路基不均勻沉降對CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

陳 攀

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023)

無砟軌道與有砟軌道相比具有穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)、維修工作量少等優(yōu)點，在國內(nèi)、外已得到了較為廣泛的應(yīng)用，目前我國高速鐵路和客運專線基本以無砟軌道為主。CRTSⅡ型板式無砟軌道是一種縱向連續(xù)配筋的混凝土結(jié)構(gòu)，在路基地段由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)、底座板等組成，如圖1所示[1]。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

高速鐵路具有高速度和高密度的特點[2]，對安全性和舒適性有著很高要求。由于無砟軌道軌道板剛度較大，一旦路基或橋梁發(fā)生不均勻沉降，將影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力，雖然客運專線無砟軌道軌下基礎(chǔ)部分沉降變形可通過調(diào)整鋼軌扣件來減小或消除，但鋼軌扣件調(diào)整量是非常有限的，且僅依靠扣件調(diào)整不能消除不均勻沉降引起的軌道結(jié)構(gòu)之間的空吊問題[3]。目前，我國很多地區(qū)由于過度開采地下水導(dǎo)致大面積的區(qū)域性沉降，其中以環(huán)渤海和長三角地區(qū)最為顯著[4]。地面區(qū)域性沉降引起高速鐵路基礎(chǔ)的沉降變形，使線路產(chǎn)生不平順，影響列車運行，縮短了軌道結(jié)構(gòu)使用壽命。在高速運營條件下，會使軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，鋼軌和扣件局部受力，引起較大的輪軌動力響應(yīng)，造成車體垂向加速度、輪軌力、無砟道床應(yīng)力的增加，對行車平穩(wěn)性、舒適性和安全性都會產(chǎn)生不利的影響[5-6]。國內(nèi)外已有較多關(guān)于不均勻沉降對無砟軌道影響的分析，但CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)不同于其他無砟軌道結(jié)構(gòu)，其軌道板通過連接鎖件連接起來形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，不均勻沉降對其軌道結(jié)構(gòu)受力的影響更加復(fù)雜，有必要針對不均勻沉降對CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析研究[7]。

本文參考京滬高速鐵路現(xiàn)場反饋的實測路基沉降數(shù)據(jù)，基于有限元分析理論，建立軌道-路基不均勻沉降力學(xué)模型及有限元模型，分析了路基不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形特性，提出了CRTSⅡ型板式無砟軌道路基不均勻沉降的容許限值，為該新型軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一定理論參考。

1 計算條件

1.1 計算模型及關(guān)鍵參數(shù)

采用有限元分析方法，建立包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、支承層和路基在內(nèi)的CRTSⅡ板式無砟軌道的力學(xué)模型(如圖2所示)和有限元分析模型，模型中包含鋼軌、彈性不分開式扣件、預(yù)制軌道板、CA砂漿調(diào)整層、支承層及路基等；模型中軌道板、CA砂漿層與支承層三者層間粘結(jié)，支承層與路基面之間層間可以滑動，模型中各軌道結(jié)構(gòu)組成部分的材料參數(shù)如表1所示?？紤]到不影響計算精度且最大程度上消除邊界效應(yīng)，模型中取軌道板長度為64 m，且模型兩端采用全約束[8]。

圖2 不均勻沉降力學(xué)模型圖

表1 各軌道結(jié)構(gòu)組成部分材料參數(shù)表

1.2 計算工況

計算時主要考慮不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的受力特性，本文參考京滬高速鐵路現(xiàn)場反饋的實測路基沉降數(shù)據(jù)，總結(jié)提煉出京滬高速鐵路沿線區(qū)域性沉降的典型線型模型，作為模型中不均勻沉降的位移荷載。為了簡化計算，模型中路基上采用ymm/20 m的“漏斗形”沉降曲線(y為不同的沉降量)。參照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中對靜輪載的規(guī)定，最大垂向靜輪載取75 kN；路基不均勻沉降取0 mm/20 m、10 mm/20 m、15 mm/20 m、20 mm/20 m、25 mm/20 m、30 mm/20 m 6種工況，分析路基不均勻沉降與靜輪載共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的受力特性。

2 計算結(jié)果分析

2.1 不均勻沉降荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)受力分析

2.1.1 不均勻沉降荷載作用下軌道板受力分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)會發(fā)生彎曲變形，同時軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。不同沉降荷載與列車荷載共同作用下的軌道結(jié)構(gòu)各部件的第一主應(yīng)力如表2和圖3所示。

表2 不同沉降工況下軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值(MPa)

圖3 不同沉降荷載工況下軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化曲線圖

由表2可以看出，沉降量為0時，軌道結(jié)構(gòu)各部件受力較小，隨著沉降的出現(xiàn)和發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值迅速增長；軌道板靜力荷載作用下最大拉應(yīng)力為0.87 MPa，且隨著沉降量的增加其值呈線性迅速增長，當(dāng)沉降量大于10 mm/20 m時，軌道板已處于開裂工作狀態(tài)，最大應(yīng)力為1.6 MPa，當(dāng)沉降量大于30 mm/20 m時，軌道板已經(jīng)破壞，最大應(yīng)力為 4.81 MPa；CA砂漿層、支承層和路基表層的初始拉應(yīng)力均較小，沉降量為 30 mm/20 m 時，其拉應(yīng)力峰值分別為0.56 MPa、1.14 MPa和0.310 MPa。不同沉降工況下，路基表層拉應(yīng)力的峰值分別為0.029 MPa、0.1 MPa、0.16 MPa、0.21 MPa、0.26 MPa、0.31 MPa，均能夠滿足強(qiáng)度要求。

不同沉降工況所導(dǎo)致的軌道板正截面彎矩和拉力峰值均小于控制指標(biāo)。為更好地看出軌道結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力隨沉降增長的發(fā)展規(guī)律，將沉降量為10 mm/20 m時軌道各組成部分的應(yīng)力峰值作為參照，繪制各沉降工況下軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展趨勢曲線，如圖4所示。

由圖3可以看出，當(dāng)沉降量達(dá)到10 mm/20 m時，各軌道結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力和沉降量基本呈直線型關(guān)系。這一規(guī)律對于監(jiān)控沉降對軌道結(jié)構(gòu)安全性能的影響具有十分重要的意義。

2.1.2 不均勻沉降荷載作用下扣件系統(tǒng)受力分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)會發(fā)生彎曲變形，由于扣件系統(tǒng)對鋼軌的約束作用，會使扣件產(chǎn)生較大的應(yīng)力，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致彈條斷裂。不同沉降荷載作用下扣件所受的豎向力和縱向力如圖4、圖5所示。

圖4 不同沉降荷載下扣件豎向力變化曲線圖

圖5 不同沉降荷載下扣件縱向力變化曲線圖

由圖4可以看出，不同沉降荷載作用下，扣件豎向力的變化曲線基本重合，由此可以看出不均勻沉降荷載對扣件豎向力的影響很小，因此扣件豎向力可以不作為不均勻沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。由圖5可以看出，隨著不均勻沉降荷載的增大，扣件縱向力的變化趨勢基本一致，但扣件縱向力隨著不均勻沉降的增加而增大，當(dāng)沉降量為10 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為 1 698.4 N，當(dāng)沉降量為30 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為 3 798.9 N，相對于沉降量為10 mm/20 m時，增大了2.24倍。

2.2 不均勻沉降荷載對軌道結(jié)構(gòu)空吊問題的影響分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生彎曲變形，由于軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的材料性能不同，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的變形不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空吊問題。

列車荷載與不同沉降量共同作用下軌道各結(jié)構(gòu)的垂向變形曲線如圖6所示。

圖6 不同沉降量下軌道結(jié)構(gòu)垂向位移變化情況圖

由圖7可以看出，不均勻沉降量對軌道結(jié)構(gòu)的垂向變形有顯著的影響，沉降量分別為10 mm/20 m、15 mm/20 m、20 mm/20 m、25 mm/20 m、30 mm/20 m時，軌道板的最大垂向位移分別為：10.151 mm、14.526 mm、18.920 mm、23.313 mm、27.706 mm。若以沉降量10 mm/20 m時為參照，則其他工況垂向位移分別達(dá)到143.10%、186.39%、229.66%、272.94%，這一發(fā)展趨勢對于軌道結(jié)構(gòu)的受力是非常不利的。

由于軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的材料性能不同，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的變形不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空吊問題，軌道結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在沉降中心處，為了能夠更好的反映出軌道結(jié)構(gòu)的空吊問題，本文將位于沉降中心的軌道板上表面和路基表層的豎向位移進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 相對沉降曲線圖

由圖7可以看出，隨著不均勻沉降量的增大，軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移也隨著增大，當(dāng)沉降量小于20 mm/20 m時，軌道板的沉降量總是大于路基表層的沉降量，說明軌道板與路基表層沉降的跟隨性較好，軌道結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)空吊問題；當(dāng)沉降量為25 mm/20 m時，軌道板的沉降量小于路基表層的沉降量，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空吊問題，并且隨著沉降量的增大，軌道結(jié)構(gòu)的空吊問題越來越嚴(yán)重，當(dāng)沉降量為30 mm/20 m時，軌道結(jié)構(gòu)的空吊值達(dá)到0.68 mm，為了使軌道結(jié)構(gòu)在運營期間不產(chǎn)生空吊問題，建議路基不均勻沉降量應(yīng)小于20 mm/20 m。

2.3 路基不均勻沉降控制指標(biāo)建議值

目前，我國高速鐵路應(yīng)用的無砟軌道扣件系統(tǒng)的高度調(diào)節(jié)量調(diào)整量一般為-4～+26 mm，可滿足沉降限值20 mm/20 m的要求?；A(chǔ)的沉降可全部由扣件調(diào)高量來抵消，從而實現(xiàn)鋼軌零沉降的要求。由于空吊是軌道結(jié)構(gòu)層間由于沉降和變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的，空吊作為一種軌道結(jié)構(gòu)破壞形式具有一定的特殊性，扣件調(diào)高量只作用于鋼軌與軌道板之間，扣件調(diào)高量不能解決軌道板與下部結(jié)構(gòu)之間的空吊問題。吊空一旦發(fā)生，只能采用工程措施進(jìn)行修復(fù)。因此，本文認(rèn)為吊空一旦發(fā)生，無砟軌道結(jié)構(gòu)即視為破壞，并應(yīng)考慮一定安全儲備，建議路基不均勻沉降限值取20 mm/20 m。

3 結(jié)論

本文基于有限元分析方法，綜合考慮了路基不均勻沉降和列車荷載共同作用下對CRTSⅡ型板式無砟軌道的影響分析，得到以下結(jié)論：

(1)在路基不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)彎曲變形，同時軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力；隨著不均勻沉降的出現(xiàn)和發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值迅速增長；軌道板靜力荷載作用下最大拉應(yīng)力為0.87 MPa，且隨著沉降量的增加其值呈線性迅速增長，當(dāng)沉降量大于10 mm/20 m時，軌道板的最大拉應(yīng)力值達(dá)到1.8 MPa，軌道板已處于開裂工作狀態(tài)。

(2)不均勻沉降對扣件豎向受力的影響不大；對其縱向受力影響較大，扣件縱向力隨著不均勻沉降的增加而增大；當(dāng)沉降量為10 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為1 698.4 N，當(dāng)沉降量為30 mm/20 m時，扣件的最大縱向力增大了2.24倍。

(3)不同沉降荷載工況下，軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的變形曲線基本一致，隨著不均勻沉降量的增大，軌道結(jié)構(gòu)豎向位移也隨之增大；當(dāng)沉降量小于20 mm/20 m時，軌道板的沉降量總是大于路基表層的沉降量；當(dāng)沉降量為25 mm/20 m時，軌道板的沉降量小于路基表層的沉降量，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空吊，并且隨著沉降量的增大，軌道結(jié)構(gòu)的空吊問題越來越嚴(yán)重，為了使軌道結(jié)構(gòu)在運營期間不產(chǎn)生空吊問題，建議路基不均勻沉降量應(yīng)小于20 mm/20 m。