路基不均勻沉降對CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的影響分析

陳 攀

(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司， 重慶 400023)

無砟軌道與有砟軌道相比具有穩定性高、剛度均勻性好、結構耐久性強、維修工作量少等優點，在國內、外已得到了較為廣泛的應用，目前我國高速鐵路和客運專線基本以無砟軌道為主。CRTSⅡ型板式無砟軌道是一種縱向連續配筋的混凝土結構，在路基地段由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)、底座板等組成，如圖1所示[1]。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道結構示意圖

高速鐵路具有高速度和高密度的特點[2]，對安全性和舒適性有著很高要求。由于無砟軌道軌道板剛度較大，一旦路基或橋梁發生不均勻沉降，將影響無砟軌道結構的受力，雖然客運專線無砟軌道軌下基礎部分沉降變形可通過調整鋼軌扣件來減小或消除，但鋼軌扣件調整量是非常有限的，且僅依靠扣件調整不能消除不均勻沉降引起的軌道結構之間的空吊問題[3]。目前，我國很多地區由于過度開采地下水導致大面積的區域性沉降，其中以環渤海和長三角地區最為顯著[4]。地面區域性沉降引起高速鐵路基礎的沉降變形，使線路產生不平順，影響列車運行，縮短了軌道結構使用壽命。在高速運營條件下，會使軌道結構產生裂紋，鋼軌和扣件局部受力，引起較大的輪軌動力響應，造成車體垂向加速度、輪軌力、無砟道床應力的增加，對行車平穩性、舒適性和安全性都會產生不利的影響[5-6]。國內外已有較多關于不均勻沉降對無砟軌道影響的分析，但CRTSⅡ型板式無砟軌道結構不同于其他無砟軌道結構，其軌道板通過連接鎖件連接起來形成連續結構，不均勻沉降對其軌道結構受力的影響更加復雜，有必要針對不均勻沉降對CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的影響進行分析研究[7]。

本文參考京滬高速鐵路現場反饋的實測路基沉降數據，基于有限元分析理論，建立軌道-路基不均勻沉降力學模型及有限元模型，分析了路基不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下軌道結構的受力及變形特性，提出了CRTSⅡ型板式無砟軌道路基不均勻沉降的容許限值，為該新型軌道結構相關行業標準的制定提供一定理論參考。

1 計算條件

1.1 計算模型及關鍵參數

采用有限元分析方法，建立包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、支承層和路基在內的CRTSⅡ板式無砟軌道的力學模型(如圖2所示)和有限元分析模型，模型中包含鋼軌、彈性不分開式扣件、預制軌道板、CA砂漿調整層、支承層及路基等；模型中軌道板、CA砂漿層與支承層三者層間粘結，支承層與路基面之間層間可以滑動，模型中各軌道結構組成部分的材料參數如表1所示。考慮到不影響計算精度且最大程度上消除邊界效應，模型中取軌道板長度為64 m，且模型兩端采用全約束[8]。

圖2 不均勻沉降力學模型圖

表1 各軌道結構組成部分材料參數表

1.2 計算工況

計算時主要考慮不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下軌道結構的受力特性，本文參考京滬高速鐵路現場反饋的實測路基沉降數據，總結提煉出京滬高速鐵路沿線區域性沉降的典型線型模型，作為模型中不均勻沉降的位移荷載。為了簡化計算，模型中路基上采用ymm/20 m的“漏斗形”沉降曲線(y為不同的沉降量)。參照TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》中對靜輪載的規定，最大垂向靜輪載取75 kN；路基不均勻沉降取0 mm/20 m、10 mm/20 m、15 mm/20 m、20 mm/20 m、25 mm/20 m、30 mm/20 m 6種工況，分析路基不均勻沉降與靜輪載共同作用下軌道結構的受力特性。

2 計算結果分析

2.1 不均勻沉降荷載作用下軌道結構受力分析

2.1.1 不均勻沉降荷載作用下軌道板受力分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結構會發生彎曲變形，同時軌道結構內部會產生較大的應力。不同沉降荷載與列車荷載共同作用下的軌道結構各部件的第一主應力如表2和圖3所示。

表2 不同沉降工況下軌道結構應力峰值(MPa)

圖3 不同沉降荷載工況下軌道結構應力變化曲線圖

由表2可以看出，沉降量為0時，軌道結構各部件受力較小，隨著沉降的出現和發展，軌道結構的應力峰值迅速增長；軌道板靜力荷載作用下最大拉應力為0.87 MPa，且隨著沉降量的增加其值呈線性迅速增長，當沉降量大于10 mm/20 m時，軌道板已處于開裂工作狀態，最大應力為1.6 MPa，當沉降量大于30 mm/20 m時，軌道板已經破壞，最大應力為 4.81 MPa；CA砂漿層、支承層和路基表層的初始拉應力均較小，沉降量為 30 mm/20 m 時，其拉應力峰值分別為0.56 MPa、1.14 MPa和0.310 MPa。不同沉降工況下，路基表層拉應力的峰值分別為0.029 MPa、0.1 MPa、0.16 MPa、0.21 MPa、0.26 MPa、0.31 MPa，均能夠滿足強度要求。

不同沉降工況所導致的軌道板正截面彎矩和拉力峰值均小于控制指標。為更好地看出軌道結構各部件應力隨沉降增長的發展規律，將沉降量為10 mm/20 m時軌道各組成部分的應力峰值作為參照，繪制各沉降工況下軌道結構應力發展趨勢曲線，如圖4所示。

由圖3可以看出，當沉降量達到10 mm/20 m時，各軌道結構的第一主應力和沉降量基本呈直線型關系。這一規律對于監控沉降對軌道結構安全性能的影響具有十分重要的意義。

2.1.2 不均勻沉降荷載作用下扣件系統受力分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結構會發生彎曲變形，由于扣件系統對鋼軌的約束作用，會使扣件產生較大的應力，嚴重情況下會導致彈條斷裂。不同沉降荷載作用下扣件所受的豎向力和縱向力如圖4、圖5所示。

圖4 不同沉降荷載下扣件豎向力變化曲線圖

圖5 不同沉降荷載下扣件縱向力變化曲線圖

由圖4可以看出，不同沉降荷載作用下，扣件豎向力的變化曲線基本重合，由此可以看出不均勻沉降荷載對扣件豎向力的影響很小，因此扣件豎向力可以不作為不均勻沉降的控制標準。由圖5可以看出，隨著不均勻沉降荷載的增大，扣件縱向力的變化趨勢基本一致，但扣件縱向力隨著不均勻沉降的增加而增大，當沉降量為10 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為 1 698.4 N，當沉降量為30 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為 3 798.9 N，相對于沉降量為10 mm/20 m時，增大了2.24倍。

2.2 不均勻沉降荷載對軌道結構空吊問題的影響分析

在不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結構會產生彎曲變形，由于軌道結構各組成部分的材料性能不同，導致軌道結構各組成部分的變形不協調，從而導致軌道結構出現空吊問題。

列車荷載與不同沉降量共同作用下軌道各結構的垂向變形曲線如圖6所示。

圖6 不同沉降量下軌道結構垂向位移變化情況圖

由圖7可以看出，不均勻沉降量對軌道結構的垂向變形有顯著的影響，沉降量分別為10 mm/20 m、15 mm/20 m、20 mm/20 m、25 mm/20 m、30 mm/20 m時，軌道板的最大垂向位移分別為：10.151 mm、14.526 mm、18.920 mm、23.313 mm、27.706 mm。若以沉降量10 mm/20 m時為參照，則其他工況垂向位移分別達到143.10%、186.39%、229.66%、272.94%，這一發展趨勢對于軌道結構的受力是非常不利的。

由于軌道結構各組成部分的材料性能不同，導致軌道結構各組成部分的變形不協調，從而導致軌道結構出現空吊問題，軌道結構的最大變形出現在沉降中心處，為了能夠更好的反映出軌道結構的空吊問題，本文將位于沉降中心的軌道板上表面和路基表層的豎向位移進行分析，如圖7所示。

圖7 相對沉降曲線圖

由圖7可以看出，隨著不均勻沉降量的增大，軌道結構的豎向位移也隨著增大，當沉降量小于20 mm/20 m時，軌道板的沉降量總是大于路基表層的沉降量，說明軌道板與路基表層沉降的跟隨性較好，軌道結構不會出現空吊問題；當沉降量為25 mm/20 m時，軌道板的沉降量小于路基表層的沉降量，軌道結構出現空吊問題，并且隨著沉降量的增大，軌道結構的空吊問題越來越嚴重，當沉降量為30 mm/20 m時，軌道結構的空吊值達到0.68 mm，為了使軌道結構在運營期間不產生空吊問題，建議路基不均勻沉降量應小于20 mm/20 m。

2.3 路基不均勻沉降控制指標建議值

目前，我國高速鐵路應用的無砟軌道扣件系統的高度調節量調整量一般為-4～+26 mm，可滿足沉降限值20 mm/20 m的要求。基礎的沉降可全部由扣件調高量來抵消，從而實現鋼軌零沉降的要求。由于空吊是軌道結構層間由于沉降和變形不協調產生的，空吊作為一種軌道結構破壞形式具有一定的特殊性，扣件調高量只作用于鋼軌與軌道板之間，扣件調高量不能解決軌道板與下部結構之間的空吊問題。吊空一旦發生，只能采用工程措施進行修復。因此，本文認為吊空一旦發生，無砟軌道結構即視為破壞，并應考慮一定安全儲備，建議路基不均勻沉降限值取20 mm/20 m。

3 結論

本文基于有限元分析方法，綜合考慮了路基不均勻沉降和列車荷載共同作用下對CRTSⅡ型板式無砟軌道的影響分析，得到以下結論：

(1)在路基不均勻沉降荷載和列車荷載共同作用下，軌道結構會出現彎曲變形，同時軌道結構內部會產生應力；隨著不均勻沉降的出現和發展，軌道結構的應力峰值迅速增長；軌道板靜力荷載作用下最大拉應力為0.87 MPa，且隨著沉降量的增加其值呈線性迅速增長，當沉降量大于10 mm/20 m時，軌道板的最大拉應力值達到1.8 MPa，軌道板已處于開裂工作狀態。

(2)不均勻沉降對扣件豎向受力的影響不大；對其縱向受力影響較大，扣件縱向力隨著不均勻沉降的增加而增大；當沉降量為10 mm/20 m時，扣件的最大縱向力為1 698.4 N，當沉降量為30 mm/20 m時，扣件的最大縱向力增大了2.24倍。

(3)不同沉降荷載工況下，軌道結構各組成部分的變形曲線基本一致，隨著不均勻沉降量的增大，軌道結構豎向位移也隨之增大；當沉降量小于20 mm/20 m時，軌道板的沉降量總是大于路基表層的沉降量；當沉降量為25 mm/20 m時，軌道板的沉降量小于路基表層的沉降量，軌道結構出現空吊，并且隨著沉降量的增大，軌道結構的空吊問題越來越嚴重，為了使軌道結構在運營期間不產生空吊問題，建議路基不均勻沉降量應小于20 mm/20 m。