路基段地面沉降下無砟軌道不平順分析

劉 信 立

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司線路運輸設計院，北京 102600)

路基段地面沉降下無砟軌道不平順分析

劉 信 立

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司線路運輸設計院，北京 102600)

基于有限元理論對高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道結構建立梁—多層板結構模型，對路基地段不均勻沉降下無砟軌道系統變形問題進行了計算，對比分析了鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床等的沉降規律，以期為高速鐵路設計、施工與運營提供參考。

地面沉降，無砟軌道，不平順性，高速鐵路

1 概述

高速鐵路基礎變形會導致軌下結構產生較大的變形，影響無砟軌道的受力與平順性。地面沉降是影響線下基礎變形的重要因素，無砟軌道對沉降變形特別敏感，路基區域的不均勻沉降會使軌道的垂向平順性顯著降低。盡管無砟軌道軌下基礎部分沉降變形可以通過調整鋼軌扣件減小或消除，但調整量是有限的，因此對無砟軌道施工后路基本體的殘余壓縮變形及地基的沉降、橋梁墩臺基礎沉降變形均提出了嚴格的要求，以保證上部軌道具有高平順性和高穩定性，減小軌道養護工作量，提高高速行車的安全性和舒適性。

本文針對地面不均勻沉降與CRTSⅠ型板式無砟軌道變形之間的關系展開研究，以期為高速鐵路設計、施工與運營提供參考。

2 CRTSⅠ型板式無砟軌道結構

CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、預制道床板、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)、混凝土凸型擋臺及底座板等部分組成。Ⅰ型板式無砟軌道結構組成示意圖見圖1。

路基地段道床板長度為4 962 mm，寬度為2 400 mm，高度為190 mm。采用后張、部分預應力混凝土結構，配筋按截面中心對稱布置，每塊板布置8個扣件節點。道床板與底座之間填充水泥乳化瀝青砂漿，厚度為50 mm。在路基基床表層鋪設混凝土底座，寬度與道床板相同，厚度為200 mm。

3 理論模型的建立

3.1 梁—多層板模型

利用有限元分析軟件建立板式無砟軌道梁—多層板模型。其中，鋼軌采用梁單元模擬，軌道板采用殼單元模擬，扣件采用彈簧單元進行模擬并賦予扣件垂向方向的剛度。其他結構層由于其在厚度方向的尺寸遠小于其他兩個方向，故CA砂漿層、混凝土底座板均采用單層的殼單元進行模擬，將其視為板結構，與上下部結構之間采用垂向彈簧進行連接。基床表層、基床底層、路堤填土分別采用多層殼單元進行模擬，相互之間通過均勻分布的垂向彈簧進行連接(見圖2)。

3.2 主要計算參數選擇

鋼軌：采用60 kg/m鋼軌，彈性模量E=2.09×105MPa，泊松比0.3；

扣件：橫向剛度為30 kN/mm，垂向剛度為50 kN/mm，扣件間距為0.629 m；

道床板：混凝土強度等級為C50，彈性模量E=3.65×104MPa，泊松比0.2，密度為2 750 kg/m3；

CA砂漿層：彈性模量E=3.0×102MPa，泊松比0.2，密度為1 800 kg/m3；

混凝土底座：彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比0.2，密度為2 750 kg/m3；

基床表層：彈性模量E=180 MPa，泊松比0.3，密度為2 300 kg/m3；

基床底層：彈性模量E=45 MPa，泊松比0.3，密度為2 100 kg/m3；

土質路基：彈性模量E=30 MPa，泊松比0.3，結構密度為1 700 kg/m3。

4 計算結果分析

目前，對于無砟軌道路基地段不均勻沉降曲線，我國多采用(正)余弦型基礎變形影響降曲線，波長20 m。余弦型不均勻沉降的表達式為：

其中，f0為不均勻沉降幅值限值；l0為標準沉降長度，取20 m。余弦型不均勻沉降曲線如圖3所示。

為了比較分析不同沉降值對軌道結構的影響，選取了以下幾種沉降值分別計算(沉降幅值/沉降長度)：

工況一：5 mm/20 m；工況二：10 mm/20 m；工況三：15 mm/20 m；工況四：20 mm/20 m；工況五：25 mm/20 m；工況六：30 mm/20 m。

模型中考慮了地面沉降，按照余弦型不均勻沉降對模型施加位移荷載；對主要邊界條件進行了模擬，并考慮了重力作用，以此來更真實地模擬現實情況，得出各個結構層的沉降結果；沿線路方向，模型的尺度采取較大冗余量，一定程度上消除了邊界效應對計算結果的影響；考慮了各部分結構之間的關系，實體模型中詳細考慮了各個層之間的實際相互作用情況，選取了比較合適的結構參數，對于梁—多層板結構，層間采用彈簧進行模擬及連接。

圖4為在不均勻沉降最大值為15 mm/20 m(其他五種工況與此類似)下鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層和基床底層的沉降位移。可以看出，在不同工況下，鋼軌、道床板、水硬性混凝土支承層的沉降差別不大，而與基床表層與基床底層的沉降有明顯區別。并且從圖中可以看出，基底不均勻沉降對上部結構有明顯的影響，其中影響最大的為基床底層，沉降值最大。地面沉降條件下，道床板和基床表層間、基床內部、基床底層和地面間可能會形成一定的離縫現象。

在不同沉降工況下，板式無砟軌道結構、路基結構的下沉最大值列于表1。由表可見，鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層及基床底層的下沉量隨著基底沉降的增加而增大。

表1 不同軌道—路基部件的最大下沉量 mm

對于鋼軌和道床板，在不同工況下，其沿線路方向的沉降變化如圖5和圖6所示，可以看出，鋼軌和道床板在不同工況下，其沿線路方向的沉降變化是類似的，最大沉降發生在中部，與不均勻沉降最大值所處位置相對應。由于扣件的強烈約束作用，二者沒有明顯的差別。對于水硬性支承層、基床表層和底層，其沿線路方向的沉降位移如圖7，圖8所示。由圖7～圖10可以看出，CA砂漿、混凝土底座、基床表層和底層沉降曲線隨著沉降位移增大而呈現明顯的規律，其沿線路方向的沉降變形與不均勻沉降波形有明顯的對應關系，在波谷位置，沉降位移最大。另外，在波長20 m的范圍之外，鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床表層及底層均產生了不同程度的上拱現象，隨著沉降的加深，上拱現象表現越來越明顯，雖然與下沉量相比很小，但對于軌道結構的平順性來講，也是應值得注意的一個方面。

梁—多層板計算結果表明：當地面不均勻沉降值為5 mm/20 m時，鋼軌沉降達到了4.78 mm，道床板和CA砂漿層沉降達到4.755 5 mm，混凝土底座沉降為4.757 mm，與鋼軌基本一致，基床表層和底層的沉降位移分別為4.758 mm和4.763 mm；當地面不均勻沉降為20 mm/20 m時，各層沉降分別為：鋼軌19.122 mm，道床板和CA砂漿層19.02 mm，混凝土底座19.029 mm，基床表層19.031 mm，基床底層19.052 mm。地面不均勻沉降對上部軌道結構、路基結構的影響十分明顯。隨著不均勻沉降的加劇，各層結構的垂向位移均有所增加。

5 結論與建議

1)本文針對高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道結構，基于有限元理論建立梁—多層板結構模型，對路基不均勻沉降下無砟軌道系統變形問題進行了計算，分析了鋼軌、道床板、CA砂漿層、混凝土底座、基床等的沉降。與既有理論模型相比，本文所建立的模型精細化程度高、與實際沉降更逼真，計算結果可信。2)板式無砟軌道梁—多層板模型計算結果表明：地面不均勻沉降對上部軌道結構、路基結構的影響十分明顯，隨著不均勻沉降的加劇，各層結構的垂向位移均有所增加。3)高速鐵路運營條件下，線路周圍地面不均勻沉降會引起路基和軌道系統的沉降，軌道—路基系統的沉降由下至上逐漸減小，軌道的沉降量值小于地面或者路基結構的沉降量。無砟軌道和基床表層間、基床表層與底層間的沉降差較大，層間沉降差約為0.1 mm～0.6 mm；地面沉降下道床板和基床間、基床和地面間可能會形成一定的離縫現象。

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On irregularity analysis of ballastless tracks under roadbed ground settlement

Liu Xinli

(LineTransportationDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

Based on the finite element theory, the paper establishes the beam-multiple plate structural model for CRTS Ⅰ plate ballastless track structure along express railways, calculates the deformation problems of ballastless track under roadbed uneven settlement, and undertakes the comparison and analysis of the settlement law for rails, roadbed slab, CA screed, concrete base and foundation bed, so as to provide some reference for the design, construction and operation of express railways.

ground settlement, ballastless track, irregularity, express railway

2015-02-27

劉信立(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0154-03

U213.244

A