移動荷載下雙線線路鐵路路橋過渡段路基變形規律研究

摘要：為了研究移動荷載下鐵路路橋過渡段路基變形規律，以新建連云港至鎮江鐵路淮安地區預留寧淮鐵路路基過渡段工程為例，構建過渡段路基三維數值模型，再結合室內足尺模型設置移動荷載實驗條件，對荷載條件下路基變形規律進行分析。彈性變形會隨著路基深度的增加而降低，但彈性變形在總變形中占比低于6%。塑性變形主要發生在路基基床部分，經過長期的列車運行后，塑性變形會逐漸穩定。對于累計變形來說，路基深度的增長，會使得累計變形值衰減量出現不同程度的增長。整體來看，過渡段路基變形從表層開始深入，路基表層的變形幅度最大。

關鍵詞：移動荷載；雙線鐵路；過渡段；彈性變形；塑性變形

0" "引言

雙線鐵路路線包括上行線和下行線兩個組成部分，支持相反方向的列車同時行駛[1]。對于雙線鐵路線路來說，路基需要承受兩條線路的結構質量，其維護要求也更高。尤其對于鐵路路橋過渡段來說，其本身的承載能力較弱，在列車移動荷載條件下，路基的動力特性將發生變化，而這種變化直接影響鐵路路線運輸安全[2]。為了保證雙線鐵路線路的運行條件良好，需要明確過渡段路基的動力特性。

多年來，過渡段路基變形規律的研究一直備受關注。文獻[3]針對鐵路研究區域，展開長期實地測量，獲取區域基壓縮特性，并通過正交試驗得出顯著性分析結果，得到具體的變形規律。但是，該研究方法存在較大局限性。文獻[4]依托于非飽和土流固耦合原理，對目標區域鐵路地基，建立數值模型，分析不同條件下路基變形規律。但該方法研究耗時較長。文獻[5]結合相似模擬與數值模擬策略，探究路基沉降變形規律。但該方法分析出的變形規律較為片面。

考慮到文獻方法研究得出的地基變形規律無法滿足運營維護要求，文中針對鐵路路橋過渡段路基，應用有限元模型和室內足尺模型進行實驗分析，得出不同移動荷載下過渡段路基變形規律。

1" "項目概況

考慮到鐵路結構的特殊性，本次研究選擇新建連云港至鎮江鐵路淮安地區預留寧淮鐵路路基過渡段工程為研究項目。項目位于淮安市淮安區上河鎮，線路與既有京滬高速公路并行，屬黃淮沖積平原區，由長江和淮河搬運來泥沙沉積而成。地貌單元單一，地勢平坦開闊，地形略有起伏，地勢由西北向東南傾斜，地面高程一般在5.0～7.0m之間，后期受黃河故道影響較大，本區域內地表水主要為農田灌溉渠渠水、水塘水，地下水水位隨季節變化而變化。地表水、地下水水質良好，對混凝土結構無化學侵蝕性。

本路基工程包括黃樓線路所及其相關區間路基，起止里程為DK125+810.26～DK127+666.16，長1855.9m，其中黃樓線路所范圍DK126+430～DK127+300，長870m，所涉及路橋過度段共22處。

道路采用左、右分幅的斷面形式，左、右幅單獨定線。左幅采用頂進框架橋下穿鐵路；右幅由以路基形式下穿通過，并利用既有框架橋下穿鐵路。鐵路存在上行線、下行線框架，框架主要參數統計結果如表1所示。

同時在該項目施工階段，還需要對燃氣管線進行合理規劃，已有的鐵路管道直徑和外徑分別為20cm、45cm，本項目的燃氣管線規劃參數統計結果如表2所示。

以上述項目為研究對象，進行移動荷載下鐵路路橋過渡段路基變形規律研究。

2" "計算模型

為了便于路基變形規律的計算，本次研究過程中采用ABAQUS 有限元軟件[6]，依據工程結構形式和結構特點，設計列車-無砟軌道-過渡段路基模型，標注該區域路基動力響應的影響因素。

在修正D-P本構模型輔助下，完成有限元模型的機床下方路基填土模擬。而模型內的基床和軌道板模擬，分別通過等效黏彈性本構模型[7]、線彈性本構模型實現。為了降低路橋過渡段路基變形規律研究誤差，文中在模型設計過程中，添加三維黏彈性人工邊界[8]，吸收多余的應力波，避免應力波反射影響變形規律分析結果。路基有限元模型如圖1所示。

該模型的結構幾何尺寸是根據實際工程測量數據同比例縮小計算出的，具體的模型幾何尺寸參數如表3所示。

為了便于計算路基變形情況，文中基于有限元模型進行計算時，考慮列車運行速度、路橋過渡段平順性等因素，將移動荷載表示為：

（1）

（2）

公式中，W表示荷載， 表示列車輪重，γ表示車輪靜載，M表示簧下質量，s表示鐵路路橋過渡段路基的不平順矢高，η表示振動圓頻率，v表示車輛運行速度，p表示不平順波長。本次研究過程中，根據目標工程的施工情況，設置簧下質量、不平順波長、不平順矢高分別取值為700kg、l2m、3.5mm。基于公式（1）計算結果，可以得出列車在以350km/h的速度穩定行駛條件下，產生的移動荷載曲線如圖2所示。

本次路橋過渡段路基變形規律研究應用的計算模型設計時，應用了彈簧和阻尼器，建立三維黏彈性人工邊界，用以降低變形計算誤差。彈簧需要布置在法向邊界上，阻尼器需要放置在切線邊界上，保證移動荷載條件下路基邊界處的應力波得以傳遞、吸收[9]。以此為基礎，可以更好地模擬鐵路路橋過渡段路基邊界應力。法向邊界相關條件為：

（3）

公式中，K1表示法向剛度，α表示法向黏彈性邊界，T表示振動荷載發出點與邊界之間的距離，L1表示法向阻尼，ε、 、c表示介質的剪切模量、質量密度和縱向波傳遞速度。經過計算可知，法向黏彈性邊界的取值范圍在0.6～1.3之間。

對于切向邊界來說，其相關條件表達式為：

（4）

公式中，K2表示切向剛度，L2表示切向黏彈性邊界，β表示切向阻尼，d表示介質的橫向波傳遞速度。經過計算可知，法向和切向黏彈性邊界的取值范圍，分別在0.6～1.3、0.25～0.6。

該線路的目標速度為350km/h。對于路橋過渡段來說，列車行駛速度的增加會造成路基動位移值的增大。設置列車速度每次增加40km/h，在該條件下基床表層、基床底層的動位移增加至區間分別為0.004～0.019mm、0.002～0.011mm。但是當列車行駛速度超過350km/h后，路基動位移值增加速度變緩。在整個動位移增加過程中，過渡段路基中心豎向深度越大，動位移呈現出逐漸衰減的變化態勢。因此，對于鐵路路橋過渡段路基來說，在移動荷載條件下，變形最嚴重的是基床表層。依據該衰減理念，設計變形規律研究實驗方案。

3" "實驗方案

依托于上述計算模型，在室內足尺模型的輔助下[10]，測量移動荷載條件下，路橋過渡段路基變形規律。為了得出全面的變形規律，本次實驗測試過程中包括兩個主要測試項目，分別為動位移測量、動土壓力測量，兩個測試項目主要通過DPS-0.32V型動位移計、JMYJ 1503型電阻應變式雙膜動土壓力盒實現。路橋過渡段路基變形規律測試過程中，測試元件布置情況如圖3所示。

為了向路基模擬模型施加不同的移動荷載，文中建立包括伺服作動器、控制器、大跨度剛性反力梁、冷凝塔的加載控制系統，在該系統的作用下，可以在鐵路路橋過渡段路基模型上，模擬高速或重載列車的運行，以便得出移動荷載下的路基變形規律。

此外，本次實驗研究過程中，移動荷載的分配需要通過作動器實現，以將列車振動荷載傳遞至相連的扣件點。這種荷載傳遞模式下，相鄰的兩對扣件點中，后接受荷載的扣件點會向傳遞荷載的扣件點傳輸反力，使當前扣件點的荷載處于疊加狀態。扣件點疊加表達公式為：

（5）

公式中，t表示移動荷載作用時間，Q表示扣件點反力疊加結果，F表示扣件點反力，τ表示扣件點間距。通過上述研究，布置不同移動荷載實驗環境，在該環境下進行路橋過渡段路基變形規律分析。

4" "實驗結果分析

在上述實驗環境下，針對鐵路路橋過渡段路基模型，進行移動荷載下變形規律研究。為了得到更加全面的研究結果，本次得出的變形規律包括彈性變形規律、塑性變形規律和累積變形規律三部分。

4.1" " 彈性變形規律分析

在路橋過渡段路基變形過程中，彈性變形較為強烈，會對列車行駛的舒適性與安全性產生直接影響，也是誘發路基病害的主要因素。因此，彈性變形規律分析成為路基變形規律研究的重要組成部分。為了便于展示彈性變形結果，通過連續120萬次振動，模擬移動荷載環境，在振動過程中路基實測彈性變形曲線如圖4所示。

根據圖4可知，在0～70萬次振動時，路基面動應力保持在46kPa時，此時路基彈性變形最大值為0.51mm。而在70萬～150萬次振動過程中，過渡段路基的動應力和彈性變形分別為63kPa、1.03mm。

從理論上來說，路基彈性變形可以沿著路基深度方向不斷傳播。但在根據實際測量結果可知，當路基深度達到一定條件時，彈性變形極小，可以直接忽略不計，可以直接看作彈性變形是在有限路基深度內出現的。依托于彈性力學分析原理，將動應力60kPa和90kPa條件下路基的動應變曲線描述為圖5。

根據圖5可知，移動荷載下彈性動應占比低于0.06，且在路徑向下深度不斷增加時，彈性動應變出現大幅度降低。

4.2" " 塑性變形規律分析

根據實驗環境中埋設的測量設備顯示數據，得出過渡段路基基床的塑性變形情況，匯總所有變形數據得到圖6所示的塑性變形曲線。

根據圖6可知，在0～20萬次振動操作時，路基的動應力取值為45 kPa。此時軟土地基的塑性變形變化幅度較小，而石灰土基床底層、級配碎石表層的塑性變形值呈現出明顯的增長趨勢，但增長幅度不大。但在20萬～120萬次振動操作時，動應力上升為95kPa。此時3個層面均出現較大的塑性變形，以級配碎石表層為甚。

在試驗結束后，級配碎石表層、石灰土基床底層和軟土地基層的最大塑性變形值，分別為28mm、17mm、5mm。綜上所述，對于路橋過渡段路基來說，塑性變形主要作用在路基基床部分，在長期的移動負載條件下，路基的塑性變形會逐漸趨于穩定。

4.3" " 累積變形規律分析

針對移動荷載下路基累計變形規律進行研究，考慮到路基深度的增加，會引起累計變形的衰減，且不同振動次數下衰減情況不同。本次實驗得出的累計變形隨著路基深度的變化曲線如圖7所示。

根據圖7可知，在路基深度為0.3m、2.8m和4.9m時，分別會發生一次衰減，這3個點的衰減量區間分別為[36%，45%]、[74%，80%]、[90%，92%]。

5" "結語

為了保證列車運行安全，本文以鐵路路橋過渡段路基為研究對象，通過有限元模型和室內足尺模型進行實驗分析，明確移動荷載下路基變形規律。根據實驗結果可得出以下結論：整體來看，彈性變形在路基變形中占比低于0.06%，并且這個所占比例會隨著路基深度的增加而減小。從塑性變形來看，塑性變形主要作用于路基基床部分，在該區段經過長期的列車運行后，這一變形值會逐漸穩定。從累計變形的角度來看，路基深度的增長會使得累計變形呈現出降低趨勢，在不同路基深度位置，衰減量會出現不同程度的增長。

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