3 地面沉降范圍的影響

　　地面不均勻沉降范圍對路基上無砟軌道結(jié)構(gòu)平順性有不同程度的影響。在保持沉降幅值不變的基礎(chǔ)上，針對不同沉降范圍，提出以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算對比。

　　4 其他型式地面不均勻沉降的影響

　　基礎(chǔ)不均勻沉降型式主要有三種：一種為余弦型不均勻沉降，一般發(fā)生在路基上，且最常見。而在路橋過渡段或其他過渡段地區(qū)，會發(fā)生錯臺型或者折角型不均勻沉降。本文以此為基礎(chǔ)，計(jì)算相同沉降量 h 下不同地面沉降型式對無砟軌道平順性的影響，并進(jìn)行比較及分析。

　　不同型式地面沉降下，鋼軌的最大下沉量列于鋼軌下沉曲線。錯臺型和折角型不均勻沉降型式下的鋼軌沉降量遠(yuǎn)大于余弦型沉降型式下的鋼軌沉降量，在較短范圍內(nèi)劇烈過渡。當(dāng)出現(xiàn)沉降量較大的錯臺型不均勻沉降和折角型不均勻沉降時，無砟軌道均難以產(chǎn)生跟隨性變形，軌面不平順和軌下空吊等現(xiàn)象將同時存在。

　　5 結(jié)論

　　本文針對高速鐵路雙塊式無砟軌道區(qū)域地面不均勻沉降問題，建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，分析了沉降幅值、沉降范圍和沉降型式等對軌道系統(tǒng)平順性的影響，得出以下結(jié)論：

　　(1) 沉降幅值對上部結(jié)構(gòu)變形影響顯著。地面沉降幅值和上部結(jié)構(gòu)最大下沉量在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，且結(jié)構(gòu)下沉與余弦型曲線基本吻合。

　　(2) 在沉降波長一定的情況下，鋼軌、道床板等各層結(jié)構(gòu)的下沉量差異不是很大，但是隨著沉降幅值的增加，結(jié)構(gòu)層之間會逐漸出現(xiàn)離縫現(xiàn)象。

　　(3) 隨著地面沉降范圍的增加，各結(jié)構(gòu)的下沉量也隨之增加，兩者的關(guān)系是一條逐漸趨于平緩的曲線，而結(jié)構(gòu)之間的貼靠將隨著沉降范圍的增大趨于嚴(yán)密。

　　(4) 錯臺型和折角型沉降型式對于軌道結(jié)構(gòu)的下沉量影響更為顯著，且其變化要在較短范圍內(nèi)劇烈過渡，對軌道的平順性有更大的影響。

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