地面沉降對(duì)路基上單元板式無砟軌道平順性的影響分析

趙立寧,蔡小培,曲 村

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

1 研究背景

無砟軌道已成為我國(guó)高速鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式,在實(shí)際工程中大量應(yīng)用。高速鐵路對(duì)軌道的平順性提出了更高要求,然而無砟軌道對(duì)于沉降變形卻十分敏感。路基是鐵路線路工程的一個(gè)重要組成部分,是承受軌道結(jié)構(gòu)重力和列車荷載的基礎(chǔ),也是線路工程中最薄弱最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成[1]。高速鐵路路基變形會(huì)導(dǎo)致軌下基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的變形,軌道的垂向平順性明顯降低,高速運(yùn)營(yíng)條件下,大大影響無砟軌道的受力和變形,引起較大的輪軌動(dòng)力響應(yīng),造成車體垂向加速度、輪軌力、無砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的增加,會(huì)使無砟軌道開裂。路基不均勻沉降直接影響列車運(yùn)行的舒適度和安全性,對(duì)于無砟軌道更是直接影響到其安全使用壽命[2],因此需要對(duì)沉降進(jìn)行嚴(yán)格控制。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速鐵路線下基礎(chǔ)已從路基不均勻情況下無砟軌道的受力、行車安全和路基沉降限值等角度進(jìn)行了探討[3-11]。但是針對(duì)地面不均勻沉降及軌道結(jié)構(gòu)層的變化對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)平順性的影響,國(guó)內(nèi)外尚缺乏相關(guān)研究。地面沉降會(huì)引發(fā)軌道變形,影響軌道的平順性,當(dāng)沉降變形過大時(shí),甚至?xí){列車的運(yùn)行安全。因此,研究地面沉降作用下的無砟軌道平順性具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

2 理論模型的建立

2.1 模型建立

為了更好地模擬實(shí)際情況,本文建立了路基上單元板式無砟軌道-路基模型,包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、支承層、路基。鋼軌可視為彈性點(diǎn)支承梁,扣件采用點(diǎn)彈簧模擬,軌道板、CA砂漿層、支承層和路基采用三維實(shí)體進(jìn)行模擬。該模型不僅能夠有效反映結(jié)構(gòu)空間受力及變形情況,還能模擬層間的離縫狀態(tài)。單元板式無砟軌道-路基-地面簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 板式無砟軌道-路基簡(jiǎn)化模型

單元板式無砟軌道-路基模型在建立過程中,充分考慮了實(shí)際工程情況,在施加地面沉降位移荷載前進(jìn)行了地應(yīng)力平衡；沿線路縱向及橫向,模型的尺度均有較大冗余,以此來降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；為簡(jiǎn)化計(jì)算過程,在此取軌道的一半建立模型進(jìn)行研究計(jì)算,并在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。因此,所建立的模型具有較高的真實(shí)模擬性,計(jì)算時(shí)應(yīng)用了有限元方法。

2.2 模型參數(shù)

目前,對(duì)于無砟軌道路基地段不均勻沉降曲線,國(guó)內(nèi)建議采用的是余弦型沉降曲線,波長(zhǎng)20 m[12]。本文中亦采用余弦型沉降曲線作為地面沉降參數(shù)。余弦型不均勻沉降曲線如圖2所示。

圖2 余弦型不均勻沉降曲線

在波長(zhǎng)范圍內(nèi),沿線路縱向(Z)的表達(dá)式為

式中,f0表示波深,Z表示不均勻沉降的位置坐標(biāo),l為波長(zhǎng)。板式無砟軌道-路基有限元模型參數(shù)取值如表1所示。

表1 板式無砟軌道-路基-地面模型參數(shù)取值

3 地面沉降幅值對(duì)軌道平順性的影響

為了研究地面沉降幅值對(duì)軌道平順性的影響,根據(jù)地面不均勻沉降幅值的不同,選取幾種工況分別進(jìn)行計(jì)算(波幅mm/波長(zhǎng)m)，見表2。

表2 不同不均勻沉降幅值工況 mm/m

在不同沉降工況下,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層的最大下沉量如表3所示。

表3 板式無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的最大下沉量 mm

由表3可以看出在不同工況下,無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降量不同,但總體上沉降量都隨著地面沉降量的增大而增大。在同一種工況下,軌道結(jié)構(gòu)各層的沉降量也不同,但相差不多,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層的沉降量從上到下依次增加。軌道結(jié)構(gòu)和路基的沉降量不同,是由于軌道結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系較強(qiáng),且軌道結(jié)構(gòu)的剛度要比路基的大,所以軌道結(jié)構(gòu)的沉降量相對(duì)于路基要小,并且導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)層與路基之間有離縫出現(xiàn)。隨著沉降幅值的增大,離縫現(xiàn)象將會(huì)更加明顯。在地面沉降幅值為5 mm時(shí),支承層和基床之間的離縫為0.11 mm,當(dāng)?shù)孛娉两捣禐?0 mm時(shí),支承層和基床之間的離縫則可達(dá)0.82 mm。

在15 mm和25 mm沉降波幅情況下(工況3與工況5)鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層沿線路方向的縱向下沉曲線如圖3、圖4所示。

圖3 15 mm/20 m地面沉降下各結(jié)構(gòu)層的下沉曲線

圖4 25 mm/20 m地面沉降下各結(jié)構(gòu)層的下沉曲線

從圖3、圖4中可以看出,在地面發(fā)生沉降時(shí),無砟軌道發(fā)生跟隨性的沉降,各結(jié)構(gòu)層的變形曲線與余弦型曲線非常接近,且各結(jié)構(gòu)層沉降曲線基本重合,隨著沉降幅值的增加,各結(jié)構(gòu)層的下沉量也隨之增加,基本呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在波長(zhǎng)20 m的范圍之外,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及底層均產(chǎn)生了微小上拱現(xiàn)象,隨著沉降量的加大,上拱現(xiàn)象表現(xiàn)越來越明顯,這將會(huì)影響軌道的平順性。

不同沉降幅值下的軌道板下沉曲線如圖5所示。

圖5 軌道板在不同工況下的沉降位移

由圖5可看出，軌道板在地面發(fā)生不同沉降幅值下的沉降曲線不同,軌道板最大沉降值隨著地面沉降幅值的增大而增大,其沿線路方向的沉降變化與余弦型曲線相似,最大沉降發(fā)生在中部,與不均勻沉降波谷所處位置相對(duì)應(yīng),且沉降最大值近似呈線性關(guān)系。不難看出,其他各結(jié)構(gòu)層的下沉量與沉降幅值也基本呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

4 無砟軌道結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)軌道平順性的影響

無砟軌道結(jié)構(gòu)層由不同特性的材料組成,其厚度不僅影響工程的造價(jià),更影響到軌道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和剛度,在地面發(fā)生沉降時(shí)影響到無砟軌道的平順性。為了研究各結(jié)構(gòu)層厚度會(huì)對(duì)地面沉降作用下的無砟軌道平順性的影響,在20 mm/20 m沉降工況下將無砟軌道中軌道板、CA砂漿層和支承層的厚度分別增加20 mm和40 mm進(jìn)行模擬計(jì)算(工況7、工況8、工況9),并將其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)厚度下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(表4)。

表4 不同厚度下無砟軌道各結(jié)構(gòu)層最大沉降值 mm

由表4可以看出,在地面發(fā)生沉降情況下,無砟軌道結(jié)構(gòu)層厚度的不同使得無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降值也會(huì)不同,并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。隨著各結(jié)構(gòu)層厚度的增大,在地面沉降作用下軌道各層的沉降值在逐漸減小,但是變化幅度并不是很大。各結(jié)構(gòu)層沉降值的減小是由于結(jié)構(gòu)層厚度的增加使得無砟軌道整體剛度有所增大,提高了軌道抵抗變形的能力。

由圖6可以看出,在不同支承層厚度下所得的地面沉降作用下的軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降曲線幾乎重合。這說明增大無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的厚度雖然可以增大無砟軌道的剛度,提高其整體抵抗變形的能力,使其在沉降情況下發(fā)生的沉降變形減小,降低對(duì)軌道平順性的影響,但是效果并不十分明顯。

圖6 不同支承層厚度下軌道板沉降位移

5 軌道結(jié)構(gòu)層間離縫對(duì)軌道平順性的影響

在運(yùn)營(yíng)過程中,無砟軌道在機(jī)車車輛荷載作用和自然條件影響下,隨著通過總重的累積,各結(jié)構(gòu)層間的粘合度將會(huì)下降,甚至出現(xiàn)離縫。無砟軌道結(jié)構(gòu)層間離縫的出現(xiàn),會(huì)對(duì)無砟軌道的平順性造成很大的影響,使線路平順性惡化,軌道結(jié)構(gòu)及部件產(chǎn)生傷損,旅客舒適度降低,養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用增加。為了研究各結(jié)構(gòu)層之間出現(xiàn)離縫時(shí)在地面發(fā)生沉降情況下對(duì)無砟軌道平順性的影響,在此將地面沉降作用下各結(jié)構(gòu)層離縫狀態(tài)下所得的計(jì)算結(jié)果與完好狀態(tài)下所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

無砟軌道中軌道板與CA砂漿層之間、CA砂漿層與支承層之間和支承層與基床表層之間出現(xiàn)離縫時(shí)在地面發(fā)生20 mm/20 m沉降情況下計(jì)算所得的無砟軌道各結(jié)構(gòu)層最大沉降值如表5所示。

表5 離縫狀態(tài)下無砟軌道各結(jié)構(gòu)層最大沉降值 mm

由表5可以看出,在地面發(fā)生沉降時(shí),無砟軌道各結(jié)構(gòu)層間出現(xiàn)離縫時(shí)的沉降量要比無砟軌道處于完好狀態(tài)的沉降量大,尤其是當(dāng)支承層與基床表層之間出現(xiàn)離縫時(shí),其最大沉降量會(huì)比完好狀態(tài)下大1 mm左右。這說明無砟軌道各結(jié)構(gòu)層間離縫的存在會(huì)對(duì)軌道的平順性產(chǎn)生很大的影響。

圖7 不同離縫狀態(tài)下軌道板沉降位移

由圖7可以看出,在地面發(fā)生沉降時(shí),無砟軌道結(jié)構(gòu)層之間出現(xiàn)離縫情況下的沉降曲線與完好狀態(tài)下的有明顯的不同。在發(fā)生離縫狀態(tài)下,無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降值要比完好狀態(tài)下的沉降值大,對(duì)軌道平順性的不利影響也更大,尤其是在支承層與基床表層之間出現(xiàn)離縫狀態(tài)時(shí)。這是由于在發(fā)生離縫時(shí),無砟軌道各結(jié)構(gòu)層之間的相互作用減小了,降低了無砟軌道的整體穩(wěn)定性。因此,在實(shí)際工程中要嚴(yán)格控制無砟軌道各結(jié)構(gòu)層之間出現(xiàn)離縫,以免影響軌道的平順性,降低行車舒適性。

6 結(jié)論

本文針對(duì)地面不均勻沉降對(duì)單元板式無砟軌道平順性的影響,主要從地面沉降幅值、無砟軌道各結(jié)構(gòu)層厚度變化及結(jié)構(gòu)層間出現(xiàn)離縫對(duì)軌道不平順性的影響進(jìn)行了相關(guān)研究,得出以下結(jié)論。

(1)在地面發(fā)生沉降時(shí),無砟軌道會(huì)發(fā)生跟隨性的沉降,無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降量不同,從上到下各結(jié)構(gòu)層沉降值依次增大,但差異并不是很大。

(2)在地面發(fā)生沉降時(shí),無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的沉降量都隨著地面沉降幅值的增大而增大,且近似呈線性增長(zhǎng),各結(jié)構(gòu)層之間會(huì)出現(xiàn)離縫。

(3)在地面發(fā)生沉降情況下,增大無砟軌道各結(jié)構(gòu)層的厚度可以減小無砟軌道的沉降量,降低地面沉降對(duì)軌道平順性的影響,但是效果并不十分明顯。

(4)在地面發(fā)生沉降情況下,無砟軌道結(jié)構(gòu)層之間出現(xiàn)離縫情況下的沉降比完好狀態(tài)下的沉降量大,對(duì)軌道平順性的不利影響也更大。因此,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無砟軌道各層結(jié)構(gòu)之間離縫的監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)盡快進(jìn)行維修。

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