淺談地面沉降對(duì)路基上雙塊式無(wú)砟軌道平順性的影響論文

　　無(wú)砟軌道對(duì)下部基礎(chǔ)沉降變形特別敏感。高速鐵路基礎(chǔ)沉降會(huì)導(dǎo)致軌下基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的變形，軌道平順性顯著降低，引起較大的輪軌動(dòng)力響應(yīng)�；�礎(chǔ)不均勻沉降直接影響軌道系統(tǒng)安全服役狀態(tài)和使用壽命，影響旅客的舒適性和行車的安全性，因此需要對(duì)下部基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。

　　國(guó)內(nèi)外高速鐵路都要求對(duì)線下工程進(jìn)行變形控制，將沉降限制在某一范圍內(nèi)。已有相關(guān)文獻(xiàn)，從路基不均勻沉降角度，對(duì)無(wú)砟軌道的受力、行車安全等方面進(jìn)行了探討，并提出不均勻沉降的限值及軌道整治措施，但缺少地面不均勻沉降對(duì)無(wú)砟軌道平順性影響的相關(guān)研究。地面沉降的成因機(jī)制復(fù)雜，且具有發(fā)展緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、難以預(yù)測(cè)防治等特點(diǎn)，相對(duì)路基沉降而言其與上部結(jié)構(gòu)平順性的關(guān)系更為復(fù)雜。對(duì)地面不均勻沉降與軌道、路基變形之間的關(guān)系開(kāi)展研究，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

　　本文基于雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特性，考慮無(wú)砟軌道-路基-地面多層空間結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系，基于所建立有限元分析模型對(duì)地面不均勻沉降與無(wú)砟軌道變形之間的關(guān)系展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，為高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)提供理論參考。

　　1 理論模型的建立

　　1.1 模型建立

　　鐵路地基大都屬于彈性地基，符合溫克爾假定，常用的無(wú)砟軌道及下部基礎(chǔ)理論分析模型分為以下三種：疊合梁模型、梁-板模型及梁-體模型。疊合梁模型在計(jì)算線路縱向彎矩時(shí)，忽略了其他彎曲方向的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，為平面計(jì)算模型，模型理論簡(jiǎn)單，且結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大；梁-板模型符合無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力情況，更能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，但難以真實(shí)模擬路基土體；梁-體模型自由度多、后處理復(fù)雜，但是與無(wú)砟軌道實(shí)際工作情況最為接近，特別適用于結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)采用。

　　路基地段雙塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、無(wú)砟道床、支承層、基床表層、基床底層、地面土體等組成，見(jiàn)圖 1 所示。本文主要針對(duì)地面沉降下軌道結(jié)構(gòu)平順性開(kāi)展研究，考慮無(wú)砟道床為板狀多層結(jié)構(gòu)，采用梁-板模型能很好模擬鋼軌及無(wú)砟道床；考慮到土體在傳遞荷載過(guò)程中的重要性及其彈塑性質(zhì)，采用更能精細(xì)模擬土體應(yīng)力及變形行為的實(shí)體單元。因此，本文基于有限元軟件 ABAQUS 建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，綜合了梁板、梁體模型各自的優(yōu)勢(shì)。為了減少計(jì)算量，模型取半結(jié)構(gòu)，并施加對(duì)稱約束。

　　模型沿線路縱橫向的尺度均較大，以降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建�；�本假定如下：

　　1) 考慮重力作用下地應(yīng)力平衡，不考慮路基工后沉降，僅對(duì)地面沉降加以模擬。

　　2) 鋼軌模擬為彈性點(diǎn)支承梁，與道床板之間采用線性空間彈簧連接。

　　4) 采用板殼單元模擬道床板及支承層，之間采用均勻分布的非線性彈簧模擬接觸面狀態(tài)，彈簧的剛度根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性模量及厚度進(jìn)行換算。

　　5) 土體采用實(shí)體單元，只考慮其彈性行為，采用接觸單元模擬支承層與土體間層間接觸行為。

　　1.2 模型參數(shù)

　　對(duì)于多種因素影響的地面沉降曲線型式，相關(guān)文獻(xiàn)多將沉降假定為下凹的曲線圓弧。通過(guò)對(duì)沉降范圍的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線擬合，發(fā)現(xiàn)沉降型式更接近余弦曲線。

　　2 地面沉降幅值的影響

　　地面沉降成因復(fù)雜，沉降波長(zhǎng)范圍內(nèi)沉降量也相差較大。根據(jù)地面不均勻沉降幅值的不同，選取以下 6 種工況(波幅/波長(zhǎng))分別進(jìn)行計(jì)算。

　　3 地面沉降范圍的影響

　　地面不均勻沉降范圍對(duì)路基上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)平順性有不同程度的影響。在保持沉降幅值不變的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同沉降范圍，提出以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

　　4 其他型式地面不均勻沉降的影響

　　基礎(chǔ)不均勻沉降型式主要有三種：一種為余弦型不均勻沉降，一般發(fā)生在路基上，且最常見(jiàn)。而在路橋過(guò)渡段或其他過(guò)渡段地區(qū)，會(huì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)型或者折角型不均勻沉降。本文以此為基礎(chǔ)，計(jì)算相同沉降量 h 下不同地面沉降型式對(duì)無(wú)砟軌道平順性的影響，并進(jìn)行比較及分析。

　　不同型式地面沉降下，鋼軌的最大下沉量列于鋼軌下沉曲線。錯(cuò)臺(tái)型和折角型不均勻沉降型式下的鋼軌沉降量遠(yuǎn)大于余弦型沉降型式下的鋼軌沉降量，在較短范圍內(nèi)劇烈過(guò)渡。當(dāng)出現(xiàn)沉降量較大的錯(cuò)臺(tái)型不均勻沉降和折角型不均勻沉降時(shí)，無(wú)砟軌道均難以產(chǎn)生跟隨性變形，軌面不平順和軌下空吊等現(xiàn)象將同時(shí)存在。

　　5 結(jié)論

　　本文針對(duì)高速鐵路雙塊式無(wú)砟軌道區(qū)域地面不均勻沉降問(wèn)題，建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，分析了沉降幅值、沉降范圍和沉降型式等對(duì)軌道系統(tǒng)平順性的影響，得出以下結(jié)論：

　　(1) 沉降幅值對(duì)上部結(jié)構(gòu)變形影響顯著。地面沉降幅值和上部結(jié)構(gòu)最大下沉量在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，且結(jié)構(gòu)下沉與余弦型曲線基本吻合。

　　(2) 在沉降波長(zhǎng)一定的情況下，鋼軌、道床板等各層結(jié)構(gòu)的下沉量差異不是很大，但是隨著沉降幅值的增加，結(jié)構(gòu)層之間會(huì)逐漸出現(xiàn)離縫現(xiàn)象。

　　(3) 隨著地面沉降范圍的增加，各結(jié)構(gòu)的下沉量也隨之增加，兩者的關(guān)系是一條逐漸趨于平緩的曲線，而結(jié)構(gòu)之間的貼靠將隨著沉降范圍的增大趨于嚴(yán)密。

　　(4) 錯(cuò)臺(tái)型和折角型沉降型式對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的下沉量影響更為顯著，且其變化要在較短范圍內(nèi)劇烈過(guò)渡，對(duì)軌道的平順性有更大的影響。

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