多年凍土區(qū)塊石路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的動力傳遞特性

多年凍土區(qū)塊石路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的動力傳遞特性

0青藏鐵路塊石層動力傳遞機理研究思路青藏鐵路穿越青藏高原腹地，是世界上最高、最古老的高原鐵路，穿越多個季節(jié)的凍土帶，全長546.41公里。由于凍土環(huán)境的脆弱性和氣候變化的不可預(yù)見性,凍土問題成為路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。如何在施工熱擾動和列車振動荷載的雙重影響下保護好多年凍土環(huán)境,維持地表的熱平衡狀態(tài),成為青藏鐵路建設(shè)和維護階段的關(guān)鍵技術(shù)問題。在多年凍土地區(qū)修筑鐵路,路基穩(wěn)定性成為工程成敗的關(guān)鍵,保護其下的多年凍土是工程設(shè)計與施工的原則之一。為此,針對多年凍土區(qū)路基鐵路需采用主動保護多年凍土的工程措施。作為青藏鐵路主要的工程措施,已有的地溫和變形觀測結(jié)果表明,塊石路基相對于素土路基能取得較好的工程效果。目前對機車荷載作用下凍土區(qū)路基變形特征認識較少,相關(guān)的研究大多是將機車荷載等效為正弦分布荷載,通過數(shù)值分析方法模擬路基在等效機車荷載作用下的動力響應(yīng)過程,缺乏可靠的試驗數(shù)據(jù),尤其是實際列車作用荷載數(shù)據(jù)。為進一步研究青藏鐵路塊石層的動力傳遞特征,合理分析機車荷載作用下青藏鐵路塊石層動力傳遞機理,選取青藏鐵路北麓河試驗段塊石路基為研究對象建立數(shù)值計算模型。同時建立對比分析的素土路基計算模型,利用列車通過實時強震動測試數(shù)據(jù),運用動力有限元方法對機車荷載作用下的動力傳遞特性、位移響應(yīng)特性,應(yīng)力應(yīng)變特性等進行科學(xué)分析。1地溫分布及調(diào)查北麓河試驗段位于青藏高原可可西里與風(fēng)火山之間,屬北麓河沖、洪積高平原地貌,全長14km。該段屬于青藏高原干旱氣候區(qū),一年內(nèi)凍結(jié)期為9月至次年4月,長達7~8個月。根據(jù)氣象資料,該地區(qū)年平均氣溫為-5.2℃,極端最高氣溫為23.2℃,極端最低氣溫為-37.7℃。整個試驗段多年凍土上限附近富含厚層地下冰,且多年凍土地溫空間分布狀態(tài)分異性較強,地溫分區(qū)從Ⅰ區(qū)到Ⅲ區(qū)。根據(jù)凍土工程地質(zhì)評價,該段為不良和極差的工程地質(zhì)地段。天然凍土上限為-1.5~-2.0m,年平均地溫為-1.41~-1.68℃。該試驗段地層上部為粉、細砂,活動層范圍下部主要為棕紅色粉質(zhì)黏土層,上限附近有1.4~3.0m厚的含土冰層,下部以棕紅色全風(fēng)化泥巖為主,局部有砂巖夾層。目標(biāo)斷面為青藏鐵路塊石路基+塊石護坡(右護坡)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)形式為底部水平層狀塊石復(fù)合結(jié)構(gòu),其塊石粒徑約為30~40cm,兩邊護道,路基結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。根據(jù)試驗段調(diào)查,路基中心實測填高為4.4m,左護道寬2.0m,右護道寬1.4m。該斷面2006年9月現(xiàn)場鉆探和含水量、容重測試結(jié)果見表1。斷面多年凍土上限約為2.3m,年平均地溫為-1.51℃。該試驗段二級區(qū)劃屬于低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)。2計算有限價值2.1數(shù)值模型的建立根據(jù)青藏鐵路地質(zhì)鉆探資料及實際凍土路基結(jié)構(gòu)建立二維有限元模型。塊石路基分析模型如圖2(a)所示,模型的土層劃分按照該區(qū)工程地質(zhì)條件劃分,土體單元為平面應(yīng)變單元。為減小邊界條件對于機車振動的影響,采用有限元和無限元相結(jié)合的方法,模型底部邊界固定,兩側(cè)為無限元邊界條件。為準(zhǔn)確把握塊石層的動力特性,建立對比分析的素土路基計算模型,如圖2(b)所示。對比計算模型將原路基結(jié)構(gòu)的水平層狀塊石層替換為填土層,其他條件一致。在動力計算之前,首先采用SHAKE程序計算考慮土體非線性的自由場土體的動力響應(yīng)特征。在二維有限元動分析中,土體材料視為彈塑性材料,采用一維土體最大應(yīng)變時的動剪切模量和阻尼比,并服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則,土體抗剪強度結(jié)合室內(nèi)動三軸有關(guān)凍土的動強度試驗結(jié)果選取,塊石材料采用線彈性模型。有限元數(shù)值計算物理力學(xué)參數(shù)參照中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室振動三軸材料試驗機(MTS-810)開展的低溫動三軸試驗結(jié)果選取,試驗儀器如圖3所示,其主要的技術(shù)指標(biāo)為:最大軸向負荷:100kN;圍壓范圍:0.5~20MPa;最大軸向位移:±85mm;頻率范圍:0~50Hz;溫度范圍:常溫~-30℃。試驗土體力學(xué)參數(shù)見表2。3.2現(xiàn)場強震加速度計及采樣利用強震觀測手段對路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的振動性能進行科學(xué)合理的評估,進而研究青藏鐵路多年凍土區(qū)路基的振動響應(yīng)規(guī)律及其變形特征?，F(xiàn)場強震動測試儀器使用美國產(chǎn)ETNA型強震加速度計,檢波器為水平2方向及上下方向。觀測選取的觸發(fā)加速度為0.98cm·s-2,采樣間隔為0.005s,記錄長度為激震前后各20s。其中,水平方向CH1指向列車運行方向,CH2與列車運行方向垂直,CH3為上下方向(垂直路基平面)。強震動測試在目標(biāo)斷面共設(shè)置2個振動觀測點,分別布設(shè)在右路肩和坡腳位置(見圖4)。3數(shù)值計算結(jié)果的分析3.1測點時程曲線在計算模型垂直中心線上,分別選取路面、塊石層上下頂面及多年凍土上限等不同位置測點(圖6)提取加速度時程曲線進行分析,以準(zhǔn)確把握塊石層的鋪設(shè)對路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的振動傳遞特性影響規(guī)律。圖7為素土路基和塊石路基兩種模型在路基中心不同深度位置的加速度時程曲線(測點位置如圖6所示);圖8為兩種路基結(jié)構(gòu)各測點時程曲線的最大加速度對比圖。從圖可以看出,兩種路基結(jié)構(gòu)的機車振動傳遞均表現(xiàn)出明顯的衰減效應(yīng),隨著深度的增加,素土路基內(nèi)部最大加速度呈線性減小,振動能量主要集中在路基內(nèi)部,而在天然地表以上機車振動衰減較小。當(dāng)振動傳遞到凍土上限位置處,振動衰減至10%以下。由于塊石層的鋪設(shè)改變了路基的剛度特性,致使最大加速度的分布存在明顯的非線性特征。機車振動能量主要集中在塊石層以上,路基表層中心的加速度幅值比素土路基相同位置幅值稍大,而通過塊石層的傳遞,其相同位置振動的最大加速度幅值均遠小于素土路基。在相同振源作用下塊石路基的振動衰減效應(yīng)明顯大于普通路基。由于塊石層的鋪設(shè),當(dāng)振動傳遞到凍土上限位置時,其影響可以忽略不計。這證明塊石層的鋪設(shè)可以很好地控制振動荷載的傳遞,減小機車振動對路基穩(wěn)定性的影響。3.2路基結(jié)構(gòu)對振動的影響圖9為素土路基和塊石路基模型內(nèi)部豎直方向沉降分布云圖,圖10為兩種結(jié)構(gòu)的最大沉降量隨深度的分布曲線。通過計算發(fā)現(xiàn),隨著列車通過豎向位移振動平均值逐漸增大,兩種路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的最大沉降量均在路基頂部,素土路基最大沉降量可達1.9mm,而塊石路基僅為0.9mm。在機車荷載作用下路基兩側(cè)坡腳產(chǎn)生地面隆起,其幅值為0.5mm左右。塊石路基內(nèi)部的振動變形均遠小于素土路基,而在天然地表以下,由于塊石層的質(zhì)量密度較大,地表以下位移值略大于普通路基。通過分析認為,凍土路基人為上限以上的土體在機車荷載作用下的變形明顯,人為上限以下的土體變形受機車振動影響不大。通過塊石層的鋪設(shè)可以有效地改善路基的振動沉降。3.3塊石路基的應(yīng)力圖11為機車荷載作用下不同路基的最大主應(yīng)力分布云圖。素土路基的最大主應(yīng)力在路基表現(xiàn)為拉應(yīng)力,最大可達到近0.03MPa,路基其他位置的應(yīng)力均為壓應(yīng)力。塊石路基在塊石層和天然地表的界面處的最大主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力最大可到0.07MPa,其他區(qū)域的應(yīng)力均為壓應(yīng)力。圖12為機車荷載作用下素土路基和塊石路基的最大剪應(yīng)變分布云圖。素土路基的最大剪應(yīng)變可以達到10-3以上,最大應(yīng)變出現(xiàn)在路基坡腳下方土層凍融交接界面處。塊石層的鋪設(shè)改變了路基內(nèi)部的應(yīng)變分布,應(yīng)變幅值小于素土路基,最大應(yīng)變范圍縮小。4動力傳遞特性通過對青藏鐵路北麓河試驗段多年凍土區(qū)普通路基及塊石路基的動力響應(yīng)分析比較,得到機車荷載作用下塊石層的動力傳遞特性,主要結(jié)論有:(1)塊石層的鋪設(shè)可以有效限制機車荷載產(chǎn)生的加速度向路基深處傳遞,減小機車振動對路基結(jié)構(gòu)的影響,其機車荷載的振動衰減效應(yīng)大于素土路基。當(dāng)振動傳遞到凍土上限位置,其影響可以忽略不計。(2)兩種路基結(jié)構(gòu)在機車荷載作用下的最大沉降量均出現(xiàn)在路基頂部,素土路基最大沉降量可以達到1.9mm,塊石層的鋪設(shè)使得路基最大沉降減小至0.9mm。在機車荷載作用下,路基兩側(cè)坡腳均出現(xiàn)地面隆起,幅值為0.5mm。(3)塊石層的鋪設(shè)改變了機車荷載作用下路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)