路基沉降量对整体道床受力变形及混凝土开裂的影响研究

杨延强

摘要：研究主要针对现阶段采用的连续浇筑的钢筋混凝土整体道床板展开，通过有限元软件ANSYS建立无砟轨道整体道床实体模型，分析了道床板混凝土首次、第二次及第三次开裂时的高速铁路路基沉降量，并研究了这三种沉降量下裂缝分布、道床板应力及道床板位移等特性的变化规律；对10、15、20、25、30、35、40（单位mm/20 m）等不同沉降量下整体道床板的开裂，以及该沉降工况下的道床板位移与道床板应力发展规律进行了研究，并分析了其原因，在此基础上得出了高速铁路路基沉降对道床板受力变形及混凝土开裂的影响关系。

关键词：高速铁路；路基沉降；整体道床；受力变形；混凝土开裂

中图分类号：U21文献标志码：A

0引言

整体道床作为平铺在路基上的钢筋混凝土板式封闭结构，对路基沉降变形特别敏感，路基的沉降会导致其出现变形、位移和开裂等问题。不仅会因列车荷载作用使整体道床受力性能发生变化而导致行车不平顺、不安全；还会影响整体道床的结构耐久性。一旦出现路基沉降，轨道结构系统会在自重作用下发生相应的随性下沉，并逐渐向新的静平衡状态趋于稳定，从而导致道床板混凝土开裂以及轨道平面产生初始几何不平顺，上部轨道结构和下部路基结构之间产生局部脱空，在结构自重以及列车高速运行的冲击振动作用下，混凝土产生裂缝并不断扩展，逐渐形成横向贯通裂缝，混凝土作为保护层对钢筋的保护作用逐渐减弱甚至消失，从而加速了化学侵蚀、冻融循环、碳化、钢筋锈蚀、碱集料反应等，这严重影响了整体道床的整体性、耐久性等。所以研究路基沉降量对整体道床受力变形及混凝土开裂的影响是非常有必要且迫切的。鉴于此，本论述结合实际工程，对高速铁路路基沉降导致的整体道床受力变形及开裂开展了研究。

1研究现状

目前，针对路基沉降和整体道床受力变形问题，国内外诸多学者进行了相应的分析研究。

Wang X等[1]对各国无砟轨道路基不均匀沉降模型及其分析研究做了综述，对无砟轨道随路基不均匀沉降的长期变形进行了模拟。Guo Y等[2]建立了无砟轨道岔区沉降预测模型，利用迭代的思维，预测了路基不均匀沉降对无砟轨道道床板变形以及轨道线型不平顺的影响。高琨等[3-6]从路基不均匀沉降的沉降机理、发展规律以及预测方法等方面进行了分析研究。石现峰[7]分析了路基不均匀沉降作用下无砟轨道道床板与底座板的附加弯矩变化情况，研究了路基不均匀沉降幅值与附加弯矩之间的关系。郝远行[8]分析了无砟轨道在列车荷载作用下，不同裂纹工况下的应力强度因子，运用断裂准则，判断了裂纹的失稳扩展情况。赵坪锐[9]研究了基础变形对无砟轨道的受力影响，对无砟轨道附加弯矩受其基础变形的影响展开了研究，提出了无砟轨道在路基变形下的受力分析方法。马军旺[10]分析了在路基不均匀沉降下，路基岔区无砟轨道的力学行为，确定了无砟轨道结构易因路基不均匀沉降而引发破坏的部位。

可以看到，虽然学者进行了一定的试验和数值模拟研究，但是较多的是围绕路基不均匀沉降的变形及其发生机理和混凝土裂缝理论层面展开研究，因此展开路基沉降量对整体道床受力变形及混凝土开裂的影响研究极具价值且意义重大。

2有限元模型建立

ANSYS是目前应用最为广泛的一款国际通用的多功能大型有限元分析软件，因其易于求解与高精度等特点而受到各界人员的青睐，加之其建模能力强、求解能力强、非线性分析能力强等优势而广泛应用于结构等多个领域，因此本论述选取ANSYS进行分析研究。

2.1模型几何尺寸及其物理参数

结合实际工程建立有限元模型，整体道床几何尺寸及材料物理相关参数见表1所列。

2.2单元类型合理选取

钢轨采用Beam188单元进行模拟；扣件采用Com？ bin14单元来模拟；轨枕、道床板、支撑层与路基采用Solid65，通过设定不同的特性分别进行模拟；考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移作用，利用分离式方法进行建模，钢筋采用Link8进行模拟。

2.3材料本构关系

2.3.1混凝土本构关系

式中：σc—混凝土压应变为εc时的混凝土压应力；

fc—混凝土轴心抗压强度设计值；

εc—混凝土压应变；

ε0—混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变，取

2×10-3；

εcu—正截面的混凝土极限压应变，取3.5×10-3；

n—系数，当计算的n值大于2.0时，取2.0。

2.3.2钢筋本构关系

在进行钢筋单项加载时，钢筋应力应变曲线一般由弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段等组成。结合精度要求，采用双线性模型（如图2所示）来进行钢筋的模拟，公式如式（2）。

2.4模型建立

利用有限元软件ANSYS建立双块式无砟轨道实体模型，自上而下依次由钢轨、扣件、轨枕、道床板、支承层和路基等组成，模型如图3、图4所示。

3道床板混凝土開裂及其受力变形数值分析

提取道床板首次开裂时的云图，如图5所示，以红色圆圈表示道床板首次出现的混凝土裂缝。

当路基沉降为7.2 mm/20 m时，道床板首次开裂，由图5看出，首次出现的裂缝位于道床板沉降区域跨中沿列车前进方向一定距离处，靠近伸缩缝，分别提取此时的道床板应力及位移如图6、图7所示。

由图6可知，当沉降量为7.2 mm/20 m时，道床板位移最大值位于沉降区域跨中部位，但是对于沿跨中向其两边相同距离处，沿列车前进方向位移较大（记列车前进方向为X=0→X=20 m）。

由图7发现，道床板混凝土应力变化分布规律类似于道床板位移，即最大值位于沉降区域跨中部位，对于沿跨中向其两边相同距离处，沿列车前进方向应力较大。

4道床板开裂规律及受力变形分析

在分析了道床板首次开裂的基础上，分别提取并分析道床板第二次及第三次开裂的道床板应力和道床板位移变化规律，通过分析可知，道床板混凝土首次、第二次及第三次开裂的裂缝位置均位于道床板沉降区域跨中沿列车前进方向一定距离处，且靠近伸缩缝；此外道床板位移与道床板应力最大值均位于沉降区域跨中部位，但是对于沿跨中向其两边相同距离处，沿列车前进方向位移较大，造成该现象的原因则是：其一是伸缩缝处钢筋混凝土不连续，导致应力集中现象出现；其二是由于路基沉降引起的线路线型不平顺导致列车出现“超重”现象以及对钢轨的冲击作用。

为更直观地对其进行分析，将前三次混凝土开裂时的沉降量和该沉降工况下的道床板位移及应力进行绘图，分别如图8、图9所示。

由图8、图9可知：道床板首次开裂时的沉降量较小，且此时的道床板位移及应力也相对较小；第二次与第三次开裂时的沉降量相差较小，且两者相对于首次开裂时数值均较大，此外后两次开裂时的道床板位移及应力也相对较大。主要是新旧混凝土粘结与伸缩缝的存在、高速铁路列车运行速度块以及载重大等原因导致首次开裂出现较早，当首次开裂后的较长一段沉降量内混凝土并未再次开裂，直至沉降量超过15 mm/ 20 m后的16.4 mm/20 m时道床板出现第二次开裂，此时已有局部区域混凝土出现轻微压碎现象，且道床板与路基间发生脱空现象，所以，与第二次开裂仅相差1.4 mm/20 m之后的17.8 mm/20 m时，道床板出现第三次开裂。

5道床板混凝土裂缝发展规律及其受力变形分析

分别提取沉降量为10、15、20、25、30、35、40（单位mm/20 m）时的裂缝发展情况并对其做绘图处理，分别如图10、图11所示。

由图10与图11可知：当沉降量小于30 mm/20 m时，随着沉降量的增大道床板位移和道床板应力均不断增大，且其增长率也呈增大的趋势。当沉降量超过30 mm/20 m时，道床板位移和道床板应力依然随着沉降量的增大而增大，但是其增长率呈减小的趋势。

6结论

（1）当路基沉降为7.2 mm/20 m时，道床板首次出现混凝土裂缝，当路基沉降为16.4 mm/20 m时，道床板第二次出现混凝土裂缝；当路基沉降为17.8mm/20m时，道床板第三次出现混凝土裂缝，裂缝位置位于道床板沉降区域跨中沿列车前进方向一定距离处，且靠近伸缩缝。

（2）当路基发生沉降后，道床板发生跟随性沉降，路基沉降幅值越大，轨道线型不平顺越明显，混凝土开裂现象越严重。

（3）道床板位移与道床板应力最大值均位于沉降区域跨中部位，但是对于沿跨中向其两边相同距离处，沿列车前进方向位移较大，造成该现象的原因则是：其一是伸缩缝处钢筋混凝土不连续，导致应力集中现象出现；其二是由于路基沉降引起的线路线型不平顺导致列车出现“超重”现象以及对钢轨的冲击作用。

（4）无砟轨道道床板混凝土裂缝主要集中在车辆“驶入”沉降区域处和车辆“驶离”沉降区域处及其一定范围内，裂缝数量居于最多，其次是集中在沉降区域跨中位置处，最后是沉降段与未沉降段接触处混凝土开裂较为严重，且其数量随着路基沉降的增大而增加，此外在相同沉降工况下车辆“驶离”沉降区域处相比车辆“驶入”沉降区域处开裂较为严重。

参考文献：

[1]Wang X，Ding L，Gao W，et al. Research on Subgrade Differ？ ential Settlement Control Standard and Treatment Technology Based on Driving Comfort[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2020（9）：1-14.

[2]Guo Y，Zhai W. Long-term prediction of track geometry deg？ radation in high-speed vehicle–ballastless track system due to differential subgrade settlement[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2018（113）：1-11.

[3]高琨.高速铁路轨下基础长期变形预测方法研究[J].山西建筑，2020，46（7）：124-126.

[4]Li X，Palsson B A，Nielsen J. Simulation of track settlement in railway turnouts[J]. Vehicle System Dynamics，2014，52（S1）：421-439.

[5]涂仁盼，冷伍明，聂如松，等.朔黄重载铁路某路桥过渡段沉降监测及预测[J].铁道科学与工程学报，2019，16（6）：1412-1419.

[6]乔旭.高铁路基工程变形观测方案设计与实施[J].测绘与空间地理信息，2012（12）：220-223.

[7]石现峰.高速铁路无砟轨道结构的设计理论研究[D].北京：铁道部科学研究院，2007.

[8]郝遠行.基于断裂力学的连续双块式无砟轨道裂纹扩展研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[9]赵坪锐.客运专线无碴轨道设计理论与方法研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[10]马军旺.路基不均匀沉降对岔区无砟轨道结构力学特性的影响研究[D].北京：北京交通大学，2011.