不均匀沉降对无砟轨道路基动力特性的影响

王启云，张家生，孟 飞

(1.福建工程学院土木工程学院， 福州 350108；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

不均匀沉降对无砟轨道路基动力特性的影响

王启云1，张家生2，孟 飞2

(1.福建工程学院土木工程学院， 福州 350108；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

为探讨不均匀沉降对高速铁路无砟轨道路基动力特性的影响，建立CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统的三维动力有限元模型，计算并对比分析有病害和无病害条件下路基的竖向动应力、动位移及振动加速度在空间上的分布规律，结果表明路基不均匀沉降导致无砟轨道路基的动力响应幅值及其空间分布规律发生明显的改变，且主要集中在支承层宽度范围、路基面以下0～1.5m深度内。由不均匀沉降引起路基动应力幅值可达100kPa，为无病害路基的3倍以上，动加速度幅值为无病害路基的2倍以上，在列车循环荷载作用下沉降区域将加速扩大，对路基产生非常不利的影响。

无砟轨道；路基；不均匀沉降；动力响应；分布规律

1 概述

目前，国内外大量的研究人员从理论[1-2]、试验[3-4]、数值计算[5-6]等方面对高速铁路无砟轨道路基动力响应特性进行了研究，且取得了很多成果。由于在高速列车荷载作用下无砟轨道路基动力响应异常复杂，现有的研究工作仍滞后于工程实践，其中关于铁路路基病害对其动力特性影响的研究较少。铁路为大型线路工程，往往穿越多种地貌单元，同时由于技术水平、施工工艺、经济条件、降雨入渗及列车荷载反复作用等方面的原因[7-8]，各种路基病害时有发生。铁路路基病害按发生部位可分为地基病害、路基本体病害和基床病害；按表现形式可分为挤出变形、下沉、翻浆冒泥和边坡失效；按路基面形状可分为路堑病害和路堤病害[9]。迄今为止，国内已经有多条铁路出现过路基病害，如朔黄线[9]、京九线[10]、胶济线[11]。路基作为无砟轨道的支承结构，是列车-无砟轨道-路基系统中非常重要的部分。路基病害严重影响无砟轨道结构的使用和列车的高速、安全、平稳运行。因此在高速列车荷载作用下，病害条件下无砟轨道路基的动应力、动位移、动加速度等响应特性及其分布规律有待研究。

基于此，本文建立CRTSⅡ型板式无砟轨道路基三维有限元模型，计算了不均匀沉降和无病害条件下路基的动应力、动位移及动加速度，探讨了不均匀沉降对路基动力特性及其分布规律的影响。

2 无砟轨道路基有限元模型

参考京沪高速铁路单线填方路基的尺寸，采用ANSYS建立CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基体系的三维动力有限元分析模型，其中钢轨采用BEAM188梁单元，扣件采用COMBIN14弹簧-阻尼单元，轨道板、CA砂浆、支承层、路基各结构层均采用SOLID45实体单元。无砟轨道中结构均采用线弹性模型，路基各结构均采用粘弹性本构模型。为减小路基边界上波的反射，得到了更为精确的动力响应计算结果，同时节省计算成本，将计算模型中平行于线路方向的两个路基侧面和路基的底面施加三维一致粘弹性边界单元[12]，同时约束垂直于线路方向的两个边界面沿线路走向的位移。扣件的等效刚度为40 MN/m，阻尼系数为35 kN/m·s-1。模型计算长度为26 m，计算深度为路基表面以下9.7 m。其他主要计算参数见表1、表2。

表1 有限元模型几何参数

表2 有限元模型材料参数

由于研究主要对象是路基，故忽略无砟轨道结构的细部构造，例如配筋、轨道接缝，且不考虑不平顺等复杂因素引起的列车动荷载的变化，将轮轨力简化为匀速移动恒荷载，施加的激力为2个相邻车厢的8对轮载[13]。通过上述步骤建立的无砟轨道-路基有限元模型见图1。

图1 无砟轨道路基有限元模型

针对路基中常发生的不均匀沉降，在有限元模型中设置如图2所示的病害。

图2 路基不均匀沉降示意

3 动力特性分析

3.1 幅值分析

将无路基病害条件下列车荷载对无砟轨道-路基系统的作用记为工况1，路基不均匀沉降条件下列车荷载对无砟轨道-路基系统的作用记为工况2。利用三维动力有限元模型计算得到这两种工况扣件处无砟轨道-路基系统的动力响应幅值，见表3。

表3 无砟轨道-路基系统动力响应幅值

说明:BCBM表示基床表层表面，BCDM表示基床底层表面，DCDM表示基床底层底面。

由表3可知，当路基出现不均匀沉降时，其动力响应幅值有很大变化，主要表现为路基下沉区域上方轨道结构加速度和位移明显增大，其中支承层的加速度增加幅度可达98%，而下沉部位正下方路基的动力响应指标明显变小，这是由于下沉区域的路基表面和无砟轨道结构没有直接接触，动力响应主要由土体应力扩散产生。

3.2 动力响应分布

(1)竖向动应力

在工况1和工况2条件下，路基的动应力幅值随深度的分布曲线见图3，沿横向的(垂直线路方向)分布曲线见图4，图例中钢轨表示钢轨正下方，中心表示路基正中心下方，支承层表示支承层边缘正下方，括号中1表示工况1，2表示工况2(下同)。

图3 动应力竖向分布

图4 动应力横向分布

从图3可以看出，当路基中存在不均匀沉降时，其动应力幅值沿深度分布规律与无病害路基情况差别较大，主要表现在：路基沉降中心处，动应力幅值在基床表层表面以下0-1.5 m呈线性增加的趋势，基床表层表面1.5 m以下的动应力幅值分布规律与无路基病害时的动应力幅值分布规律基本一致；路基下沉边缘部位，在基床表层内的动应力幅值及衰减率远大于正常情况。路基无病害时，基床表层表面中心的动应力幅值为11.5 kPa，在路基出现不均匀沉降时，基床表层表面中心的动应力幅值达到47.8 kPa，增加幅度达3倍以上，在下沉边缘与支承层交界处应力幅值更是达到了102 kPa，对此处的路基土体产生破坏性作用，路基沉降范围将持续扩大。

从图4可以看出，当路基发生不均匀沉降时，对于下沉中心部位，随着与路基中心距离的增大，基床内动应力幅值减小，且无明显的峰值现象。由于路基下沉导致基床表层表面的应力为0，而基床表层底面在支承层范围内随着与路基中心距离增大而缓慢减小，当基床表层底面处于支承层范围以外时，随着与路基中心距离增大基床表层底面的动应力迅速减小，且无明显的峰值现象。对于路基下沉边缘部位，动应力幅值在横向分布规律上与正常情况基本一致，但支承层宽度范围内，基床表层表面的应力幅值为正常情况下应力幅值的3倍以上。

(2)竖向动位移

在工况1和工况2条件下，路基的动位移幅值随深度的分布曲线见图5，沿横向的分布曲线见图6。

图5 动位移竖向分布

从图5中可以看出，在路基无病害时，路基动位移随着深度的增加而减小，且不同位置处的动位移幅值、衰减率较为一致。路基面下方3 m处竖向动位移幅值衰减为路基面的1/2左右。当路基中存在不均匀沉降时，对于下沉中心部位，在基床表层表面以下0～1 m的范围内动位移幅值几乎无变化，支承层边缘正下方路基的动位移幅值小于其他位置。

从图6中可以看出，在路基无病害时，基床表层表面和底面处动位移幅值在支承层范围内变化较小，在支承层范围以外则呈弧线形减小的趋势；基床底层底面处的位移随着与路基中心距离的增加逐渐减小。在基床底层底面路基中心位移约为0.22 mm，在基床底层底面离路基中心3.8 m时位移接近于0，说明列车荷载对支承层宽度范围内的路基作用明显，而对支承层以外的路基部分作用有限。当路基中存在不均匀沉降时，动位移在横向的分布与无路基病害时基本一致。

(3)加速度

在工况1和工况2条件下，路基的动加速度幅值沿深度的分布曲线见图7，沿横向的分布曲线见图8。

图7 加速度竖向分布

图8 加速度横向分布

从图7中可知，无病害时，路基的加速度的衰减主要集中在路基面以下0～1.5 m范围内，衰减率达75%以上。当路基中存在不均匀沉降时，对于下沉中心部位，由于无动荷载的直接作用，在路基面以下0～1 m的范围内动加速度远小于正常情况下的动加速度，且变化很小。对于下沉边缘部位，在路基面以下0～1 m的范围内动加速度为正常情况下的动加速度2倍以上，衰减主要在路基面以下0～1.5 m范围内，衰减率达88%。路基面1.5 m以下，路基中不同位置处的动加速度幅值及其横向分布规律与正常情况下趋于一致。

从图8中可知，在路基无病害时，加速度在基床横向分布规律与竖向动应力较为相似，不同之处在于加速度在横向断面的峰值位置处于钢轨正下方，而动应力的峰值位置处于支承层边缘。在混凝土支承层宽度范围内路基的加速度较大，在此之外的区域，加速度沿横向迅速衰减，说明与轨道接触范围内路基的振动较大，轨道范围之外的区域路基振动较弱。

当路基中存在不均匀沉降时，对于下沉中心部位，随着与路基中心距离增大，加速度逐渐减小，基床表层表面与底面的动加速度横向分布规律一致。对于下沉边缘，基床表层表面的动加速度幅值大于正常情况下的动加速度幅值，在支承层范围内总体上呈缓慢减小的趋势；在支承层范围以外，随着与路基中心距离的增大，动加速度迅速减小，且逐渐与正常情况下动加速度横向分布规律趋于一致。

4 结论

本文建立了高速铁路无砟轨道-路基三维动力有限元模型，计算并分析了无病害和不均匀沉降条件下路基的动力响应幅值及其空间的分布规律，得到如下结论。

(1)不均匀沉降导致无砟轨道路基的动应力、加速度大小及其分布规律发生明显改变，且主要集中在支承层宽度范围内路基面以下0～1.5 m，尤其是基床表层，因此必须严格控制路基上部结构层填筑质量，加强路基结构的稳定性。

(2)路基不均匀沉降引起基床表层动应力幅值可达102 kPa，为无病害路基条件下动应力幅值的3倍以上，动加速幅值为无病害路基的2倍以上，对路基填料的破坏作用加剧，不均匀沉降区域将加速扩大，对路基产生非常不利的影响，建议在路基出现不均匀沉降时应立即进行处理。

[1] 王其昌.道岔过渡段设置条件的动力学性能分析[J].铁道标准设计，1999(12):24-28.

[2] 聂志红，刘宝琛，李亮，等.移动荷载作用下轨道路基动力响应分析[J]. 中国铁道科学，2006，27(2):15-19.

[3] 吴波.高速铁路不同细粒土基床底层结构动力特性测试分析[J].铁道标准设计，2008(4):63-65.

[4] 张泉，罗强.遂渝铁路刚性路基动应力测试分析[J].铁道标准设计，2006(2):18-20.

[5] 董亮，赵成刚，蔡德均，等.高速铁路无砟轨道路基动力特性数值模拟和试验研究[J].土木工程学报，2008，41(10):81-86.

[6] 梁波，孙常新.高速铁路路基动力响应中的双峰现象分析[J].土木工程学报，2006，39(9):117-122．

[7] 彭华，张鸿儒.铁路路基病害类型、机理及检测与整治技术[J].工程地质学报，2005，13(2):195-199．

[8] 王立军，张千里，赵洪勇，等.重载铁路路基病害及对策[J].铁道建筑，2005(7):67-68．

[9] 程博华.铁路路基病害的成因与整治措施[J].铁道建筑技术，2011(2):65-68．

[10] 叶朝良，于炳炎，李卫国.京九铁路某段路基病害调查[J].路基工程，2005(6):107-108.

[11] 郭秀军，韩宇，孟庆生.铁路路基病害无损检测车载探地雷达系统研制及应用[J].2006，27(5):139-144．

[12] 刘晶波，谷音，杜义欣.一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元[J].岩土工程学报，2006，28(9)：1070-1075．

[13] 王启云，张家生，孟飞，等.高速铁路轨道路基模型及动力加载研究[J].铁道学报，2012，34(12):90-95．

[14] 梁瑶，蒋楚生.基于轨道不平顺性的高速铁路路基结构动力响应分析[J].铁道标准设计，2012(12)：12-13.

[15] 赵立宁，蔡小培，曲村.地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响分析[J].铁道标准设计，2013(10)：15-18.

The Influence of Uneven Settlement on Dynamic Characteristics of Ballastless Track Subgrade

Wang Qiyun1， Zhang Jiasheng2， Meng Fei2

(1.College of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou350108， China; 2.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075， China)

In order to analyze the influence of uneven settlement on the dynamic characteristics of ballastless track subgrade， a 3-D dynamic finite element model of CRTSⅡ ballastless slab track subgrade is established， and the vertical dynamic stress， the dynamic displacement and the vibration acceleration of subgrade are calculated and analyzed under the conditions with and without defects. The results show that the dynamic response amplitude and spatial distribution of ballastless track subgrade are obviously changed in case of uneven settlement of subgrade， especially in subgrade 0～1.5 m depth within the scope of bearing Layer. The dynamic stress induced by uneven settlement may reach 100kpa， which is more than 3 times of the subgrade without defect. Vertical acceleration also increases more than twice of that without defect. Results also show that the area of uneven settlement develops at a higher rate under repeated train load， which may bring great negative impact on subgrade．

Ballastless track; Subgrade; Uneven settlement; Dynamic response; Distribution pattern

2014-01-14

铁道部专项科研基金项目(T2008046)；福建工程学院科研启动基金(GY-Z14003)

王启云(1986—)，男，讲师，2013年毕业于中南大学岩土工程专业，工学博士，E-mail：wangqiyun860519@163.com。

1004-2954(2014)10-0017-04

TU43

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.004