基于轨道不平顺性的高速铁路路基结构动力响应分析

梁 瑶,蒋楚生

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

基于轨道不平顺性的高速铁路路基结构动力响应分析

梁 瑶,蒋楚生

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

高速铁路中,动力作用下路基结构的强度疲劳特性和变形是影响路基工后沉降和地基加固作用的主要因素。在考虑列车类型、行车速度等影响因素的基础上,从轨道的不平顺要求出发,建立满足无砟轨道铺设精度要求的列车激振荷载,模拟列车动荷载下桩 板结构加固后路基的动力响应。数值模拟结果表明,考虑轨道不平顺性的列车动荷载对路基体的影响集中在一定深度和宽度范围内,动荷载作用下经桩 板结构加固后的路基工后沉降值满足规范要求。

高速铁路;桩 板结构;不平顺性;动荷载;动力响应

1 概述

高速铁路无砟轨道具有稳定性好、平顺性高[1]等优点,但对轨道铺设精度和线下基础的稳定提出了更高的要求。在列车动荷载的作用下,作为过渡段及软弱地基加固的桩 板结构受力十分复杂,不同于按列车荷载换算的静力作用下的受力[2]。1994～1995年, Krylov利用Green函数法,得到了考虑轨道地基体系中弯曲波影响时地面振动的解析表达式[3-4]。 文献[5]从工后沉降和刚度匹配的角度,对承载板、桩基等的设计方法及理论进行了研究;文献[6]模拟了在影响线法布载列车荷载作用下,分析桩-板结构的设计方法和加固后路基的稳定性;魏永幸[7]根据现场试验结果和激振荷载作用下的数值模拟,研究了桩-板结构的工作机理、承载及动力特性。边学成等[8]采用动力子结构方法,对列车运动荷载作用下轨道和地基的耦合相互作用进行了全面建模。李军世等[9]在高速铁路路基动力反应的有限元分析中利用波动的可叠加性,采用多组轮对用Fourier级数形式来表达列车的荷载。

高速列车的安全、平稳、舒适运行是通过轨道的平顺来体现的,轨道的几何不平顺性是引起轨道和轨下基础各种动态响应的主要原因,反复的动荷载作用可能引起路基结构的强度疲劳失稳和轨下基础的变形失稳。因此,有必要从轨道的不平顺性要求入手,考虑影响列车动荷载的因素,建立简化的满足轨道平顺要求的列车动荷载,并模拟桩-板结构在该荷载作用下的动力响应。

2 基于轨道不平顺要求的列车动荷载模拟

列车振动荷载是一个很复杂的问题,同时涉及列车轴重、悬挂体系、行车速度、轨道组成、线路平顺等因素。英国铁路技术中心多年来的实验工作和理论研究[10]表明:各种不平顺及轮周局部扁癫等是产生竖向轮轨力的主要原因。竖向轮轨力的形成主要有下述3种作用:(1)由车体对悬吊部分的相对运动所产生; (2)由于簧下轮对质量对于钢轨的回弹作用而产生; (3)由于钢轨的运动受到轮轨接触面的抵抗所产生。因此,在特定的运营条件下,线路的平顺性,包括钢轨焊缝不平顺、钢轨波浪形磨耗及轨下不平顺等方面,是影响列车动荷载的主要因素。

我国《高速铁路设计规范》对无砟轨道的铺设精度要求进行了明确规定,见表1。

表1 无砟轨道铺设精度标准[11]

根据轨道的不平顺性要求,可以用包含静荷载和正弦函数叠加而成的激振函数来模拟列车动荷载,用以反映不平顺、附加荷载和轨面波磨效应的作用,可表示如下

式中 P0——车轮静载;

P1sinω1t——轴向轨道不平顺引起的振动荷载;

P2sinω2t——高低轨道不平顺引起的振动荷载;

P3sinω3t——水平轨道不平顺引起的振动荷载;

Pi——振动荷载的幅值;

ωi——对应行车速度下的振动荷载圆频率,其计算公式为:ωi=2πV/Li。

其中,V——列车运行速度;

Li——第i种不平顺条件下振动荷载的弦长。

3 基于轨道不平顺性的桩 板结构的有限元模拟

3.1 计算模型及本构关系

桩-板结构路基由下部钢筋混凝土桩基、上部钢筋混凝土承载板和路基本体组成,承载板与轨道结构直接连接。承载板承受轨道及列车荷载并传递至桩基,通过桩基传递至地基及持力层。路堤填土对桩-板结构的约束作用,使桩 板结构路基具有较大的横向和纵向刚度。

某高速铁路路基,基底为砂质黄土、黏质黄土,属松软土,为保证地基强度和沉降满足规范要求,设计采用桩-板结构加固,如图1所示。承载板板端放置在沿横断面方向设置的承台上,并通过联结装置与承台相联结。桩基加固至黏质黄土层以下,长30m,桩径为1.0m,横向间距为5m,纵向间距为7m;承载板长20m。

图1 桩-板结构路基示意(单位:m)

在有限元模型中,桩基、承载板采用弹塑性模型模拟;考虑到土体的非均质性和非线性特征,采用Drucker-Prager模型模拟路堤填土和桩周土体。桩基、承载板、土体均采用三维实体单元建立有限元模型,共划分213849个单元,228732个节点,如图2所示。为研究桩 板结构的受力特性,分别对该模型施加轨道及列车换算静荷载、基于不平顺要求的列车激振荷载,采用FLAC3D数值分析软件对桩板结构进行模拟分析。3.2 计算结果分析

图2 桩-板结构有限元数值模型

列车运行速度为300km/h,考虑列车车轮静载、轴线和竖向轨道平顺性,列车动荷载可用下式计算

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

列车动荷载随时间的变化曲线如图3所示。

将此正弦激振函数作用在路基结构上,模拟路基桩-板结构在列车动荷载作用的动力响应。采用桩-板结构加固后的某截面的沉降值如图4所示。

可以看出,考虑轨道不平顺性的列车动荷载作用下,桩板结构加固后的路基工后沉降值满足《高速铁路设计规范》的要求。列车动荷载的影响集中在路基本体一定范围内。土体深度20m以下,以及边坡坡脚10m外,沉降值小于0.001m,列车动荷载对沉降的影响可以忽略不计。

图3 考虑轨道平顺性要求的列车动荷载

图4 某断面的沉降等值线(单位:m)

4 结论及建议

高速铁路对路基结构提出了更高的要求,本文从轨道平顺性要求出发,考虑列车动荷载,对桩-板结构加固后的复合地基进行了动力响应分析。

(1)从轨道的平顺性要求出发,考虑列车类型、行驶速度等因素,模拟列车动荷载是可行的。

(2)在列车动荷载的作用下,路基的沉降随深度逐渐递减,在一定深度范围以下,列车动荷载对路基沉降的影响较小,可以忽略不计。

(3)桩-板结构加固后的复合地基,提高了路基体的承载力,路基沉降值控制在合理范围内。

[1] 王其昌,高速铁路土木工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.

[2] 赵学思.高速铁路路基体计算中的列车荷载模拟问题研究[J].铁道勘察,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] 蒋关鲁,房立凤,王智猛.无砟轨道跨涵洞桩板结构路基及过渡段设计[J].铁道标准设计,2009(9):1 -5.

[6] 詹永祥,蒋关鲁,牛国辉,等.武广线高边坡陡坡地段桩板结构路基的设计理论探讨[J].铁道工程学报,2007,12(S):94 -96.

[7] 魏永幸.客运专线无砟轨道桩 板结构路基[J].铁道工程学报, 2008(4):19 -22.

[8] 边学成,陈云敏.列车荷载作用下轨道和地基的动响应分析[J].力学学报,2005,37(4):477 -484.

[9] 李军世,李克钏.高速铁路路基动力反应的有限元分析[J].铁道学报,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 瑶(1982—),女,工程师,博士研究生,E-mail:sclyyaoyao @gmail.com。