雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降靜力損傷影響及評級

摘要：【目的】為補充雙塊式無砟軌道沉降維修標準，研究雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降損傷問題。【方法】建立含路基不均勻沉降的雙塊式無砟軌道三維有限元模型，分析路基沉降作用下軌道結構各部件的空間受力和變形影響規律；在此基礎上，提出一種雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降靜力損傷等級劃分及評價方法。【結果】結果表明：沉降波長20 m，幅值對軌道結構應力變形及層間離縫影響較大；沉降幅值10，15，20 mm及以上，損傷評級依次為Ⅱ級，Ⅲ級和Ⅳ級。沉降幅值10 mm，波長越小，軌道結構層間越易產生脫空現象；沉降波長12 m及以上對軌道結構應力影響較大，道床板縱向拉應力最大值均超過限值3.50 MPa；建議20 m以下波段沉降損傷評級Ⅲ級，20 m及以上波段沉降，損傷評級均為Ⅱ級。【結論】研究成果便于高鐵智慧運維“科學修和精確修”，建議沉降損傷等級與線路軌道靜態幾何容許偏差管理值關聯，保持維修等級與損傷等級一致，沉降綜合維修控制在15 mm以內。

關鍵詞：雙塊式無砟軌道；路基不均勻沉降；受力變形；損傷影響；損傷評級；智慧運維

中圖分類號：U213.2 文獻標志碼：A

本文引用格式：陳利，余翠英，龔凱，等. 雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降靜力損傷影響及評級[J]. 華東交通大學學報，2024，41（6）：11-18.

【研究意義】據統計，截至2023年底，我國鐵路營業里程突破15.9 萬km，其中高鐵運營里程達到4.5 萬km。隨著高鐵路網的加密和建設規模的擴大，新建線與既有線上跨、交叉、并行等工后沉降現象屢見不鮮[1]，長距離跨越多雨軟土、濕陷性黃土、高寒凍土，大風沙漠和活動斷裂帶等特殊地質區域的路基日益增多[2]，可能引發既有線路基板結-翻漿冒泥-變形和路基凍脹-融化-變形的周期性循環[3-4]。在列車長期動荷載作用下，線路容易出現路基不均勻沉降和層間離縫及軌道幾何形位劣化等一系列問題，從而影響高速列車動力響應，乘車舒適性甚至走行安全性[5-7]。

【研究進展】在路基沉降方面，我國科研人員對板式無砟軌道動力性能及其車軌振動響應做了較多研究。任娟娟和肖威[8-11]基于有限元法和多體動力學，建立了考慮路基沉降的列車-軌道耦合系統模型，提出了板式無砟軌道的路基沉降控制限值[8-11]。向俊等[4， 12]基于塑性損傷本構關系，從路基凍融循環-沉降變形角度演化了CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板的軌道不平順和離縫損傷的映射過程。肖源杰等[13]提出一種新的迭代方法，將路基沉降作為位移邊界條件，研究沉降和列車荷載共同作用下的軌道結構跟隨性變形。馮玉林等[14]引入非線性接觸函數，研究路基不均勻沉降對板式無砟軌道動力性能的影響。唐進鋒等[15]針對CRTSⅢ型板路基沉降，研究不同行車速度、路基不均勻沉降幅值和波長對系統動力響應的影響。吳斌等[16]針對土質路基上雙塊式無砟軌道結構沉降變形問題，建立了考慮混凝土開裂的雙塊式無砟軌道沉降模型，研究軌道結構空間力學特性。郭宇等[17]等采用彈性地基疊合梁模型，研究沉降波長、幅值與軌面幾何變形特征及其映射關系。張乾等[18]考慮混凝土非線性損傷特性，研究沉降區損傷演化過程、層間離縫行為與軌面不平順傳遞規律。

【創新特色】本文從高鐵智慧運維管理“科學修和精確修”的角度，關聯沉降損傷和線路軌道靜態幾何容許偏差管理值，科學評估路基不均勻沉降變形條件下無砟軌道結構損傷對自身結構性能的影響；在此基礎上，提出一種雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降靜力損傷等級劃分及評價方法，旨在快速簡便開展路基沉降維修等級評估。

【關鍵問題】建立沉降變形?層間離縫?軌面不平順路徑，關聯沉降變形?軌道靜態幾何容許偏差管理值?離縫損傷等級，提出沉降變形損傷等級劃分，確定沉降變形分級維修決策，為高鐵雙塊式無砟軌道沉降智慧運維提供依據，補充無砟軌道結構維修規則沉降損傷等級及維修等級。

1 含沉降變形的雙塊式無砟軌道有限元模型

1.1 有限元模型建立

圖1 為雙塊式無砟軌道結構-路基有限元模型，由鋼軌、彈性扣件、道床板和支承層組成。模型計算考慮5 塊板，長度32.5 m（5×6.5 m）。鋼軌采用標準60 kg/m 鋼軌，采用空間點支承梁單元進行模擬，彈性模量取值為210 GPa，道床板和支承層等部件均以實際尺寸按實體單元建模[4]，見表1。鋼軌與道床板間采用連接器單元模擬彈性扣件，其間距以實際取值。

1.2 邊界條件設置及沉降模擬

模型邊界條件設置如下：軌道上部結構豎向可自由變形，固定縱、橫向2 個自由度，路基底面采用全約束處理。路基沉降通過在基床表層施加強制位移來實現，假設路基沉降橫向分布均勻，以縱向不均勻沉降為主，見式（1）余弦型曲線，圖2 為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道有限元沉降變形。

式中：A為不均勻沉降幅值，mm；y 為不均勻沉降位置坐標，m；y0為不均勻沉降中點位置坐標，m；L 為不均勻沉降波長，m。

1.3 模型驗證及損傷評估方法

為驗證該模型的正確性，考慮溫度荷載和溫度梯度作用，選取鋼軌和道床板的豎向位移與現場實測數據進行比較，可知模型計算值與實測數據在數量級上是相同的，總體差異較小，模型可行，見表2。

圖3 為雙塊式無砟軌道沉降損傷分級流程圖，通過現場調研沉降范圍，建立含沉降的雙塊式無砟軌道模型，開展靜力特性分析，研究路基沉降與軌道結構受力變形，探討沉降損傷分級評估，為高鐵智慧運維路基健康狀態評估、行車安全預警和沉降閾值確定以及分級維修決策等提供參考。

2 計算工況及說明

模型以軌道結構自重作用充分沉降完成為初始條件，計算結果忽略結構自重影響。通過改變沉降幅值和沉降波長，提取雙塊式無砟軌道結構的最大豎向位移和空間應力最大值，分析不均勻沉降對軌道結構各部件的受力和變形規律及軌道結構層間位移映射關系的影響。工況類型1：沉降幅值一定，不同沉降波長引起的軌道結構受力變形；工況類型2：沉降波長一定，不同沉降幅值引起的軌道結構受力變形，詳情見表3。

3 計算結果分析

3.1 沉降波長對軌道結構受力和變形影響分析

由圖4 可知，沉降幅值10 mm不變，隨著沉降范圍的擴大會使支承層與基床表層的位移差值減小，當波長大于24 m時，軌道結構各部件位移與沉降變形趨向一致，鋼軌位移9.67 mm。

如圖5，離縫最大值主要出現在沉降中心位置，當波長4 m時，基床頂面與支承層底面完全脫空，離縫值高達9.86 mm。波長大于20 m時，層間離縫值小于1 mm，當波長24 m時，支承層與路基之間離縫值不超過0.40 mm；反之，沉降波長越小，跟隨性變形越小，脫空現象越嚴重。

圖6 計算結果可知，波幅不變，沉降波長對軌道結構各部件的縱向拉應力最大，應力整體變化呈現先升后降趨勢，沉降變形對道床板應力影響最大。當沉降波長介于12～20 m時，道床板縱向拉應力達到3.50 MPa 及以上，超過C40 混凝土拉應力限值2.39 MPa；波長介于16～20 m時，支承層的縱向拉應力最大值均超過C20 混凝土拉應力限值1.54 MPa。尤其當沉降波長為16 m時，道床板和支承層的縱向拉應力均超過限值，長期運營時可能引起雙塊式無砟軌道結構局部開裂。

3.2 沉降幅值對軌道結構受力和變形影響分析

圖7 為波長20 m，波幅5～25 mm引起的軌道結構各部件最大豎向位移值。波幅5 mm時，鋼軌、道床板、支承層和路基豎向位移非常接近，依次為4.81，4.79 mm和4.79 mm；隨著波幅增加，結構豎向位移隨之增加，與路基變形差值越來越大，當沉降波幅25 mm時，鋼軌、道床板和支承層豎向位移依次為20.12，19.95 mm和19.95 mm。

圖8 為波長20 m，波幅5～25 mm引起的層間離縫值。可見，離縫值隨沉降幅值增加而逐漸增大直至脫空，且離縫最大值靠近沉降中心處；其次體現在第一塊板末尾和第五塊板端位置。此外，位于沉降起終位置處的上拱比較明顯，上拱值隨沉降幅值增加而增大；當波幅15 mm時，離縫值為1.40 mm；20 mm及以上，離縫發展為完全脫空，最大離縫值達到5.65 mm。

由圖9 可知，道床板和支承層的最大空間拉應力受路基沉降幅值影響顯著，依次為縱向、豎向和橫向應力，其中，沉降幅值對道床板縱向拉應力值影響最大，隨沉降幅值的增加整體呈上升趨勢。當波幅10 mm及以上時，道床板和支承層結構拉應力均超過限值。可見，沉降幅值增加會導致層間離縫和支承層假縫開裂的風險，可能影響軌道結構耐久性和服役期。

3.3 路基不均勻沉降損傷評定及維修建議

綜合各工況計算結果和維修便利性，選擇以軌道高低不平順為主的評定指標，綜合考慮離縫損傷程度，提出一種雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降的損傷等級劃分，見表4和表5。在表5中，軌面下沉最大值為沉降中心處軌面豎向位移幅值，層間離縫*為支承層與路基脫空，應力*為結構拉應力超過相應混凝土標號的規范限值，C60 抗拉強度2.85 MPa，C20 抗拉強度1.54 MPa。需要說明的是大范圍脫空建議損傷等級在Ⅲ級；若是多項超限，比如軌道不平順和離縫超限，按單項損傷等級提1級評定，如下。

1）波長20 m，沉降幅值10 mm及以上，軌面豎向位移均大于9 mm；沉降幅值20 mm及以上，層間完全脫空。10～15 mm，損傷Ⅱ級；15～20 mm，損傷Ⅲ級，20 mm及以上，損傷Ⅳ級。10 mm及以上道床板和支承層應力均超限3.50 MPa，長期運營存在開裂風險，建議路基日常保養沉降幅值控制在10 mm以內。

2）沉降幅值10 mm，沉降波長16 m及以下，層間出現大范圍脫空，建議損傷等級Ⅲ級；沉降波長20 m及以上，軌道結構道床板和支承層應力超限，軌面不平順趨近沉降幅值10 mm，層間離縫逐漸變小，建議損傷等級為Ⅱ級，建議監控完全脫空的區域。

4 結論

1）沉降幅值10 mm時，波長16 m及以下時，離縫值大于規范限值1.5 mm，出現完全脫空現象，損傷評級Ⅲ級；當沉降波長16 m及以上時，道床板和支承層縱向拉應力均超過限值，長期運營易引起軌道結構開裂，損傷評級Ⅱ級。

2）沉降波長20 m時，隨沉降幅值增加，軌道結構各部件的豎向位移和空間應力不斷增大，支承層與基床表層離縫持續擴大直至脫空，20 mm 及以上，軌道不平順，離縫及應力均超限，損傷評級Ⅳ級；沉降幅值10 mm及以上時，道床板和支承層縱向拉應力將超限，軌道結構存在開裂風險，影響耐久性。

3）提出一種雙塊式無砟軌道路基不均勻沉降靜力損傷評價方法及等級劃分，為科學修和精確修提供決策依據。考慮高鐵智慧運維，建議維修等級與損傷等級一致，并控制雙塊式無砟軌道結構脫空范圍。當路基沉降波長20 m時，日常保養幅值控制在10 mm以內，綜合維修控制在15 mm以內。

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第一作者： 陳利（1980—），男，工程師，研究方向為高速鐵路道路與橋梁建造和施工工藝。E-mail：476735520@qq.com。

通信作者：余翠英（1976—），女，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為高速列車安全控制，無砟軌道結構振動及損傷機理。E-mail：yucuiying1023@163.com。

（責任編輯：李根）

基金項目：國家自然科學基金項目（52068028）；華東交通大學博士啟動資金項目（452）；江西省自然科學基金項目（20212BAB204015，20224BAB204065）；華東交通大學大學生創新創業訓練項目（S202310404033）