地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响分析

赵立宁,蔡小培,曲 村

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

1 研究背景

无砟轨道已成为我国高速铁路轨道的主要结构形式,在实际工程中大量应用。高速铁路对轨道的平顺性提出了更高要求,然而无砟轨道对于沉降变形却十分敏感。路基是铁路线路工程的一个重要组成部分,是承受轨道结构重力和列车荷载的基础,也是线路工程中最薄弱最不稳定的结构构成[1]。高速铁路路基变形会导致轨下基础产生较大的变形,轨道的垂向平顺性明显降低,高速运营条件下,大大影响无砟轨道的受力和变形,引起较大的轮轨动力响应,造成车体垂向加速度、轮轨力、无砟轨道结构应力的增加,会使无砟轨道开裂。路基不均匀沉降直接影响列车运行的舒适度和安全性,对于无砟轨道更是直接影响到其安全使用寿命[2],因此需要对沉降进行严格控制。

国内外对于高速铁路线下基础已从路基不均匀情况下无砟轨道的受力、行车安全和路基沉降限值等角度进行了探讨[3-11]。但是针对地面不均匀沉降及轨道结构层的变化对无砟轨道结构平顺性的影响,国内外尚缺乏相关研究。地面沉降会引发轨道变形,影响轨道的平顺性,当沉降变形过大时,甚至会威胁列车的运行安全。因此,研究地面沉降作用下的无砟轨道平顺性具有重要的理论意义与应用价值。

2 理论模型的建立

2.1 模型建立

为了更好地模拟实际情况,本文建立了路基上单元板式无砟轨道-路基模型,包括钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、支承层、路基。钢轨可视为弹性点支承梁,扣件采用点弹簧模拟,轨道板、CA砂浆层、支承层和路基采用三维实体进行模拟。该模型不仅能够有效反映结构空间受力及变形情况,还能模拟层间的离缝状态。单元板式无砟轨道-路基-地面简化模型如图1所示。

图1 板式无砟轨道-路基简化模型

单元板式无砟轨道-路基模型在建立过程中,充分考虑了实际工程情况,在施加地面沉降位移荷载前进行了地应力平衡；沿线路纵向及横向,模型的尺度均有较大冗余,以此来降低边界效应对计算结果的影响；为简化计算过程,在此取轨道的一半建立模型进行研究计算,并在对称面施加对称约束。因此,所建立的模型具有较高的真实模拟性,计算时应用了有限元方法。

2.2 模型参数

目前,对于无砟轨道路基地段不均匀沉降曲线,国内建议采用的是余弦型沉降曲线,波长20 m[12]。本文中亦采用余弦型沉降曲线作为地面沉降参数。余弦型不均匀沉降曲线如图2所示。

图2 余弦型不均匀沉降曲线

在波长范围内,沿线路纵向(Z)的表达式为

式中,f0表示波深,Z表示不均匀沉降的位置坐标,l为波长。板式无砟轨道-路基有限元模型参数取值如表1所示。

表1 板式无砟轨道-路基-地面模型参数取值

3 地面沉降幅值对轨道平顺性的影响

为了研究地面沉降幅值对轨道平顺性的影响,根据地面不均匀沉降幅值的不同,选取几种工况分别进行计算(波幅mm/波长m)，见表2。

表2 不同不均匀沉降幅值工况 mm/m

在不同沉降工况下,钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、基床表层及基床底层的最大下沉量如表3所示。

表3 板式无砟轨道各结构层的最大下沉量 mm

由表3可以看出在不同工况下,无砟轨道各结构层的沉降量不同,但总体上沉降量都随着地面沉降量的增大而增大。在同一种工况下,轨道结构各层的沉降量也不同,但相差不多,钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、基床表层及基床底层的沉降量从上到下依次增加。轨道结构和路基的沉降量不同,是由于轨道结构之间的相互作用关系较强,且轨道结构的刚度要比路基的大,所以轨道结构的沉降量相对于路基要小,并且导致轨道结构层与路基之间有离缝出现。随着沉降幅值的增大,离缝现象将会更加明显。在地面沉降幅值为5 mm时,支承层和基床之间的离缝为0.11 mm,当地面沉降幅值为30 mm时,支承层和基床之间的离缝则可达0.82 mm。

在15 mm和25 mm沉降波幅情况下(工况3与工况5)钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、基床表层及基床底层沿线路方向的纵向下沉曲线如图3、图4所示。

图3 15 mm/20 m地面沉降下各结构层的下沉曲线

图4 25 mm/20 m地面沉降下各结构层的下沉曲线

从图3、图4中可以看出,在地面发生沉降时,无砟轨道发生跟随性的沉降,各结构层的变形曲线与余弦型曲线非常接近,且各结构层沉降曲线基本重合,随着沉降幅值的增加,各结构层的下沉量也随之增加,基本呈线性增长的趋势。在波长20 m的范围之外,钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、基床表层及底层均产生了微小上拱现象,随着沉降量的加大,上拱现象表现越来越明显,这将会影响轨道的平顺性。

不同沉降幅值下的轨道板下沉曲线如图5所示。

图5 轨道板在不同工况下的沉降位移

由图5可看出，轨道板在地面发生不同沉降幅值下的沉降曲线不同,轨道板最大沉降值随着地面沉降幅值的增大而增大,其沿线路方向的沉降变化与余弦型曲线相似,最大沉降发生在中部,与不均匀沉降波谷所处位置相对应,且沉降最大值近似呈线性关系。不难看出,其他各结构层的下沉量与沉降幅值也基本呈现出线性关系。

4 无砟轨道结构层厚度对轨道平顺性的影响

无砟轨道结构层由不同特性的材料组成,其厚度不仅影响工程的造价,更影响到轨道结构的整体稳定性和刚度,在地面发生沉降时影响到无砟轨道的平顺性。为了研究各结构层厚度会对地面沉降作用下的无砟轨道平顺性的影响,在20 mm/20 m沉降工况下将无砟轨道中轨道板、CA砂浆层和支承层的厚度分别增加20 mm和40 mm进行模拟计算(工况7、工况8、工况9),并将其结果与标准厚度下的结果进行对比分析(表4)。

表4 不同厚度下无砟轨道各结构层最大沉降值 mm

由表4可以看出,在地面发生沉降情况下,无砟轨道结构层厚度的不同使得无砟轨道各结构层的沉降值也会不同,并且呈现出一定的规律。随着各结构层厚度的增大,在地面沉降作用下轨道各层的沉降值在逐渐减小,但是变化幅度并不是很大。各结构层沉降值的减小是由于结构层厚度的增加使得无砟轨道整体刚度有所增大,提高了轨道抵抗变形的能力。

由图6可以看出,在不同支承层厚度下所得的地面沉降作用下的轨道各结构层的沉降曲线几乎重合。这说明增大无砟轨道各结构层的厚度虽然可以增大无砟轨道的刚度,提高其整体抵抗变形的能力,使其在沉降情况下发生的沉降变形减小,降低对轨道平顺性的影响,但是效果并不十分明显。

图6 不同支承层厚度下轨道板沉降位移

5 轨道结构层间离缝对轨道平顺性的影响

在运营过程中,无砟轨道在机车车辆荷载作用和自然条件影响下,随着通过总重的累积,各结构层间的粘合度将会下降,甚至出现离缝。无砟轨道结构层间离缝的出现,会对无砟轨道的平顺性造成很大的影响,使线路平顺性恶化,轨道结构及部件产生伤损,旅客舒适度降低,养护维修费用增加。为了研究各结构层之间出现离缝时在地面发生沉降情况下对无砟轨道平顺性的影响,在此将地面沉降作用下各结构层离缝状态下所得的计算结果与完好状态下所得的计算结果进行对比分析。

无砟轨道中轨道板与CA砂浆层之间、CA砂浆层与支承层之间和支承层与基床表层之间出现离缝时在地面发生20 mm/20 m沉降情况下计算所得的无砟轨道各结构层最大沉降值如表5所示。

表5 离缝状态下无砟轨道各结构层最大沉降值 mm

由表5可以看出,在地面发生沉降时,无砟轨道各结构层间出现离缝时的沉降量要比无砟轨道处于完好状态的沉降量大,尤其是当支承层与基床表层之间出现离缝时,其最大沉降量会比完好状态下大1 mm左右。这说明无砟轨道各结构层间离缝的存在会对轨道的平顺性产生很大的影响。

图7 不同离缝状态下轨道板沉降位移

由图7可以看出,在地面发生沉降时,无砟轨道结构层之间出现离缝情况下的沉降曲线与完好状态下的有明显的不同。在发生离缝状态下,无砟轨道各结构层的沉降值要比完好状态下的沉降值大,对轨道平顺性的不利影响也更大,尤其是在支承层与基床表层之间出现离缝状态时。这是由于在发生离缝时,无砟轨道各结构层之间的相互作用减小了,降低了无砟轨道的整体稳定性。因此,在实际工程中要严格控制无砟轨道各结构层之间出现离缝,以免影响轨道的平顺性,降低行车舒适性。

6 结论

本文针对地面不均匀沉降对单元板式无砟轨道平顺性的影响,主要从地面沉降幅值、无砟轨道各结构层厚度变化及结构层间出现离缝对轨道不平顺性的影响进行了相关研究,得出以下结论。

(1)在地面发生沉降时,无砟轨道会发生跟随性的沉降,无砟轨道各结构层的沉降量不同,从上到下各结构层沉降值依次增大,但差异并不是很大。

(2)在地面发生沉降时,无砟轨道各结构层的沉降量都随着地面沉降幅值的增大而增大,且近似呈线性增长,各结构层之间会出现离缝。

(3)在地面发生沉降情况下,增大无砟轨道各结构层的厚度可以减小无砟轨道的沉降量,降低地面沉降对轨道平顺性的影响,但是效果并不十分明显。

(4)在地面发生沉降情况下,无砟轨道结构层之间出现离缝情况下的沉降比完好状态下的沉降量大,对轨道平顺性的不利影响也更大。因此,应加强对无砟轨道各层结构之间离缝的监测,一旦发现尽快进行维修。

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