基于ABAQUS的土工格栅加筋铁路道床稳定性分析

郑春明 ZHENG Chun-ming；白金泉 BAI Jin-quan

（①兴安盟交通运输局行政审批服务中心，乌兰浩特 137400；②兴安盟交通局事业发展中心，乌兰浩特 137400）

0 引言

铁路道床是铁路的重要部分，起到将列车行驶时产生的压力分散传递至路基[1]，使轨枕不产生纵向和横向滑移[2]，便于排水等作用，以确保列车的运行安全。然而，由于铁路道床独特的结构性质，在长期往复的列车载荷作用下容易产生不均匀沉降，需要定期养护维修，费用昂贵。研究铁路道床的稳定性及加固措施对列车的安全运行及减低后期养护维修费用均具有重要意义。目前，研究人员已对铁路道床的稳定性做了一些有益的研究。刘华丽等人通过拉格朗日法修正与正应力有关的平衡方程，得到了不同的参数值，这些参数值可作为评定边坡稳定的安全系数[3]。刘杰等人将极限平衡法与有限元强度折减法结合，对安全系数的计算原理进行了较深入的分析，总结了这两类方法分别的优势和缺点，研究表明，有限元强度折减法可以模拟更加复杂的地质、地貌下的边坡，同时在求解安全系数时不用重新假定滑移面的状貌[4]。

通过适当的加固措施可降低列车往复载荷下铁路道床不均匀沉降。土工格栅目前广泛应用于公路、铁路、路基增强和路面增强等领域，有着高强度，强稳定性，不易延伸等优点。针对土工格栅在铁道工程中的应用目前也有一些有益的工作。Raymond等人通过若干缩尺模型试验研究了土工格栅铺设位置对道床顶部沉降的影响，发现土工格栅的安放位置越接近轨枕底面，降低顶部沉降的效果越明显[5]。邵帅等人通过建立加筋铁路道床的离散元数值模型研究了土工格栅对铁路道床的加固机理，发现土工格栅能够在道床内部提供水平约束，从而降低道床的横向位移与顶部沉降[6]。

本文针对加筋铁路道床的结构特点，分别建立了铁路道床和土工格栅的有限元模型，并将土工格栅嵌入到铁路道床中。通过道床顶部沉降、塑性应变分布、安全系数的对比分析，分析土工格栅对铁路道床的加固效果。

1 加筋铁路道床有限元模型

铁路道床作为轨枕及上部载荷的承载结构，需要承受上部的列车荷载。在本文中，将列车荷载视为作用于铁路道床上表面的均布载荷。考虑到铁路道床横截面的对称性质，有限元模型只考虑道床横截面的右半部分，道床的左侧施加水平方向位移约束，道床底部施加竖直方向位移约束。铁路道床底部长度为2.15m，顶部长度为1.5m，高度为0.375m，宽度为0.2m。通过六面体单元对铁路道床模型进行网格剖分，共1440个单元，如图1所示。铁路道床的材料参数如表1所示。

表1 铁路道床材料参数

图1 铁路道床有限元模型

土工格栅是一种土木工程中常用的土工合成材料，与其他土工合成材料相比，它具有独特的性能与功效，常用作加筋土结构的筋材或复合材料的筋材等。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和聚酯经编涤纶土工格栅四大类。格栅是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，当作为土木工程使用时，称为土工格栅。在已建立的铁路道床有限元模型中，需要加入土工格栅。因此，单独创建土工格栅的竖直模型。土工格栅的模型建立参考其实际形状，如图2所示。创建以线为基础的三维土工格栅模型，如图3所示。土工格栅网孔尺寸为长40mm、宽40mm的正方形网格，总长度为1.825m，宽度与铁路道床模型的长度相同为0.2m。土工格栅的弹性模量E为200GPa，泊松比μ为0.25。

图2 真实土工格栅结构

图3 土工格栅有限元模型

工程土工格栅的施工方法包括：①将施工现场压实平整，清除尖刺和突起物；②铺设土工格栅：将铺设好的格栅安装在压实平整的场地上，主受力方向应垂直于道床轴线。它由钉子和土壤和岩石压力固定。铺设网格的主力方向最好是全长无接缝。腹板之间的连接可以手动打结和重叠。关节应交错。大面积铺设后，整体调整其直线度。填满一层土后，在滚动前，应手动或用机器再次张紧格栅，用力要均匀，使格栅在土壤中处于张紧受力状态。③填料的选择：应根据设计要求选择填料。实践证明，除冻土、沼泽土、生活垃圾、白垩土、硅藻土外，均可作填料。但砾石土和沙土的力学性能稳定，不受含水量的影响，应优先选用，但需注意控制填料级配，保证压实重量。④填料摊铺与压实：网格铺设定位后，应及时进行填料覆盖，曝晒时间不得超过48小时。也可采用铺设、回填的流动作业方式。先在两端铺上填料，固定格栅，然后向中间推。滚动的顺序是先两边再中间。在轧制过程中，压辊不能直接接触钢筋。未压实的钢筋一般不允许车辆在其上行驶，以免钢筋错位。次层压实为20-30cm。压实程度必须满足设计要求，这也是加筋土工程成败的关键。⑤防排水措施：在加筋土工程中，必须对墙体内外进行排水处理；必须做好足部保护以防止侵蚀；土体必须设置过滤和排水措施，必要时应安装岩土工程。布和玻纤土工格栅是一种优良的土工合成材料，用于路面加固、旧路加固、路基和软土地基加固。已成为处理沥青路面反射裂缝不可替代的材料。该产品是采用高强度无碱玻璃纤维，采用国际先进的经编技术，制成网状基材和表面涂层处理而成的半硬质产品。经纬向拉伸强度高，伸长率低，具有耐高温、耐寒性低、耐老化、耐腐蚀等优良性能。广泛应用于沥青路面、水泥路面和路基加固以及路基、堤防护坡、机场跑道、防沙治沙等铁路工程项目。

在本文的数值模拟中，考虑现场实际情况，土工格栅与铁路道床的接触采用镶嵌的方式，以铁路道床为主体，将土工格栅内嵌至铁路道床中的中间位置，并且假定他们之间不会产生相对滑动。此步骤需要创建两个分析步，分别为道床整体和土工格栅整体，并在“集”选项中将两个部分分别选中为嵌入部分和镶嵌主体。镶嵌装配后的铁路道床模型如图4所示。成功装配后创建相互作用，将土工格栅以内嵌的形式作用于铁路道床中，并在道床上施加与加筋时相同的约束和火车均布荷载。

图4 土工格栅在铁路道床中的铺设位置

2 计算结果及分析

未用土工格栅加固和使用土工格栅加固时铁路道床的塑性应变云图如图5所示。发现无论加筋还是未加筋条件下，铁路道床中的塑性区集中于枕木下方。未加筋时，道床内部最大塑性应变为3.00×10-3，采用土工格栅加筋后道床内部最大塑性应变降低至1.86×10-3。此外，未加筋时道床内部塑性区面积大于加筋时的情况，采用土工格栅加筋后，塑性区被限制在土工格栅的上方，说明铺设土工格栅有助于阻止塑性区在道床内部的扩展。

图5 铁路道床塑性应变云图

未用土工格栅加固和使用土工格栅加固时铁路道床的沉降量如图6所示。道床内部沉降主要来自于枕木下方，在未使用土工格栅加固的条件下，最大沉降为4.3×10-4m，在使用土工格栅加固后，道床内部最大沉降降低至2.77×10-4m。土工格栅的铺设对降低道床顶部的沉降具有好处，可以防止铁路道床产生不均匀沉降。此外，由强度折减法得到的未用土工格栅加筋及使用土工格栅加筋条件下铁路道床的安全系数由1.591提升至1.750，说明在道床内部铺设土工格栅能够提高铁路道床的整体稳定性。

图6 铁路道床内部沉降云图

未用土工格栅加固和使用土工格栅加固时铁路道床内部应力分布云图如图7所示。从应力分布云图可以看出，在列车载荷作用下，枕木下方区域的应力相对均匀，由道床内部向道床外部逐渐递减。但是采用土工格栅加筋后，道床内部的应力分布发生改变，应力较大区域集中于土工格栅附近，说明此时土工格栅已经参与承担道床顶部的列车载荷，且在水平方向提供明显约束，限制铁路道床的横向位移，从而增加铁路道床的稳定性。

图7 铁路道床内部应力分布云图

3 结论

本文通过有限元方法建立了土工格栅加筋铁路道床的数值模型，采用强度折减法对铁路道床内部的塑性应变分布、沉降量、应力分布进行了计算，通过对比加筋与未加筋条件下的数值结果对铁路道床中土工格栅的加固作用进行了分析。结果表明：铺设土工格栅能够阻止塑性区在道床内部的扩展，能够降低道床内部的最大塑性应变以及沉降量。使用土工格栅加筋能够改善道床内部应力分布，此时应力主要集中与土工格栅附近，土工格栅能够提供在水平方向提供约束，提高整体道床的稳定性。