基于軌道不平順性的高速鐵路路基結構動力響應分析

梁 瑤,蔣楚生

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

基于軌道不平順性的高速鐵路路基結構動力響應分析

梁 瑤,蔣楚生

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

高速鐵路中,動力作用下路基結構的強度疲勞特性和變形是影響路基工后沉降和地基加固作用的主要因素。在考慮列車類型、行車速度等影響因素的基礎上,從軌道的不平順要求出發,建立滿足無砟軌道鋪設精度要求的列車激振荷載,模擬列車動荷載下樁 板結構加固后路基的動力響應。數值模擬結果表明,考慮軌道不平順性的列車動荷載對路基體的影響集中在一定深度和寬度范圍內,動荷載作用下經樁 板結構加固后的路基工后沉降值滿足規范要求。

高速鐵路;樁 板結構;不平順性;動荷載;動力響應

1 概述

高速鐵路無砟軌道具有穩定性好、平順性高[1]等優點,但對軌道鋪設精度和線下基礎的穩定提出了更高的要求。在列車動荷載的作用下,作為過渡段及軟弱地基加固的樁 板結構受力十分復雜,不同于按列車荷載換算的靜力作用下的受力[2]。1994～1995年, Krylov利用Green函數法,得到了考慮軌道地基體系中彎曲波影響時地面振動的解析表達式[3-4]。 文獻[5]從工后沉降和剛度匹配的角度,對承載板、樁基等的設計方法及理論進行了研究;文獻[6]模擬了在影響線法布載列車荷載作用下,分析樁-板結構的設計方法和加固后路基的穩定性;魏永幸[7]根據現場試驗結果和激振荷載作用下的數值模擬,研究了樁-板結構的工作機理、承載及動力特性。邊學成等[8]采用動力子結構方法,對列車運動荷載作用下軌道和地基的耦合相互作用進行了全面建模。李軍世等[9]在高速鐵路路基動力反應的有限元分析中利用波動的可疊加性,采用多組輪對用Fourier級數形式來表達列車的荷載。

高速列車的安全、平穩、舒適運行是通過軌道的平順來體現的,軌道的幾何不平順性是引起軌道和軌下基礎各種動態響應的主要原因,反復的動荷載作用可能引起路基結構的強度疲勞失穩和軌下基礎的變形失穩。因此,有必要從軌道的不平順性要求入手,考慮影響列車動荷載的因素,建立簡化的滿足軌道平順要求的列車動荷載,并模擬樁-板結構在該荷載作用下的動力響應。

2 基于軌道不平順要求的列車動荷載模擬

列車振動荷載是一個很復雜的問題,同時涉及列車軸重、懸掛體系、行車速度、軌道組成、線路平順等因素。英國鐵路技術中心多年來的實驗工作和理論研究[10]表明:各種不平順及輪周局部扁癲等是產生豎向輪軌力的主要原因。豎向輪軌力的形成主要有下述3種作用:(1)由車體對懸吊部分的相對運動所產生; (2)由于簧下輪對質量對于鋼軌的回彈作用而產生; (3)由于鋼軌的運動受到輪軌接觸面的抵抗所產生。因此,在特定的運營條件下,線路的平順性,包括鋼軌焊縫不平順、鋼軌波浪形磨耗及軌下不平順等方面,是影響列車動荷載的主要因素。

我國《高速鐵路設計規范》對無砟軌道的鋪設精度要求進行了明確規定,見表1。

表1 無砟軌道鋪設精度標準[11]

根據軌道的不平順性要求,可以用包含靜荷載和正弦函數疊加而成的激振函數來模擬列車動荷載,用以反映不平順、附加荷載和軌面波磨效應的作用,可表示如下

式中 P0——車輪靜載;

P1sinω1t——軸向軌道不平順引起的振動荷載;

P2sinω2t——高低軌道不平順引起的振動荷載;

P3sinω3t——水平軌道不平順引起的振動荷載;

Pi——振動荷載的幅值;

ωi——對應行車速度下的振動荷載圓頻率,其計算公式為:ωi=2πV/Li。

其中,V——列車運行速度;

Li——第i種不平順條件下振動荷載的弦長。

3 基于軌道不平順性的樁 板結構的有限元模擬

3.1 計算模型及本構關系

樁-板結構路基由下部鋼筋混凝土樁基、上部鋼筋混凝土承載板和路基本體組成,承載板與軌道結構直接連接。承載板承受軌道及列車荷載并傳遞至樁基,通過樁基傳遞至地基及持力層。路堤填土對樁-板結構的約束作用,使樁 板結構路基具有較大的橫向和縱向剛度。

某高速鐵路路基,基底為砂質黃土、黏質黃土,屬松軟土,為保證地基強度和沉降滿足規范要求,設計采用樁-板結構加固,如圖1所示。承載板板端放置在沿橫斷面方向設置的承臺上,并通過聯結裝置與承臺相聯結。樁基加固至黏質黃土層以下,長30m,樁徑為1.0m,橫向間距為5m,縱向間距為7m;承載板長20m。

圖1 樁-板結構路基示意(單位:m)

在有限元模型中,樁基、承載板采用彈塑性模型模擬;考慮到土體的非均質性和非線性特征,采用Drucker-Prager模型模擬路堤填土和樁周土體。樁基、承載板、土體均采用三維實體單元建立有限元模型,共劃分213849個單元,228732個節點,如圖2所示。為研究樁 板結構的受力特性,分別對該模型施加軌道及列車換算靜荷載、基于不平順要求的列車激振荷載,采用FLAC3D數值分析軟件對樁板結構進行模擬分析。3.2 計算結果分析

圖2 樁-板結構有限元數值模型

列車運行速度為300km/h,考慮列車車輪靜載、軸線和豎向軌道平順性,列車動荷載可用下式計算

P=97.5+0.16sin10.47t+1.02sin20.08t+

列車動荷載隨時間的變化曲線如圖3所示。

將此正弦激振函數作用在路基結構上,模擬路基樁-板結構在列車動荷載作用的動力響應。采用樁-板結構加固后的某截面的沉降值如圖4所示。

可以看出,考慮軌道不平順性的列車動荷載作用下,樁板結構加固后的路基工后沉降值滿足《高速鐵路設計規范》的要求。列車動荷載的影響集中在路基本體一定范圍內。土體深度20m以下,以及邊坡坡腳10m外,沉降值小于0.001m,列車動荷載對沉降的影響可以忽略不計。

圖3 考慮軌道平順性要求的列車動荷載

圖4 某斷面的沉降等值線(單位:m)

4 結論及建議

高速鐵路對路基結構提出了更高的要求,本文從軌道平順性要求出發,考慮列車動荷載,對樁-板結構加固后的復合地基進行了動力響應分析。

(1)從軌道的平順性要求出發,考慮列車類型、行駛速度等因素,模擬列車動荷載是可行的。

(2)在列車動荷載的作用下,路基的沉降隨深度逐漸遞減,在一定深度范圍以下,列車動荷載對路基沉降的影響較小,可以忽略不計。

(3)樁-板結構加固后的復合地基,提高了路基體的承載力,路基沉降值控制在合理范圍內。

[1] 王其昌,高速鐵路土木工程[M].成都:西南交通大學出版社,1999.

[2] 趙學思.高速鐵路路基體計算中的列車荷載模擬問題研究[J].鐵道勘察,2007(3):55 -56.

[3] KrylovVV.Calculationoflowfrequencygroundvibrationfrom railwaytrains[J].AppliedAcoustics,1994,42(3):199 -213.

[4] KrylovVV.Generationofgroundvibrationbysuperfasttrains[J]. AppliedAcoustics,1995,44(2):149 -164.

[5] 蔣關魯,房立鳳,王智猛.無砟軌道跨涵洞樁板結構路基及過渡段設計[J].鐵道標準設計,2009(9):1 -5.

[6] 詹永祥,蔣關魯,牛國輝,等.武廣線高邊坡陡坡地段樁板結構路基的設計理論探討[J].鐵道工程學報,2007,12(S):94 -96.

[7] 魏永幸.客運專線無砟軌道樁 板結構路基[J].鐵道工程學報, 2008(4):19 -22.

[8] 邊學成,陳云敏.列車荷載作用下軌道和地基的動響應分析[J].力學學報,2005,37(4):477 -484.

[9] 李軍世,李克釧.高速鐵路路基動力反應的有限元分析[J].鐵道學報,1995,17(1):66 -75.

[10]TenkinsH.etal.TheEffectofTrackandVehicleParameterson Wheel/RailVerticalDynamicForces[J].RailwayEngn.1974,3 (1).

Analysis on Dynamic Response of High-speed Railway Subgrade in the Case of Track Irregularity

LIANG Yao, JIANG Chu-sheng
(China Railway Eryuan Engineering Group Co. , Ltd. , Chengdu 610031, China)

In subgrade structure of high-speed railway,the fatigue strength and the deformation under the action of dynamic force are the major factors which affect the post-construction settlement magnitude and the subsoil strengthening effect.According to the train type,train speed and other influence factors,and considering the characteristics of track irregularity,the article establishes the train shock excitation loads which could meet the accuracy requirements of paving the ballastless track,and simulates the dynamic response of the subgrade after being strengthened by sheet-pile structure under the action of dynamic train load.The numerical simulation results show that when considering the track irregularity,the effect on the subgrade structure by dynamic train load has a concentrating distribution just within a certain depth and width,and then the post-construction settlement values of the subgrade after being strengthened by sheet-pile structure under the action of dynamic train load could meet the requirements of the relevant engineering codes.

high-speed railway;sheet-pile structure;irregularity;dynamic load;dynamic response

U238;U213.1

A

1004 -2954(2012)12 -0012 -02

2012-04-18

梁 瑤(1982—),女,工程師,博士研究生,E-mail:sclyyaoyao @gmail.com。