基于ABAQUS的土工格柵加筋鐵路道床穩(wěn)定性分析

鄭春明 ZHENG Chun-ming；白金泉 BAI Jin-quan

（①興安盟交通運(yùn)輸局行政審批服務(wù)中心，烏蘭浩特 137400；②興安盟交通局事業(yè)發(fā)展中心，烏蘭浩特 137400）

0 引言

鐵路道床是鐵路的重要部分，起到將列車行駛時(shí)產(chǎn)生的壓力分散傳遞至路基[1]，使軌枕不產(chǎn)生縱向和橫向滑移[2]，便于排水等作用，以確保列車的運(yùn)行安全。然而，由于鐵路道床獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，在長期往復(fù)的列車載荷作用下容易產(chǎn)生不均勻沉降，需要定期養(yǎng)護(hù)維修，費(fèi)用昂貴。研究鐵路道床的穩(wěn)定性及加固措施對列車的安全運(yùn)行及減低后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用均具有重要意義。目前，研究人員已對鐵路道床的穩(wěn)定性做了一些有益的研究。劉華麗等人通過拉格朗日法修正與正應(yīng)力有關(guān)的平衡方程，得到了不同的參數(shù)值，這些參數(shù)值可作為評定邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)[3]。劉杰等人將極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法結(jié)合，對安全系數(shù)的計(jì)算原理進(jìn)行了較深入的分析，總結(jié)了這兩類方法分別的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，研究表明，有限元強(qiáng)度折減法可以模擬更加復(fù)雜的地質(zhì)、地貌下的邊坡，同時(shí)在求解安全系數(shù)時(shí)不用重新假定滑移面的狀貌[4]。

通過適當(dāng)?shù)募庸檀胧┛山档土熊囃鶑?fù)載荷下鐵路道床不均勻沉降。土工格柵目前廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、路基增強(qiáng)和路面增強(qiáng)等領(lǐng)域，有著高強(qiáng)度，強(qiáng)穩(wěn)定性，不易延伸等優(yōu)點(diǎn)。針對土工格柵在鐵道工程中的應(yīng)用目前也有一些有益的工作。Raymond等人通過若干縮尺模型試驗(yàn)研究了土工格柵鋪設(shè)位置對道床頂部沉降的影響，發(fā)現(xiàn)土工格柵的安放位置越接近軌枕底面，降低頂部沉降的效果越明顯[5]。邵帥等人通過建立加筋鐵路道床的離散元數(shù)值模型研究了土工格柵對鐵路道床的加固機(jī)理，發(fā)現(xiàn)土工格柵能夠在道床內(nèi)部提供水平約束，從而降低道床的橫向位移與頂部沉降[6]。

本文針對加筋鐵路道床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別建立了鐵路道床和土工格柵的有限元模型，并將土工格柵嵌入到鐵路道床中。通過道床頂部沉降、塑性應(yīng)變分布、安全系數(shù)的對比分析，分析土工格柵對鐵路道床的加固效果。

1 加筋鐵路道床有限元模型

鐵路道床作為軌枕及上部載荷的承載結(jié)構(gòu)，需要承受上部的列車荷載。在本文中，將列車荷載視為作用于鐵路道床上表面的均布載荷?？紤]到鐵路道床橫截面的對稱性質(zhì)，有限元模型只考慮道床橫截面的右半部分，道床的左側(cè)施加水平方向位移約束，道床底部施加豎直方向位移約束。鐵路道床底部長度為2.15m，頂部長度為1.5m，高度為0.375m，寬度為0.2m。通過六面體單元對鐵路道床模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共1440個(gè)單元，如圖1所示。鐵路道床的材料參數(shù)如表1所示。

表1 鐵路道床材料參數(shù)

圖1 鐵路道床有限元模型

土工格柵是一種土木工程中常用的土工合成材料，與其他土工合成材料相比，它具有獨(dú)特的性能與功效，常用作加筋土結(jié)構(gòu)的筋材或復(fù)合材料的筋材等。土工格柵分為塑料土工格柵、鋼塑土工格柵、玻璃纖維土工格柵和聚酯經(jīng)編滌綸土工格柵四大類。格柵是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵，當(dāng)作為土木工程使用時(shí)，稱為土工格柵。在已建立的鐵路道床有限元模型中，需要加入土工格柵。因此，單獨(dú)創(chuàng)建土工格柵的豎直模型。土工格柵的模型建立參考其實(shí)際形狀，如圖2所示。創(chuàng)建以線為基礎(chǔ)的三維土工格柵模型，如圖3所示。土工格柵網(wǎng)孔尺寸為長40mm、寬40mm的正方形網(wǎng)格，總長度為1.825m，寬度與鐵路道床模型的長度相同為0.2m。土工格柵的彈性模量E為200GPa，泊松比μ為0.25。

圖2 真實(shí)土工格柵結(jié)構(gòu)

圖3 土工格柵有限元模型

工程土工格柵的施工方法包括：①將施工現(xiàn)場壓實(shí)平整，清除尖刺和突起物；②鋪設(shè)土工格柵：將鋪設(shè)好的格柵安裝在壓實(shí)平整的場地上，主受力方向應(yīng)垂直于道床軸線。它由釘子和土壤和巖石壓力固定。鋪設(shè)網(wǎng)格的主力方向最好是全長無接縫。腹板之間的連接可以手動(dòng)打結(jié)和重疊。關(guān)節(jié)應(yīng)交錯(cuò)。大面積鋪設(shè)后，整體調(diào)整其直線度。填滿一層土后，在滾動(dòng)前，應(yīng)手動(dòng)或用機(jī)器再次張緊格柵，用力要均勻，使格柵在土壤中處于張緊受力狀態(tài)。③填料的選擇：應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇填料。實(shí)踐證明，除凍土、沼澤土、生活垃圾、白堊土、硅藻土外，均可作填料。但礫石土和沙土的力學(xué)性能穩(wěn)定，不受含水量的影響，應(yīng)優(yōu)先選用，但需注意控制填料級配，保證壓實(shí)重量。④填料攤鋪與壓實(shí)：網(wǎng)格鋪設(shè)定位后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行填料覆蓋，曝曬時(shí)間不得超過48小時(shí)。也可采用鋪設(shè)、回填的流動(dòng)作業(yè)方式。先在兩端鋪上填料，固定格柵，然后向中間推。滾動(dòng)的順序是先兩邊再中間。在軋制過程中，壓輥不能直接接觸鋼筋。未壓實(shí)的鋼筋一般不允許車輛在其上行駛，以免鋼筋錯(cuò)位。次層壓實(shí)為20-30cm。壓實(shí)程度必須滿足設(shè)計(jì)要求，這也是加筋土工程成敗的關(guān)鍵。⑤防排水措施：在加筋土工程中，必須對墻體內(nèi)外進(jìn)行排水處理；必須做好足部保護(hù)以防止侵蝕；土體必須設(shè)置過濾和排水措施，必要時(shí)應(yīng)安裝巖土工程。布和玻纖土工格柵是一種優(yōu)良的土工合成材料，用于路面加固、舊路加固、路基和軟土地基加固。已成為處理瀝青路面反射裂縫不可替代的材料。該產(chǎn)品是采用高強(qiáng)度無堿玻璃纖維，采用國際先進(jìn)的經(jīng)編技術(shù)，制成網(wǎng)狀基材和表面涂層處理而成的半硬質(zhì)產(chǎn)品。經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度高，伸長率低，具有耐高溫、耐寒性低、耐老化、耐腐蝕等優(yōu)良性能。廣泛應(yīng)用于瀝青路面、水泥路面和路基加固以及路基、堤防護(hù)坡、機(jī)場跑道、防沙治沙等鐵路工程項(xiàng)目。

在本文的數(shù)值模擬中，考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，土工格柵與鐵路道床的接觸采用鑲嵌的方式，以鐵路道床為主體，將土工格柵內(nèi)嵌至鐵路道床中的中間位置，并且假定他們之間不會(huì)產(chǎn)生相對滑動(dòng)。此步驟需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)分析步，分別為道床整體和土工格柵整體，并在“集”選項(xiàng)中將兩個(gè)部分分別選中為嵌入部分和鑲嵌主體。鑲嵌裝配后的鐵路道床模型如圖4所示。成功裝配后創(chuàng)建相互作用，將土工格柵以內(nèi)嵌的形式作用于鐵路道床中，并在道床上施加與加筋時(shí)相同的約束和火車均布荷載。

圖4 土工格柵在鐵路道床中的鋪設(shè)位置

2 計(jì)算結(jié)果及分析

未用土工格柵加固和使用土工格柵加固時(shí)鐵路道床的塑性應(yīng)變云圖如圖5所示。發(fā)現(xiàn)無論加筋還是未加筋條件下，鐵路道床中的塑性區(qū)集中于枕木下方。未加筋時(shí)，道床內(nèi)部最大塑性應(yīng)變?yōu)?.00×10-3，采用土工格柵加筋后道床內(nèi)部最大塑性應(yīng)變降低至1.86×10-3。此外，未加筋時(shí)道床內(nèi)部塑性區(qū)面積大于加筋時(shí)的情況，采用土工格柵加筋后，塑性區(qū)被限制在土工格柵的上方，說明鋪設(shè)土工格柵有助于阻止塑性區(qū)在道床內(nèi)部的擴(kuò)展。

圖5 鐵路道床塑性應(yīng)變云圖

未用土工格柵加固和使用土工格柵加固時(shí)鐵路道床的沉降量如圖6所示。道床內(nèi)部沉降主要來自于枕木下方，在未使用土工格柵加固的條件下，最大沉降為4.3×10-4m，在使用土工格柵加固后，道床內(nèi)部最大沉降降低至2.77×10-4m。土工格柵的鋪設(shè)對降低道床頂部的沉降具有好處，可以防止鐵路道床產(chǎn)生不均勻沉降。此外，由強(qiáng)度折減法得到的未用土工格柵加筋及使用土工格柵加筋條件下鐵路道床的安全系數(shù)由1.591提升至1.750，說明在道床內(nèi)部鋪設(shè)土工格柵能夠提高鐵路道床的整體穩(wěn)定性。

圖6 鐵路道床內(nèi)部沉降云圖

未用土工格柵加固和使用土工格柵加固時(shí)鐵路道床內(nèi)部應(yīng)力分布云圖如圖7所示。從應(yīng)力分布云圖可以看出，在列車載荷作用下，枕木下方區(qū)域的應(yīng)力相對均勻，由道床內(nèi)部向道床外部逐漸遞減。但是采用土工格柵加筋后，道床內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生改變，應(yīng)力較大區(qū)域集中于土工格柵附近，說明此時(shí)土工格柵已經(jīng)參與承擔(dān)道床頂部的列車載荷，且在水平方向提供明顯約束，限制鐵路道床的橫向位移，從而增加鐵路道床的穩(wěn)定性。

圖7 鐵路道床內(nèi)部應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

本文通過有限元方法建立了土工格柵加筋鐵路道床的數(shù)值模型，采用強(qiáng)度折減法對鐵路道床內(nèi)部的塑性應(yīng)變分布、沉降量、應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算，通過對比加筋與未加筋條件下的數(shù)值結(jié)果對鐵路道床中土工格柵的加固作用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鋪設(shè)土工格柵能夠阻止塑性區(qū)在道床內(nèi)部的擴(kuò)展，能夠降低道床內(nèi)部的最大塑性應(yīng)變以及沉降量。使用土工格柵加筋能夠改善道床內(nèi)部應(yīng)力分布，此時(shí)應(yīng)力主要集中與土工格柵附近，土工格柵能夠提供在水平方向提供約束，提高整體道床的穩(wěn)定性。