路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響研究

楊延強

摘要：研究主要針對現階段采用的連續澆筑的鋼筋混凝土整體道床板展開，通過有限元軟件ANSYS建立無砟軌道整體道床實體模型，分析了道床板混凝土首次、第二次及第三次開裂時的高速鐵路路基沉降量，并研究了這三種沉降量下裂縫分布、道床板應力及道床板位移等特性的變化規律；對10、15、20、25、30、35、40（單位mm/20 m）等不同沉降量下整體道床板的開裂，以及該沉降工況下的道床板位移與道床板應力發展規律進行了研究，并分析了其原因，在此基礎上得出了高速鐵路路基沉降對道床板受力變形及混凝土開裂的影響關系。

關鍵詞：高速鐵路；路基沉降；整體道床；受力變形；混凝土開裂

中圖分類號：U21文獻標志碼：A

0引言

整體道床作為平鋪在路基上的鋼筋混凝土板式封閉結構，對路基沉降變形特別敏感，路基的沉降會導致其出現變形、位移和開裂等問題。不僅會因列車荷載作用使整體道床受力性能發生變化而導致行車不平順、不安全；還會影響整體道床的結構耐久性。一旦出現路基沉降，軌道結構系統會在自重作用下發生相應的隨性下沉，并逐漸向新的靜平衡狀態趨于穩定，從而導致道床板混凝土開裂以及軌道平面產生初始幾何不平順，上部軌道結構和下部路基結構之間產生局部脫空，在結構自重以及列車高速運行的沖擊振動作用下，混凝土產生裂縫并不斷擴展，逐漸形成橫向貫通裂縫，混凝土作為保護層對鋼筋的保護作用逐漸減弱甚至消失，從而加速了化學侵蝕、凍融循環、碳化、鋼筋銹蝕、堿集料反應等，這嚴重影響了整體道床的整體性、耐久性等。所以研究路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響是非常有必要且迫切的。鑒于此，本論述結合實際工程，對高速鐵路路基沉降導致的整體道床受力變形及開裂開展了研究。

1研究現狀

目前，針對路基沉降和整體道床受力變形問題，國內外諸多學者進行了相應的分析研究。

Wang X等[1]對各國無砟軌道路基不均勻沉降模型及其分析研究做了綜述，對無砟軌道隨路基不均勻沉降的長期變形進行了模擬。Guo Y等[2]建立了無砟軌道岔區沉降預測模型，利用迭代的思維，預測了路基不均勻沉降對無砟軌道道床板變形以及軌道線型不平順的影響。高琨等[3-6]從路基不均勻沉降的沉降機理、發展規律以及預測方法等方面進行了分析研究。石現峰[7]分析了路基不均勻沉降作用下無砟軌道道床板與底座板的附加彎矩變化情況，研究了路基不均勻沉降幅值與附加彎矩之間的關系。郝遠行[8]分析了無砟軌道在列車荷載作用下，不同裂紋工況下的應力強度因子，運用斷裂準則，判斷了裂紋的失穩擴展情況。趙坪銳[9]研究了基礎變形對無砟軌道的受力影響，對無砟軌道附加彎矩受其基礎變形的影響展開了研究，提出了無砟軌道在路基變形下的受力分析方法。馬軍旺[10]分析了在路基不均勻沉降下，路基岔區無砟軌道的力學行為，確定了無砟軌道結構易因路基不均勻沉降而引發破壞的部位。

可以看到，雖然學者進行了一定的試驗和數值模擬研究，但是較多的是圍繞路基不均勻沉降的變形及其發生機理和混凝土裂縫理論層面展開研究，因此展開路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響研究極具價值且意義重大。

2有限元模型建立

ANSYS是目前應用最為廣泛的一款國際通用的多功能大型有限元分析軟件，因其易于求解與高精度等特點而受到各界人員的青睞，加之其建模能力強、求解能力強、非線性分析能力強等優勢而廣泛應用于結構等多個領域，因此本論述選取ANSYS進行分析研究。

2.1模型幾何尺寸及其物理參數

結合實際工程建立有限元模型，整體道床幾何尺寸及材料物理相關參數見表1所列。

2.2單元類型合理選取

鋼軌采用Beam188單元進行模擬；扣件采用Com？ bin14單元來模擬；軌枕、道床板、支撐層與路基采用Solid65，通過設定不同的特性分別進行模擬；考慮鋼筋和混凝土之間的粘結和滑移作用，利用分離式方法進行建模，鋼筋采用Link8進行模擬。

2.3材料本構關系

2.3.1混凝土本構關系

式中：σc—混凝土壓應變為εc時的混凝土壓應力；

fc—混凝土軸心抗壓強度設計值；

εc—混凝土壓應變；

ε0—混凝土壓應力達到fc時的混凝土壓應變，取

2×10-3；

εcu—正截面的混凝土極限壓應變，取3.5×10-3；

n—系數，當計算的n值大于2.0時，取2.0。

2.3.2鋼筋本構關系

在進行鋼筋單項加載時，鋼筋應力應變曲線一般由彈性階段、屈服階段、強化階段和破壞階段等組成。結合精度要求，采用雙線性模型（如圖2所示）來進行鋼筋的模擬，公式如式（2）。

2.4模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立雙塊式無砟軌道實體模型，自上而下依次由鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層和路基等組成，模型如圖3、圖4所示。

3道床板混凝土開裂及其受力變形數值分析

提取道床板首次開裂時的云圖，如圖5所示，以紅色圓圈表示道床板首次出現的混凝土裂縫。

當路基沉降為7.2 mm/20 m時，道床板首次開裂，由圖5看出，首次出現的裂縫位于道床板沉降區域跨中沿列車前進方向一定距離處，靠近伸縮縫，分別提取此時的道床板應力及位移如圖6、圖7所示。

由圖6可知，當沉降量為7.2 mm/20 m時，道床板位移最大值位于沉降區域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大（記列車前進方向為X=0→X=20 m）。

由圖7發現，道床板混凝土應力變化分布規律類似于道床板位移，即最大值位于沉降區域跨中部位，對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向應力較大。

4道床板開裂規律及受力變形分析

在分析了道床板首次開裂的基礎上，分別提取并分析道床板第二次及第三次開裂的道床板應力和道床板位移變化規律，通過分析可知，道床板混凝土首次、第二次及第三次開裂的裂縫位置均位于道床板沉降區域跨中沿列車前進方向一定距離處，且靠近伸縮縫；此外道床板位移與道床板應力最大值均位于沉降區域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大，造成該現象的原因則是：其一是伸縮縫處鋼筋混凝土不連續，導致應力集中現象出現；其二是由于路基沉降引起的線路線型不平順導致列車出現“超重”現象以及對鋼軌的沖擊作用。

為更直觀地對其進行分析，將前三次混凝土開裂時的沉降量和該沉降工況下的道床板位移及應力進行繪圖，分別如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知：道床板首次開裂時的沉降量較小，且此時的道床板位移及應力也相對較小；第二次與第三次開裂時的沉降量相差較小，且兩者相對于首次開裂時數值均較大，此外后兩次開裂時的道床板位移及應力也相對較大。主要是新舊混凝土粘結與伸縮縫的存在、高速鐵路列車運行速度塊以及載重大等原因導致首次開裂出現較早，當首次開裂后的較長一段沉降量內混凝土并未再次開裂，直至沉降量超過15 mm/ 20 m后的16.4 mm/20 m時道床板出現第二次開裂，此時已有局部區域混凝土出現輕微壓碎現象，且道床板與路基間發生脫空現象，所以，與第二次開裂僅相差1.4 mm/20 m之后的17.8 mm/20 m時，道床板出現第三次開裂。

5道床板混凝土裂縫發展規律及其受力變形分析

分別提取沉降量為10、15、20、25、30、35、40（單位mm/20 m）時的裂縫發展情況并對其做繪圖處理，分別如圖10、圖11所示。

由圖10與圖11可知：當沉降量小于30 mm/20 m時，隨著沉降量的增大道床板位移和道床板應力均不斷增大，且其增長率也呈增大的趨勢。當沉降量超過30 mm/20 m時，道床板位移和道床板應力依然隨著沉降量的增大而增大，但是其增長率呈減小的趨勢。

6結論

（1）當路基沉降為7.2 mm/20 m時，道床板首次出現混凝土裂縫，當路基沉降為16.4 mm/20 m時，道床板第二次出現混凝土裂縫；當路基沉降為17.8mm/20m時，道床板第三次出現混凝土裂縫，裂縫位置位于道床板沉降區域跨中沿列車前進方向一定距離處，且靠近伸縮縫。

（2）當路基發生沉降后，道床板發生跟隨性沉降，路基沉降幅值越大，軌道線型不平順越明顯，混凝土開裂現象越嚴重。

（3）道床板位移與道床板應力最大值均位于沉降區域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大，造成該現象的原因則是：其一是伸縮縫處鋼筋混凝土不連續，導致應力集中現象出現；其二是由于路基沉降引起的線路線型不平順導致列車出現“超重”現象以及對鋼軌的沖擊作用。

（4）無砟軌道道床板混凝土裂縫主要集中在車輛“駛入”沉降區域處和車輛“駛離”沉降區域處及其一定范圍內，裂縫數量居于最多，其次是集中在沉降區域跨中位置處，最后是沉降段與未沉降段接觸處混凝土開裂較為嚴重，且其數量隨著路基沉降的增大而增加，此外在相同沉降工況下車輛“駛離”沉降區域處相比車輛“駛入”沉降區域處開裂較為嚴重。

參考文獻：

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[8]郝遠行.基于斷裂力學的連續雙塊式無砟軌道裂紋擴展研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[9]趙坪銳.客運專線無碴軌道設計理論與方法研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[10]馬軍旺.路基不均勻沉降對岔區無砟軌道結構力學特性的影響研究[D].北京：北京交通大學，2011.