[平順,路基,軌道]淺談地面沉降對(duì)路基上雙塊式無(wú)砟軌道平順性的影響

1、淺談地面沉降對(duì)路基上雙塊式無(wú)祚軌道平順性的影響無(wú)祚軌道對(duì)下部基礎(chǔ)沉降變形特別敏感。高速鐵路基礎(chǔ)沉降會(huì)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(dòng)力響應(yīng)?；A(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(duì)下部基礎(chǔ)沉降變 形進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外高速鐵路都要求對(duì)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(duì)無(wú)祚軌道的受力、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，但缺少地而不均勻沉降對(duì)無(wú)昨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(shí)間長(zhǎng)、

2、影響范圍大、難以預(yù)測(cè)防治等特 點(diǎn)，相對(duì)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(duì)地而不均勻沉降與軌道、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(jià)值。本文基于雙塊式無(wú)昨軌道的結(jié)構(gòu)特性，考慮無(wú)昨軌道-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(duì)地面不均勻沉降與無(wú)昨軌道變形之間的關(guān)系展開了系統(tǒng) 的研窕，為高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)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(wú)昨軌道及下部基礎(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(shí)， 忽略了其他彎曲方向的變形

3、協(xié)調(diào)關(guān)系，為平而計(jì)算模型，模型理論簡(jiǎn)單，且結(jié)果與實(shí)際情況 偏差較大：梁-板模型符合無(wú)碓軌道結(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)模擬路基上體:梁-體模型自由度多、后處理復(fù)雜，但是與無(wú)祚軌道實(shí)際工作情況最為接近， 特別適用于結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)采用。路基地段雙塊式無(wú)昨軌道由鋼軌、扣件、無(wú)昨道床、支承層、基床表層、基床底層、地 面上體等組成，見圖1所示。本文主要針對(duì)地而沉降下軌道結(jié)構(gòu)平順性開展研究，考慮無(wú)昨 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(wú)昨道床：考慮到上體在傳遞荷載過 程中的重要性及其彈塑性質(zhì)，采用更能精細(xì)模擬上體應(yīng)力及變形行為的實(shí)體單元。因此，本 文基于有限元軟件

4、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(shì)。為了減少計(jì)算量，模型取半結(jié)構(gòu)，并施加對(duì)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(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建模基本假定如下：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(duì)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)上體采用實(shí)體單元，只考慮其彈性行為，采用接觸單元模擬支承層與上體間層間接觸 行為。1.2 模型參數(shù)對(duì)于多種因素影響的地面沉降曲線型式

5、，相關(guān)文獻(xiàn)多將沉降假定為下凹的曲線圓弧。通 過對(duì)沉降范圍的沉降觀測(cè)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而沉降成因復(fù)雜，沉降波長(zhǎng)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(zhǎng))分別進(jìn)行計(jì)算。3地而沉降范圍的影響地面不均勻沉降范闈對(duì)路基上無(wú)硅軌道結(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(duì)不同沉降范圍，提出以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算對(duì)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(huì)發(fā)生錯(cuò)分型或者折角型不均勻沉降。本文以

6、此 為基礎(chǔ)，計(jì)算相同沉降量h下不同地而沉降型式對(duì)無(wú)祚軌道平順性的影響，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(cuò)臺(tái)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(cuò)臺(tái)型不均勻沉降和折角型不均勻沉降時(shí)，無(wú)祚軌道均難以產(chǎn)生跟隨性變 形，軌面不平順和軌下空吊等現(xiàn)象將同時(shí)存在。5結(jié)論本文針對(duì)高速鐵路雙塊式無(wú)昨軌道區(qū)域地而不均勻沉降問題，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(duì)軌道系統(tǒng)平順性的影響，得出以下結(jié) 論：(1)沉降幅值對(duì)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 國(guó)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(zhǎng)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(huì)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