無砟軌道基床吸水膨脹上拱對(duì)高速列車的影響分析

， ，，

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

高速鐵路基床層是受列車動(dòng)力作用和水文氣候條件影響較大的部位，其狀態(tài)直接影響列車的平穩(wěn)性。當(dāng)基床層局部填料不慎混入膨脹土，在濕度場(chǎng)變化情況下可能導(dǎo)致基床層出現(xiàn)上拱病害。

以蘭新高速鐵路某段路基為例，2015年4月到2017年5月各病害占路基總病害數(shù)分別為：路基上拱占71.3%，路基上拱加軌道偏移占4.9%;軌道偏移占1.6%;路基沉降占5.7%;路基沉降加軌道偏移9.8%;周期性上拱6.7%。該段共發(fā)現(xiàn)路基上拱病害73處(見表1)，最大上拱量達(dá)16.2mm。局部基床層填料含有膨脹土(蒙脫石含量超限)，降雨或融雪時(shí)會(huì)引發(fā)濕度場(chǎng)變化，基床層吸水膨脹上拱導(dǎo)致軌道板傷損，如圖1所示。

表1 路基上拱量監(jiān)測(cè)值

圖1 典型的基床上拱病害

1 溫度場(chǎng)模擬土體膨脹

1.1 溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)對(duì)比

在微觀上，土體物理膨脹過程歸結(jié)為土顆粒粒徑變大和顆粒間距增加，如圖2所示。

圖2 土體物理膨脹過程

由圖2可知，溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)變化導(dǎo)致的土體膨脹過程中，土顆粒粒徑變大和顆粒間距增加的情形是相似的。工程實(shí)踐中，基床層局部填料膨脹也可以歸結(jié)為土顆粒粒徑變大和顆粒間距增加。

溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)的微分方程與濕度場(chǎng)非飽和滲流微分方程數(shù)學(xué)形式相似，即

(1)

(2)

式中：T為溫度;ρ為材料密度，Cv為材料比熱容；λx,λy,λz均為熱傳導(dǎo)系數(shù)；u為基質(zhì)吸力水頭；Cw為比水容量;kx,ky,kz均為滲透系數(shù)。

此外，溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)變化導(dǎo)致的土體膨脹方程數(shù)學(xué)形式亦相似，即

εij=βδijΔT

(3)

(4)

基于物理膨脹過程相似和微分方程數(shù)學(xué)形式相似，通過相似性可建立溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)關(guān)聯(lián)函數(shù)，即

(5)

1.2 關(guān)聯(lián)參數(shù)的確定

基于式(5)，通過試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果擬合確定了溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)關(guān)聯(lián)參數(shù)，從而模擬無砟軌道基床吸水膨脹上拱過程。

在土盒中開展自然吸水膨脹試驗(yàn)(圖3)，土盒尺寸為61.8 mm×20.0 mm。配置初始含水率為6%,10%和14%的重塑土樣，控制土樣的相對(duì)壓實(shí)度為96%。在恒定20 ℃溫度條件下，將土樣置于灌水托盤中自然吸水膨脹直到穩(wěn)定，觀測(cè)最終膨脹量和最終含水率。試驗(yàn)結(jié)果得到：初始含水率6%,10%，14%的土樣最終膨脹量分別為1.98,1.12，0.70 mm，對(duì)應(yīng)的最終含水率分別為28%,23%，22%。

圖3 吸水膨脹試驗(yàn)

建立數(shù)值計(jì)算模型，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。采用數(shù)值模擬逼近自然吸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果的方法確定溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)參數(shù)，基本力學(xué)與轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)參數(shù)見表2。表中E為彈性模量；ν為泊松比；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

表2 不同土體含水率基本力學(xué)與轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)參數(shù)

圖4 溫度線膨脹系數(shù)與土體含水率變化關(guān)系

溫度線膨脹系數(shù)與土體含水率變化關(guān)系如圖4所示，可知β與ln(Δw)呈很好的線性關(guān)系。因此，可采用溫度傳導(dǎo)膨脹過程模擬基床層填料吸水膨脹過程，即含水率變化導(dǎo)致的膨脹速率采用溫度變化導(dǎo)致的溫度線膨脹系數(shù)β代替。

由圖4得到β與Δw之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

β=2.893ln(Δw)-3.60

(6)

1.3 應(yīng)用分析

依據(jù)表1工程案例，建立溫度變化導(dǎo)致的線膨脹有限元模型，模型參數(shù)參見表2。模擬無砟軌道基床層含水率從10%增加至23%時(shí)的膨脹上拱量。初始含水率為10%，對(duì)應(yīng)的初始溫度T0=0 ℃；最終含水率為23%，對(duì)應(yīng)的最終溫度T1=100 ℃。計(jì)算過程中，含水率變化量相對(duì)應(yīng)的溫度線膨脹系數(shù)為3.9×10-4。路基膨脹上拱數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 路基膨脹上拱數(shù)值計(jì)算結(jié)果(單位：m)

計(jì)算得到上拱量最大值為16.66 mm，實(shí)測(cè)上拱量最大值為16.2 mm。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，說明采用溫度傳導(dǎo)膨脹過程模擬基床層填料吸水膨脹過程可行，同時(shí)證明了溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)關(guān)聯(lián)參數(shù)的正確性。

2 局部上拱對(duì)列車的影響分析

2.1 列車膨脹路基耦合計(jì)算模型

圖6 列車膨脹路基耦合計(jì)算

基床表層、非膨脹基床層、路基本體、地基等結(jié)構(gòu)采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，參數(shù)見表4?；矊泳植颗蛎泤^(qū)土體參數(shù)參見表2。為研究不同土體含水率變化量對(duì)軌面上拱量的影響，選取含水率變化量為5%,10%,15%,20%和25%，由式(6)計(jì)算得到的溫度線膨脹系數(shù)分別為1.05×10-4,3.06×10-4,4.23×10-4,5.06×10-4,5.71×10-4。

表3 軌道系統(tǒng)構(gòu)件參數(shù)

表4 非膨脹路基填料參數(shù)

2.2 列車影響分析

在擬定的基床層膨脹區(qū)加載與濕度場(chǎng)變化對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)，計(jì)算得到了基床層局部膨脹區(qū)含水率變化量為5%,10%,15%,20%和25%的軌面在膨脹區(qū)域中部的最大值，如圖7所示?？芍首兓仍礁撸矊泳植课蛎洰a(chǎn)生的軌面上拱量越大。含水率變化量分別為5%，10%，15%，20%，25%時(shí)，軌面上拱量的最大值分別為3.95,11.03,15.12,18.08,20.23 mm。另外，因基床層局部膨脹區(qū)吸水膨脹導(dǎo)致的軌面不平順在膨脹區(qū)域中部最為嚴(yán)重，并且含水率變化幅度越大，不平順越明顯。

圖7 基床層膨脹軌面上拱量

圖8 加載時(shí)程曲線

圖9 輪對(duì)加速度時(shí)程曲線

由圖9可知，列車的最大豎向加速度遠(yuǎn)大于橫向加速度，表現(xiàn)出以豎向加速度為主的趨勢(shì)。土體吸水膨脹作用主要發(fā)生在路基豎向，對(duì)路基橫向的影響較小。計(jì)算結(jié)果表明無砟軌道基床局部吸水膨脹上拱對(duì)高速列車影響顯著。當(dāng)含水率變化量分別為5%,10%,15%,20%,25%時(shí)，對(duì)應(yīng)的列車最大豎向加速度分別為6.01,8.98,11.55,12.81,15.35 m /s2。

3 基床上拱病害等級(jí)劃分

依據(jù)吸水膨脹上拱程度對(duì)無砟軌道基床局部膨脹上拱病害等級(jí)進(jìn)行劃分。參考已有經(jīng)驗(yàn)[13-17]，采用綜合影響因素等級(jí)評(píng)分(B值)方法，可將該類病害劃分為3個(gè)等級(jí)，見表5。

表5 無砟軌道基床膨脹上拱病害等級(jí)

注：Ⅰ級(jí)病害(嚴(yán)重)：病害很嚴(yán)重，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行，需要限速，須立即整治；Ⅱ級(jí)病害(較重)：病害較嚴(yán)重，并且正在惡化，明顯影響列車運(yùn)行，接近可調(diào)極限，應(yīng)盡快整治；Ⅲ級(jí)病害(一般)：病害已經(jīng)出現(xiàn)，有惡化傾向，對(duì)列車運(yùn)行有影響，尚且可調(diào)，需近期整治，防止病害進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)論

1)基于溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)膨脹相似性，采用土體溫度傳導(dǎo)膨脹過程模擬土體吸水膨脹過程，通過數(shù)值模擬逼近方法確定了溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)轉(zhuǎn)化的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

3)考慮吸水膨脹上拱產(chǎn)生的加速度增量，采用綜合影響因素等級(jí)評(píng)分(B值)方法，將無砟軌道基床層吸水膨脹上拱病害劃分為3個(gè)等級(jí)。