注漿法加固凍土路基振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬研究★

王 子 玉

(1.海南熱帶海洋學(xué)院生態(tài)環(huán)境學(xué)院,海南 三亞 572022； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

鐵路路基凍害治理方法包括保溫法、填料法和控水法。利用靜壓把含鹽和特種結(jié)構(gòu)劑的粘土漿液注入土層，一方面降低路基土的冰點(diǎn)，另一方面封堵路基土體內(nèi)空隙，阻隔地下水分向路基表層遷移，可以達(dá)到緩解凍脹融沉、治理凍害的目的。王彥虎等采用鉆孔埋管注鹽法對(duì)路基凍害進(jìn)行治理，治理效果表明此方法對(duì)于降低路基凍脹量效果明顯[1]。賴遠(yuǎn)明，孫增奎，葛建軍等針對(duì)多年凍土區(qū)鐵路路基溫度場(chǎng)進(jìn)行深入研究，對(duì)多年凍土路堤溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，并取得有益成果[2-4]。毛雪松等以多年凍土路基為研究對(duì)象，進(jìn)行路基足尺模型試驗(yàn)，建立伴有相變的路基水熱力耦合模型。王鐵行等應(yīng)用有限元方法模擬氣候變化過(guò)程中路基溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，得到不同時(shí)期多年凍土路基溫度場(chǎng)分布，并對(duì)影響因素進(jìn)行分析[6]。汪雙杰，陳建兵，劉華，牛富俊，許健，呂菲等采用保溫法抑制路基凍脹效果，并對(duì)保溫材料厚度、路基填料等進(jìn)行研究[7-12]。

綜上所述，本文采用注漿法加固鐵路路基，并對(duì)注漿法加固后的路基進(jìn)行數(shù)值建模及振動(dòng)響應(yīng)特性數(shù)值模擬計(jì)算，分析加固前后路基內(nèi)部振動(dòng)響應(yīng)變化。

2 注漿加固路基數(shù)值模擬

2.1 邊界條件

本文采用有限元方法針對(duì)典型季節(jié)凍土區(qū)路基進(jìn)行數(shù)值建模，數(shù)值模型邊界采用無(wú)限元邊界。

2.2 數(shù)值建模

本文選取典型季節(jié)凍土區(qū)濱綏線斷面建立計(jì)算模型，計(jì)算斷面的選取與幾何尺寸與溫度場(chǎng)模型選取相同。

路基計(jì)算模型中軌枕采用剛體進(jìn)行模擬，路基模型其他部分采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，路基與軌枕之間的耦合采用連接約束。為了保證路基模型計(jì)算精度的同時(shí)減小計(jì)算工作量，計(jì)算模型分別在水平方向和豎向采用有限單元尺寸過(guò)渡方法劃分網(wǎng)格，計(jì)算模型共205 570個(gè)單元。道砟層最小單元尺寸為0.2 m，無(wú)限元尺寸為5 m。有限元模型橫斷面見(jiàn)圖1。選用顯示模塊進(jìn)行計(jì)算，顯示模塊在處理較復(fù)雜非線性與接觸非線性問(wèn)題具有計(jì)算效果較好，同時(shí)其需要的內(nèi)存和磁盤(pán)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隱式方法的優(yōu)勢(shì)，適用于分析振動(dòng)荷載這種波動(dòng)傳播分析。

2.3 車(chē)輛荷載

列車(chē)荷載施加是準(zhǔn)確模擬路基動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。本文中列車(chē)荷載采用課題組凌賢長(zhǎng)、朱占元等開(kāi)發(fā)的程序(ZL-TNTLM)，通過(guò)計(jì)算獲得輪軌作用力，將其作為列車(chē)振動(dòng)荷載輸入到的鐵路路基三維無(wú)限元邊界計(jì)算模型，分析路基振動(dòng)響應(yīng)特性，同時(shí)解決了場(chǎng)地時(shí)變系統(tǒng)處理困難等問(wèn)題。列車(chē)荷載通過(guò)在路基模型中每一根軌枕輸入與之對(duì)應(yīng)的軌枕作用力時(shí)程實(shí)現(xiàn)，列車(chē)行駛軌枕力時(shí)程示意圖見(jiàn)圖2。

由列車(chē)—軌道—路基耦合模型計(jì)算得到的激振力，通過(guò)直接施加在對(duì)應(yīng)軌枕上，作為荷載輸入到軌枕—道床—路基—場(chǎng)地的鐵路路基三維無(wú)限元邊界計(jì)算模型，分析路基振動(dòng)響應(yīng)特性。軌枕作用力振動(dòng)荷載輸入示意圖見(jiàn)圖3。

2.4 材料熱力學(xué)參數(shù)

計(jì)算路基模型各土層導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容C及相變潛熱L參考《中國(guó)凍土》[13]《凍土物理學(xué)》[14]中取值，并對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)折減，路基模型各土層的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與物理力學(xué)指標(biāo)均參考文獻(xiàn)[15][16]。

在鐵路路基有限元模型的基礎(chǔ)上，增加加固路堤層，按照實(shí)驗(yàn)資料改變相應(yīng)加固層力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到不同凍結(jié)狀態(tài)普通路基和加固路基，列車(chē)行駛荷載應(yīng)力幅值及加速度幅值衰減曲線。

3 加固路基振動(dòng)響應(yīng)分析

對(duì)比加固路基與普通路基動(dòng)應(yīng)力幅值，由圖4a)～圖4c)可見(jiàn)，在凍結(jié)期普通路基動(dòng)應(yīng)力幅值大于加固路基，在春融期加固路基大于普通路基，而對(duì)于非凍結(jié)期，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)兩種路基振動(dòng)幅值相差不明顯。這是由于在凍結(jié)期，受溫度影響基床表層呈凍結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致在凍結(jié)期路基強(qiáng)度和剛度增加，當(dāng)應(yīng)用黏土固化漿液加固后，加固層強(qiáng)度處于普通路基強(qiáng)度在凍結(jié)期和春融期之間，因此，在凍結(jié)期此部分加固路基較普通路基略小，而在春融期情況相反。

由圖5a)～圖5c)可見(jiàn)，對(duì)于不同凍融狀態(tài)下路基的振動(dòng)加速度幅值不同，加固路基振動(dòng)幅值較普通路基減弱；而在春融期和非凍結(jié)期加固路基與普通路基加速度幅值相差不多。可見(jiàn)，加固路基對(duì)于凍結(jié)期減小路基振動(dòng)具有明顯效果；而對(duì)于春融期在增加路堤強(qiáng)度同時(shí)，加速度幅值小幅增大。

這是由于應(yīng)用靜壓把含鹽和特種結(jié)構(gòu)劑的粘土漿液注入土層后，一方面降低路基土的冰點(diǎn)，同時(shí)封堵路基體土內(nèi)空隙，起到隔水作用，使凍結(jié)期土體含冰量降低，進(jìn)而降低振動(dòng)響應(yīng)，而在春融期增加路基本體強(qiáng)度以達(dá)到緩解、治理凍害的目的。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元計(jì)算方法，針對(duì)黏土漿液注漿法加固季節(jié)凍土區(qū)凍融路基進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算，主要結(jié)論如下：

1)粘土漿液注漿法同時(shí)起到提高路基本體強(qiáng)度的作用，對(duì)增加列車(chē)載荷下鐵路路基穩(wěn)定性亦具有顯著效果。

2)對(duì)比普通路基和加固路基在列車(chē)荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，可見(jiàn)此方法對(duì)于減小路基振動(dòng)響應(yīng)和路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力亦具有顯著效果。