地面沉降對路基上單元板式無砟軌道平順性的影響分析

趙立寧,蔡小培,曲 村

(北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

1 研究背景

無砟軌道已成為我國高速鐵路軌道的主要結構形式,在實際工程中大量應用。高速鐵路對軌道的平順性提出了更高要求,然而無砟軌道對于沉降變形卻十分敏感。路基是鐵路線路工程的一個重要組成部分,是承受軌道結構重力和列車荷載的基礎,也是線路工程中最薄弱最不穩定的結構構成[1]。高速鐵路路基變形會導致軌下基礎產生較大的變形,軌道的垂向平順性明顯降低,高速運營條件下,大大影響無砟軌道的受力和變形,引起較大的輪軌動力響應,造成車體垂向加速度、輪軌力、無砟軌道結構應力的增加,會使無砟軌道開裂。路基不均勻沉降直接影響列車運行的舒適度和安全性,對于無砟軌道更是直接影響到其安全使用壽命[2],因此需要對沉降進行嚴格控制。

國內外對于高速鐵路線下基礎已從路基不均勻情況下無砟軌道的受力、行車安全和路基沉降限值等角度進行了探討[3-11]。但是針對地面不均勻沉降及軌道結構層的變化對無砟軌道結構平順性的影響,國內外尚缺乏相關研究。地面沉降會引發軌道變形,影響軌道的平順性,當沉降變形過大時,甚至會威脅列車的運行安全。因此,研究地面沉降作用下的無砟軌道平順性具有重要的理論意義與應用價值。

2 理論模型的建立

2.1 模型建立

為了更好地模擬實際情況,本文建立了路基上單元板式無砟軌道-路基模型,包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、支承層、路基。鋼軌可視為彈性點支承梁,扣件采用點彈簧模擬,軌道板、CA砂漿層、支承層和路基采用三維實體進行模擬。該模型不僅能夠有效反映結構空間受力及變形情況,還能模擬層間的離縫狀態。單元板式無砟軌道-路基-地面簡化模型如圖1所示。

圖1 板式無砟軌道-路基簡化模型

單元板式無砟軌道-路基模型在建立過程中,充分考慮了實際工程情況,在施加地面沉降位移荷載前進行了地應力平衡；沿線路縱向及橫向,模型的尺度均有較大冗余,以此來降低邊界效應對計算結果的影響；為簡化計算過程,在此取軌道的一半建立模型進行研究計算,并在對稱面施加對稱約束。因此,所建立的模型具有較高的真實模擬性,計算時應用了有限元方法。

2.2 模型參數

目前,對于無砟軌道路基地段不均勻沉降曲線,國內建議采用的是余弦型沉降曲線,波長20 m[12]。本文中亦采用余弦型沉降曲線作為地面沉降參數。余弦型不均勻沉降曲線如圖2所示。

圖2 余弦型不均勻沉降曲線

在波長范圍內,沿線路縱向(Z)的表達式為

式中,f0表示波深,Z表示不均勻沉降的位置坐標,l為波長。板式無砟軌道-路基有限元模型參數取值如表1所示。

表1 板式無砟軌道-路基-地面模型參數取值

3 地面沉降幅值對軌道平順性的影響

為了研究地面沉降幅值對軌道平順性的影響,根據地面不均勻沉降幅值的不同,選取幾種工況分別進行計算(波幅mm/波長m)，見表2。

表2 不同不均勻沉降幅值工況 mm/m

在不同沉降工況下,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層的最大下沉量如表3所示。

表3 板式無砟軌道各結構層的最大下沉量 mm

由表3可以看出在不同工況下,無砟軌道各結構層的沉降量不同,但總體上沉降量都隨著地面沉降量的增大而增大。在同一種工況下,軌道結構各層的沉降量也不同,但相差不多,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層的沉降量從上到下依次增加。軌道結構和路基的沉降量不同,是由于軌道結構之間的相互作用關系較強,且軌道結構的剛度要比路基的大,所以軌道結構的沉降量相對于路基要小,并且導致軌道結構層與路基之間有離縫出現。隨著沉降幅值的增大,離縫現象將會更加明顯。在地面沉降幅值為5 mm時,支承層和基床之間的離縫為0.11 mm,當地面沉降幅值為30 mm時,支承層和基床之間的離縫則可達0.82 mm。

在15 mm和25 mm沉降波幅情況下(工況3與工況5)鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及基床底層沿線路方向的縱向下沉曲線如圖3、圖4所示。

圖3 15 mm/20 m地面沉降下各結構層的下沉曲線

圖4 25 mm/20 m地面沉降下各結構層的下沉曲線

從圖3、圖4中可以看出,在地面發生沉降時,無砟軌道發生跟隨性的沉降,各結構層的變形曲線與余弦型曲線非常接近,且各結構層沉降曲線基本重合,隨著沉降幅值的增加,各結構層的下沉量也隨之增加,基本呈線性增長的趨勢。在波長20 m的范圍之外,鋼軌、軌道板、CA砂漿層、支承層、基床表層及底層均產生了微小上拱現象,隨著沉降量的加大,上拱現象表現越來越明顯,這將會影響軌道的平順性。

不同沉降幅值下的軌道板下沉曲線如圖5所示。

圖5 軌道板在不同工況下的沉降位移

由圖5可看出，軌道板在地面發生不同沉降幅值下的沉降曲線不同,軌道板最大沉降值隨著地面沉降幅值的增大而增大,其沿線路方向的沉降變化與余弦型曲線相似,最大沉降發生在中部,與不均勻沉降波谷所處位置相對應,且沉降最大值近似呈線性關系。不難看出,其他各結構層的下沉量與沉降幅值也基本呈現出線性關系。

4 無砟軌道結構層厚度對軌道平順性的影響

無砟軌道結構層由不同特性的材料組成,其厚度不僅影響工程的造價,更影響到軌道結構的整體穩定性和剛度,在地面發生沉降時影響到無砟軌道的平順性。為了研究各結構層厚度會對地面沉降作用下的無砟軌道平順性的影響,在20 mm/20 m沉降工況下將無砟軌道中軌道板、CA砂漿層和支承層的厚度分別增加20 mm和40 mm進行模擬計算(工況7、工況8、工況9),并將其結果與標準厚度下的結果進行對比分析(表4)。

表4 不同厚度下無砟軌道各結構層最大沉降值 mm

由表4可以看出,在地面發生沉降情況下,無砟軌道結構層厚度的不同使得無砟軌道各結構層的沉降值也會不同,并且呈現出一定的規律。隨著各結構層厚度的增大,在地面沉降作用下軌道各層的沉降值在逐漸減小,但是變化幅度并不是很大。各結構層沉降值的減小是由于結構層厚度的增加使得無砟軌道整體剛度有所增大,提高了軌道抵抗變形的能力。

由圖6可以看出,在不同支承層厚度下所得的地面沉降作用下的軌道各結構層的沉降曲線幾乎重合。這說明增大無砟軌道各結構層的厚度雖然可以增大無砟軌道的剛度,提高其整體抵抗變形的能力,使其在沉降情況下發生的沉降變形減小,降低對軌道平順性的影響,但是效果并不十分明顯。

圖6 不同支承層厚度下軌道板沉降位移

5 軌道結構層間離縫對軌道平順性的影響

在運營過程中,無砟軌道在機車車輛荷載作用和自然條件影響下,隨著通過總重的累積,各結構層間的粘合度將會下降,甚至出現離縫。無砟軌道結構層間離縫的出現,會對無砟軌道的平順性造成很大的影響,使線路平順性惡化,軌道結構及部件產生傷損,旅客舒適度降低,養護維修費用增加。為了研究各結構層之間出現離縫時在地面發生沉降情況下對無砟軌道平順性的影響,在此將地面沉降作用下各結構層離縫狀態下所得的計算結果與完好狀態下所得的計算結果進行對比分析。

無砟軌道中軌道板與CA砂漿層之間、CA砂漿層與支承層之間和支承層與基床表層之間出現離縫時在地面發生20 mm/20 m沉降情況下計算所得的無砟軌道各結構層最大沉降值如表5所示。

表5 離縫狀態下無砟軌道各結構層最大沉降值 mm

由表5可以看出,在地面發生沉降時,無砟軌道各結構層間出現離縫時的沉降量要比無砟軌道處于完好狀態的沉降量大,尤其是當支承層與基床表層之間出現離縫時,其最大沉降量會比完好狀態下大1 mm左右。這說明無砟軌道各結構層間離縫的存在會對軌道的平順性產生很大的影響。

圖7 不同離縫狀態下軌道板沉降位移

由圖7可以看出,在地面發生沉降時,無砟軌道結構層之間出現離縫情況下的沉降曲線與完好狀態下的有明顯的不同。在發生離縫狀態下,無砟軌道各結構層的沉降值要比完好狀態下的沉降值大,對軌道平順性的不利影響也更大,尤其是在支承層與基床表層之間出現離縫狀態時。這是由于在發生離縫時,無砟軌道各結構層之間的相互作用減小了,降低了無砟軌道的整體穩定性。因此,在實際工程中要嚴格控制無砟軌道各結構層之間出現離縫,以免影響軌道的平順性,降低行車舒適性。

6 結論

本文針對地面不均勻沉降對單元板式無砟軌道平順性的影響,主要從地面沉降幅值、無砟軌道各結構層厚度變化及結構層間出現離縫對軌道不平順性的影響進行了相關研究,得出以下結論。

(1)在地面發生沉降時,無砟軌道會發生跟隨性的沉降,無砟軌道各結構層的沉降量不同,從上到下各結構層沉降值依次增大,但差異并不是很大。

(2)在地面發生沉降時,無砟軌道各結構層的沉降量都隨著地面沉降幅值的增大而增大,且近似呈線性增長,各結構層之間會出現離縫。

(3)在地面發生沉降情況下,增大無砟軌道各結構層的厚度可以減小無砟軌道的沉降量,降低地面沉降對軌道平順性的影響,但是效果并不十分明顯。

(4)在地面發生沉降情況下,無砟軌道結構層之間出現離縫情況下的沉降比完好狀態下的沉降量大,對軌道平順性的不利影響也更大。因此,應加強對無砟軌道各層結構之間離縫的監測,一旦發現盡快進行維修。

[1] 秦文權.客運專線復合地基上無砟軌道路基沉降的控制與計算分析研究[D].長沙：中南大學,2008：6-7.

[2] 冷長明.高速鐵路地基不均勻沉降的因素及機理分析[J].高速鐵路技術,2011,2(3):5-8.

[3] 陳鵬,高亮,馬鳴楠.高速鐵路路基沉降限值及其對無砟軌道受力的影響[J]. 工程建設與設計,2008(5):63-66.

[4] 王森榮,趙坪銳,孫立.無砟軌道基礎變形影響計算方法的研究[J].鐵道標準設計,2008(4):72-74.

[5] 韓義濤,姚力.基礎沉降對土路基上板式軌道動力性能影響分析[J].鐵道工程學報,2007(10):28-31.

[6] Xu Qingyuan, Li Bin. Study on spatial mechanical characteristic of high-speed railway ballastless slab track on subgrade[J]. Advanced Materials Research, 2012(503-504):1010-1015.

[7] 姜輝.路基不均勻沉降對無砟軌道結構受力影響分析[J].中國科技財富,2009(6):47.

[8] 靳忠.淺談無砟軌道鐵路路基沉降控制[J].鐵道標準設計,2009(9):24-26.

[9] 周萌,宮全美,王炳龍.路基不均勻沉降值對板式軌道動力響應的影響[J].鐵道標準設計,2010(10):1-4.

[10] 劉茹冰,張士杰.路基沉降不均對板式軌道受力的影響分析[J].路基工程,2009(1):142-143.

[11] 徐慶元,李斌,范浩.路基不均勻沉降對列車-路基上無砟軌道耦合系統動力特性的影響[J].鐵道科學與工程學報,2012,9(3):13-19.

[12] 周順華,李堯臣.路基不均勻沉降的解析解[J].力學季刊,2011,32(1):1-9.