列车提速对路基竖向位移的影响及加固效果评价

2022-04-12张文月

沈阳大学学报(自然科学版) 2022年2期

张文月

(福州理工学院应用科学与工程学院, 福建福州 350506)

列车在铁路上运行时,轨道结构会直接承担车轮传来的动载荷,并沿着接触面向周围传播,下方的路基会随之产生振动现象[1]。针对该问题,诸多学者对列车动载荷下路基的变化规律展开了研究工作:曹刚等[2]通过ANSYS软件建立列车动载荷作用下的数值分析模型,以重载铁路基床的设计参数为控制变量,得出当路基弹性模量和容重增大时,应力累计增大、沉降变形累计减小的结论;孔祥勋等[3]根据巴准重载铁路的工况建立高路堤分析模型,从路基的动应力和竖向加速度2个方面,研究列车的运行速度对于路基振动响应的影响;蒋红光等[4]在试验室中建立高速铁路的路基模型,模拟真实列车载荷的加载系统,得出路基的振动随着列车速度提升近似线性增长,并提出了预测铁路路基动应力的经验表达式。

本文在上述研究的基础上,以兰新铁路乌鲁木齐-奎屯段线路中典型路基断面为研究对象,采用MIDAS GTS/NX数值模拟软件建立模型,并施加动载荷,分析列车在不同的运行速度条件下铁路路基变形规律,针对列车提速后路基沉降值不满足规范要求的情况,提出合理的路基加固及治理措施。

1 工程概况

兰新铁路连接我国东西部地区,是铁路网的重要组成部分[5]。为响应国家号召,满足列车提速和高运载量的需求,该段线路由单线铁路扩建为双线铁路,设计时速由最初的80 km·h-1提升至140 km·h-1(乌西至石河子段)和160 km·h-1(石河子至奎屯段)。近年来,受到列车提速的影响,该线路的K2164+800～K2168+600段路基沉降量逐渐加剧,轨道-路基系统恶化,导致现场维修工作量大,严重时可能危及行车安全。

2 路基参数及模型的建立

根据K2164+800～K2168+600段线路的典型断面,并结合《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)要求,建立基床-路基-地基结构数值模型,如图1所示。具体尺寸如下:路基的宽度为13 m,基床顶面宽度为10 m,厚度0.5 m;路基高度为10 m,分为上层和底层路基,分别为4 m和6 m,上层和底层路基边坡坡度分别为1.0∶1.5和1.00∶1.75;地基的高度为14 m,其中硬土层为8 m,软土层为6 m,土层的参数如表1所示。考虑到在应力传播过程中会受到有效应力的影响,路基结构沿横向的计算宽度一般取路基宽度或高度的3～5倍[6],本模型取为30 m。根据K2164+800～K2168+600段的列车实际运行情况,动载荷采用我国C80型25 t轴重的重载列车,以集中力的形式施加于基床表面,设计时速分别按照80、100、120、140、160 km·h-1输入模型中。

图1 路基模型

表1 土层基本参数

3 模拟结果分析

3.1 单线列车运行结果分析

在运算过程中,设计列车运行总时长为1.0 s,控制时间增量为0.1 s,以列车运行速度80 km·h-1单线运行为例施加列车动载荷,选取时间节点为0.1、0.4、0.7、1.0 s,路基表面竖向位移计算结果如图2所示。从图2可知,随着列车不断向前运行,路基表面竖向位移最大值沿-Y轴方向移动,而且竖向位移呈现逐渐增大趋势,列车通过时对路基表面位移的影响范围也在逐渐扩大。当列车离开后,竖向位移变形开始减小,不断恢复,但是仍有部分变形无法恢复至初始状态,列车反复通过后,这部分变形表现为塑性变形,即形成路基的最终沉降量[7]。

图2 单向运行时各时间点的位移

3.2 双线列车运行结果分析

为研究双线列车相向行驶时路基表面竖向位移的变化规律,仍以列车运行速度80 km·h-1为例施加动载荷,运行总时长为1.0 s,时间增量为0.1 s,两列车分别自起点沿+Y轴和-Y轴方向行驶,选取时间节点为0.1、0.4、0.7、1.0 s,计算结果如图3所示。根据图3可知:随着两列车相向行驶,路基表面竖向位移也沿着+Y轴和-Y轴方向移动, 当两列车相遇时, 路基的振动响应会产生叠加效应[8],路基产生更大的竖向位移,同时对路基造成的损伤也更加严重;两列车从相遇到错开的整个过程中,对路基表面竖向位移的影响范围逐渐扩大。

图3 双行列车运行时各时间点的位移

3.3 单双线列车运行结果对比

列车运行速度为80 km·h-1时,在运行时间1.0 s内得到的路基表面竖向位移时程曲线如图4所示。由图4(a)可知,当单线列车驶过,路基表面的竖向位移会出现2个明显的峰值,即竖向位移的最大值,而且第2个峰值明显大于第1个峰值。在列车运行初期,路基表面的竖向位移近似呈线性增长,在第0.4 s时,出现第1个峰值0.930 mm,随后的0.1 s内不再继续增长;在第0.7 s时,出现第2个峰值1.302 mm;在第1.0 s时,路基表面的竖向位移最终保持在1.018 mm。由图4(b)可知,当双线列车运行时,路基表面的竖向位移与单线列车运行时呈现出相似的变化趋势,也会出现2个峰值:在第0.4 s时出现第1个峰值,为1.075 mm;在第0.9 s时出现第2个峰值,为1.78 mm;但是竖向位移值明显较单线列车运行时大。在第0.1 s时,双线列车运行条件下的竖向位移为0.259 mm,单线列车运行条件下的竖向位移为0.168 mm,两者为1.54倍关系;在第1 s时,两者为1.4倍关系。这是由于双线列车相向行驶时,双侧的载荷传递时产生了复杂的叠加效应,但是并非成倍叠加,路基表面产生的竖向位移也不是成倍关系。

图4 路基竖向位移时程曲线

3.4 列车提速条件下结果分析

由于列车通过时路基竖向位移会存在明显的峰值,则只需要研究列车提速条件下路基竖向位移峰值的变化规律[9]。以列车运行速度为研究对象,根据K2164+800～K2168+600段线路实际的提速情况,列车速度分别取80、100、120、140和160 km·h-1,得到竖向位移的结果如图5所示。

图5 列车速度对路基竖向位移的影响

由图5可知,单线和双线列车运行时,路基竖向位移的变化趋势基本保持一致,即随列车速度提升呈非线性增长。当列车单线运行速度为80 km·h-1时,路基表层的竖向位移为1.31 mm;速度为120 km·h-1时,路基表层的竖向位移为1.69 mm,增长了29.01%;速度为160 km·h-1时,路基表层的竖向位移为2.43 mm,增长了43.79%。当列车双线运行速度为80 km·h-1,路基表层的竖向位移为1.70 mm;速度为120 km·h-1时,路基表层的竖向位移为2.01 mm,增长了18.24%;速度为160 km·h-1时,基床表层的竖向位移为2.79 mm,增长了38.81%。通过数据的对比分析可知,列车运行的速度越快,路基竖向位移的增长率就越大,这是因为列车运行时,速度越快对路基表面施加的动载荷越大,从而在列车通过的瞬间,路基的振动响应更加明显[10]。

《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)规定,列车运行时路基变形允许值为2 mm[11]。由图6可知,当列车单、双线运行时速分别为140、120 km·h-1时,竖向位移最大值均超过2 mm,不能满足规范要求。因此,需要对该段线路的路基进行治理,采取有效的加固措施,保证提速后能达到规范设计要求。

图6 旋喷桩加固模型

4 高压旋喷桩加固路基效果评价

目前,对于路基的常用加固措施有局部换填法、土工合成材料加固法、旋喷注浆法等,前2种方法对于局部的路基病害表现出很强的适用性,而旋喷注浆法以高压喷射流直接破坏并加固土体,形成的固结体强度高,形状可以控制,能灵活成型,适用于对既有工程的大范围治理。由于K2164+800～K2168+600段中列车提速后导致路基沉降值过大,造成了多处路基病害,涉及范围较广,因此宜采用高压旋喷桩注浆加固法治理。在轨道-路基-地基结构模型的基础上打入旋喷桩,其模型如图6所示,旋喷桩参数如表2所示。定义材料的本构模型时,采用摩尔库伦强度计算准则。

表2 旋喷桩参数

旋喷桩可置换路基中承载力较差的土体,有效改善土体的压缩性能,并提高土体强度,列车经过后,能有效抑制路基土体的竖向位移[12]。通过控制变量法,对旋喷桩的竖向角、桩长、桩间距等设计参数进行方案比选,依据K2164+800～K2168+600段线路的典型断面的工程概况,得出旋喷桩的最优设计方案参数为桩长度8 m、桩间距2 m、倾斜角度60°。采用这种方案对路基加固治理,再施加不同列车运行速度下的动载荷,通过数值模拟计算路基表面的竖向最大位移,并对治理后的效果进行合理评价。在不同的列车设计时速下,治理前后的路基表面竖向动位移计算结果如表3所示。

表3 不同列车速度的竖向位移计算结果

通过治理前后对比发现,路基表面竖向位移减小率为12%～17%,说明旋喷桩对于路基表面竖向位移有明显的抑制效果。当列车的设计时速为140 km·h-1时,路基表面竖向位移为1.98 mm,满足设计规范变形允许值的要求;当列车设计时速提升至160 km·h-1时,竖向位移超出2 mm的限值。因此,采用斜向高压旋喷桩法加固后,路基承载性能增强,列车可提速至140 km·h-1。