路基冻胀对高速铁路轨道结构形变的影响分析★

郭 毅 李秀玲 杨 行

(昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650217)

我国已建、在建和拟建的高速铁路与客运专线1/3以上均位于深季节冻土地区[1,2]。该地区高速铁路的路基在冬季会出现冻胀变形，使轨道结构的整体性受到破坏，钢轨产生几何不平顺，迫使列车的运营速度降低。当轨道结构发生形变或者破坏时，列车高速通过将引起车轨系统的剧烈震动，进一步加剧对轨道结构的破坏，甚至威胁到行车的安全性。可见路基冻胀变形会对行车的安全性和舒适性产生严重的威胁，同时大大缩短高速铁路轨道系统的服役性能和寿命。本文利用ANSYS软件建立了CRTSI型板式无砟轨道模型，分析了单一谐波的路基冻胀变形对轨道结构形变的影响，以期为冻区轨道的养护维修提供参考。

1 路基冻胀变形传递模型

1.1 CRTSI型板式无砟轨道

为加快计算，文中所建立的轨道模型为实际结构的一半，采用对称约束，并且不考虑凸台的影响，见图1。模型中，钢轨使用梁单元Beam188模拟，扣件及胶垫使用弹簧单元Combin14模拟，其他结构使用实体单元Solid185模拟。在底座板下表面和路基上表面采用Targe170和Conta174接触单元模拟路基的散体特性。轨道纵向长度约为100 m，考虑底座板伸缩缝，每3块轨道板设置一条伸缩缝，无砟轨道所使用的参数见文献[3]。

1.2 路基冻胀变形模型

本文所采用的路基冻胀变形模型[4]如图2所示。

该模型的数学表达式为：

其中，f0为冻胀变形的幅值；x为发生冻胀变形的位置；x0为冻胀变形的起始位置；l0为冻胀变形的波长；y为路基在冻胀变形范围内的冻胀变形值。本文仅研究路基冻胀变形发生后，对上部轨道结构的影响，因此将上述的路基冻胀变形模型加载在路基上表面，作为计算模型的输入。

2 路基冻胀对轨道结构的影响

根据某高速铁路的静态检测数据显示[3]，该线路在2011年—2012年、2012年—2013年均出现了一定数量的路基冻胀变形，变形的幅值主要集中在4 mm～16 mm，波长集中在6 m～20 m之间。故本文选取波长10 m、幅值10 mm作为算例进行计算分析，并在此基础上分别研究波长和幅值的变化对轨道结构的影响。

2.1 冻胀位置的影响

为探明路基冻胀发生的位置是否对轨道结构变形产生不同的影响，文章将冻胀变形的波峰分别设置在底座板的中间位置和伸缩缝处，变形云图如图3所示。可见，底座板与路基表面之间均出现了一定程度的离缝。当路基冻胀变形发生在底座板中间位置时，底座板与路基表面之间产生了对称分布的2处离缝；当发生在伸缩缝处时，路基表面与底座板之间产生了3处离缝。

图4为无砟轨道上部各层结构的变形情况。两种情况下钢轨、轨道板、CA砂浆与底座板的变形基本一致，变形曲线与路基冻胀变形曲线相似，但是由于底座板与路基表层之间出现了一定程度的离缝，使得上部结构的波长较路基冻胀变形的波长有所增加。同时，各层结构变形的最大值与冻胀幅值基本相同，只是冻胀发生在伸缩缝处时，上部结构变形的最大值略大于冻胀幅值。

离缝量的计算结果如图5所示，当发生在底座板中间位置时，离缝量的最大值为4.83 mm；当发生在伸缩缝处时，左右两侧的最大离缝量为1.87 mm，中心处的离缝量为1.01 mm。即冻胀变形发生在底座板中间位置时，所产生离缝的最大值是伸缩缝处的2.58倍。离缝产生后，列车高速通过离缝区时，将会产生巨大的冲击和拍打，加速轨道结构的损伤，甚至对行车安全造成威胁。因此，从减小离缝对轨道结构和行车安全的影响的角度看，需对发生在底座板中间位置的冻胀变形给予重点关注。

2.2 冻胀波长的影响

本节以幅值为10 mm的冻胀变形为研究对象，计算冻胀波长在5 m～30 m范围内变化时，轨道上部结构变形和层间离缝的变化规律。计算时，将冻胀变形的作用位置设置在底座板的中间位置。

图6给出了钢轨的几何变形随波长的变化规律。可见，无论路基冻胀的波长是否发生变化，只要幅值一定时，钢轨几何变形的最大值基本保持一致，其波长则随着冻胀波长的增加而增加。底座板与路基表面的离缝状况如图7所示。当冻胀波长的变化范围为5 m～15 m时，离缝最大值由5 m时的8.29 mm线性减少至15 m时的1.57 mm。冻胀波长在15 m～20 m范围内变化时，离缝最大值随波长增加而减小的变化速率较前一阶段明显降低。随着波长进一步增加至30 m时，两者之间的离缝量接近为0，说明在该计算工况下，底座板与路基的变形基本一致，列车通过时不会因为层间离缝而产生冲击和拍打。综上，在冻胀幅值不变时，随着冻胀波长的增加，轨道上部结构的变形与冻胀变形趋于一致。因此在线路的养护维修过程中，对于冻胀幅值相当的路段，需要重点关注波长较短的冻胀变形。

2.3 冻胀幅值的影响

本节以波长为10 m的冻胀变形为研究对象，计算了冻胀幅值在5 mm～30 mm范围内变化时，轨道结构变形和层间离缝的变化规律。计算时，仍然将冻胀变形的作用位置设置在底座板的中间位置。

图8为10 m波长条件下，冻胀幅值变化时，钢轨的变形情况。可以看出，在题设条件下，钢轨变形的最大量基本上能够与输入的冻胀幅值保持一致，而钢轨变形的波长在题设范围内的增大量相差不大，在5 mm～30 mm的范围内，钢轨几何变形的波长扩大量大致相当，大约为7 m，即左右两边离缝的长度和。图9为层间离缝随冻胀幅值的变化情况。在冻胀波长为10 m的条件下，离缝最大值由5 mm时的2.0 mm线性增大至30 mm时的16.78 mm，整个变化过程基本上呈线性增加的关系，说明冻胀幅值对层间离缝的影响较为明显，在线路的养护维修中，对于冻胀波长相当的路段，需要重点关注幅值较大的冻胀变形。

3 结语

1)路基冻胀会使无砟轨道各层结构产生一定程度的变形，变形曲线与冻胀曲线基本相似，同时，底座板与路基间会产生一定程度的离缝；2)当路基冻胀变形的峰值作用在底座板中间位置时所产生的离缝量数倍于其作用于底座板伸缩缝处；3)在冻胀幅值一定时，底座板与路基间的层间离缝量会随着冻胀波长的增加呈非线性减少，即幅值一定时，波长越长的冻胀变形对无砟轨道结构的整体性破坏越小；4)在冻胀波长一定时，层间离缝的最大值会随着冻胀幅值的增加呈线性增加，即波长一定时，幅值越大对轨道结构的整体性破坏越大。