高速列车荷载下无砟轨道-沥青混凝土面路基结构力学响应

孔繁越

中国铁路设计集团有限公司，天津 300308

路基作为轨道结构的基础，其强度、刚度及稳定性直接影响着列车的安全运营，路基含水量直接影响其工作状态［1-2］。因此，工程界高度重视路基防排水问题。目前，我国采用铺设路基面防水封闭层来阻止雨水及地表水渗入，主要分为水泥混凝土与沥青混凝土封闭层两大类。水泥混凝土材料脆性大，变形适应能力差，易出现封闭层开裂问题；而沥青混凝土材料具有较好的黏弹性，适应性好，易维修，在我国哈齐高速铁路、郑徐高速铁路等多条线路上被广泛应用，逐渐替代了水泥混凝土材料［3-4］。

沥青混凝土是温度敏感性材料。众多学者［5-8］对温度荷载作用下沥青混凝土层的力学特性进行了研究，通过现场实尺模型试验和数值仿真技术，分析了含沥青混凝土层无砟轨道结构温度场的时变规律及空间分布规律、沥青混凝土层的受力特点、沥青混凝土层对温度场的影响等。除温度荷载外，全断面铺设的沥青混凝土层还受到由轨道结构传递的列车荷载的作用，具有较好的减振、优化基床受力等特点［9］。徐琪烽［10］使用ABAQUS 软件建立有砟轨道结构模型，分析了列车荷载作用下有砟轨道沥青混凝土底砟层的动力响应时程变化及分布规律。石越峰等［11］基于建立的有砟轨道沥青混凝土底砟层三维有限元分析模型，分析了其在列车荷载作用下的受力变形特性，此路基结构基床表层的竖向变形和振动加速度明显减小。方明镜［12］将优选的沥青有砟轨道结构与沥青混凝土蠕变试验数据相结合，进行线黏弹性有限元分析，揭示了沥青轨下基础结构的主要动力行为特征。以上研究主要集中在温度荷载及有砟轨道动力响应方面，但沥青混凝土层对高速铁路无砟轨道-路基结构体系力学响应的研究不够深入，缺乏系统分析。

本文通过建立高速列车⁃CRTSⅢ型板式无砟轨道-传统路基结构/沥青混凝土面路基结构实体有限元分析模型，针对列车荷载在无砟轨道-路基结构内荷载传递与分布特征，对比分析沥青混凝土层对轨道板、底座板及基床受力的优化效果，论证沥青混凝土层对高速铁路列车-无砟轨道-路基结构体系力学响应的影响。

1 有限元模型

1.1 模型参数

建立传统路基结构和沥青混凝土面路基结构两个有限元动力分析模型，各部件均采用实体单元建模。轨道板与自密实混凝土形成的复合板结构采用单元式方案，设置0.07 m 的伸缩缝；一块底座板对应两块复合板并设置0.02 m 的伸缩缝，为抵抗剪切变形，底座板间设置传力杆；传统路基结构基床表层厚0.4 m，沥青混凝土封闭结构采用0.1 m 厚的沥青混凝土层等厚度地代替基床表层。

考虑到沥青混凝土属于温度敏感性材料，其弹性模量受温度影响较大，但列车荷载对沥青混凝土层作用时间较短，在此时间段内其黏弹性无法充分发挥，故选取我国中部某地四季的平均气温为基准，根据温度情况选取沥青混凝土层的弹性模量［11］。模型各结构层参数见表1，不同季节时沥青混凝土弹性模量见表2。

表1 模型各结构层参数

表2 不同季节时沥青混凝土弹性模量

车辆包括1个车体、2个转向架、4个轮对，共31个自由度。选取CRH3型高速列车进行模拟，轴重17 t，运行速度350 km/h，轮轨接触采用Hertz非线性弹性接触理论进行模拟，左右两根钢轨上施加轨道不平顺谱以模拟轨道不平顺现象，建立的高速铁路列车⁃CRTSⅢ型板式无砟轨道-传统路基结构/沥青混凝土面路基结构有限元分析模型见图1。

图1 有限元分析模型

1.2 模型验证

根据郑徐高速铁路全断面沥青混凝土防水封闭结构工程试验段实车动态测试结果进行模型验证。该试验段底座板厚度为20 cm，沥青混凝土层厚度为10 cm，列车运行速度为350 km/h，其余各参数与上述一致。根据以上条件建立有限元模型进行仿真计算，郑徐高速铁路实测值与计算值对比见表3。可知，数值仿真计算结果与实车动态检测结果相差较小，偏差在可接受范围内，故认为该数值仿真分析模型可以较好地模拟实际情况，可用于后续的计算与分析。

表3 郑徐高速铁路实测值与计算值对比

2 模型计算结果分析

计算传统路基结构与沥青混凝土面路基结构模型的轨道板、底座板、基床表层与基床底层的压应力、动变形和轨下位置的振动加速度并进行对比分析，论证沥青混凝土的有益效果。

2.1 应力与变形的横向分布

1）轨道板

两种路基结构轨道板底部压应力、动变形横向分布见图2。

图2 轨道板底部压应力及动变形横向分布

由图2（a）可知：两种路基结构轨道板底部压应力横向呈轨下位置压应力最大，轨道结构中部和两侧压应力接近于0 的W 状分布；因左右钢轨施加的轨道不平顺幅值不同，对应位置的轨道板底部压应力峰值存在差异，传统路基结构左右钢轨压应力差异较大，最大差值可达116.72 kPa，而沥青混凝土面路基结构左右钢轨压应力差值最大仅为20.90 kPa；沥青混凝土面路基结构轨道板底部压应力明显小于传统路基结构，压应力降幅为40.57%。可见，沥青混凝土面路基可改善轨道结构的受力状态。

由图2（b）可知：两种路基结构轨道板底部动变形横向波动较小，与轨道板刚度较大有关；与沥青混凝土面路基结构相比，传统路基结构轨道板底部动变形较大，且动变形最大出现在轨下对应位置，不同位置位移有较大区别，说明铺设沥青混凝土层可使轨道板受力更加均匀；沥青混凝土面路基结构轨道板底部动变形峰值小于传统路基结构，降幅为42.00%。

2）底座板

两种路基结构底座板底部压应力、动变形横向分布见图3。

图3 底座板底部压应力及动变形横向分布

由图3（a）可知：两种路基结构底座板底部压应力横向分布规律基本一致，与轨道板底部压应力分布规律类似，均呈轨下位置压应力最大、底座板中部位置压应力较小、底座板边缘位置有小幅上升的趋势；与传统路基结构相比，沥青混凝土面路基结构左右两钢轨压应力峰值仅相差9.19 kPa，其底座板底部压应力要小于传统路基结构，底座板底部压应力降幅可达52.17%。

由图3（b）可知：因底座板刚度较大，两种路基结构底座板底部动变形横向分布波动较小；传统路基结构有些许波动，基本稳定在0.3 mm 左右，传统路基结构底座板底部动变形峰值对应出现在轨下位置，沥青混凝土面路基结构动变形峰值小于传统路基结构，降幅为30.06%。

3）基床

两种路基结构基床表层及基床底层顶部压应力、动变形横向分布见图4。

图4 基床表层、基床底层顶部压应力及动变形横向分布

由图4（a）、4（c）可知：两种路基结构基床压应力横向分布规律一致，与轨道结构压应力横向分布规律不同，其峰值位置出现在底座板边缘，与列车荷载主要由上部轨道结构承担且底座板边缘存在侧向剪切作用有关，中部3～6 m 左右压应力较小，横向距离超过底座板边两侧位置后压应力骤降，最终稳定在0 附近；传统路基结构基床表层、基床底层顶部压应力横向分布左右峰值存在一定差异，沥青混凝土面路基结构左右峰值基本一致，沥青混凝土面路基结构基床表层及基床底层顶部压应力横向分布峰值小于传统路基结构，降幅分别为63.17%、13.42%，说明沥青混凝土面路基可降低路基的应力水平，进而改善路基的受力状态。

由图4（b）、4（d）可知：两种路基结构基床动变形横向分布规律一致，底座板范围内基床表层动变形均匀分布，在底座板边缘位置达到最大值，由底座板边缘向两侧迅速衰减至0；设置沥青混凝土层可使基床表层、基床底层动变形有所减小，降幅分别为14.49%、13.63%。由于沥青混凝土的弹性模量介于无砟轨道底座与基床表层级配碎石之间，改善了无砟轨道向路基结构的竖向刚度过渡，提升了基床结构的整体刚度，降低了基床顶面的动变形。

2.2 应力与变形的纵向分布

1）轨道板

两种路基结构轨道板底部压应力、动变形纵向分布见图5。

图5 轨道板底部压应力及动变形纵向分布

由图5（a）可知：两种轨道结构轨道板底部压应力沿线路纵向在车轮作用处压应力最大，轮载作用沿纵向影响范围可达6 m，轨道板直接承受经钢轨传递的列车荷载，由于列车的振动和轨道不平顺的影响，使轨道板压应力纵向分布图波动较大；设置沥青混凝土层后轨道板底部压应力减小了235.48 kPa，说明采用沥青混凝土层等厚度替代基床表层有利于减小结构受力。

由图5（b）可知：两种路基结构轨道板底部动变形纵向呈V 字形分布，与压应力纵向分布类似，轮载作用处轨道板底部动变形最大；沥青混凝土面路基结构轨道板动变形比传统路基结构小0.085 mm。

2）底座板

两种路基结构底座板底部压应力、动变形纵向分布见图6。

图6 底座板底部压应力及动变形纵向分布

由6（a）可知：两种路基结构底座板底部压应力纵向分布均在轮载作用处达到峰值，与轨道板对比，压应力波动明显减小，主要因振动沿深度逐渐减弱有关，轮载作用沿纵向的影响范围大致在6 m 左右；沥青混凝土面路基结构底座板底部压应力小于传统路基结构，压应力差值为20.19 kPa，说明沥青混凝土面路基可显著改善轨道结构的受力状态。

由图6（b）可知：两种路基结构底座板底部动变形纵向均呈现出由轮载作用处向两侧逐渐递减的V 字形分布；沥青混凝土面路基结构底座板动变形比传统路基结构小0.085 mm。

3）基床

两种路基结构基床表层和基床底层顶部压应力、动变形纵向分布见图7。

图7 基床表层、基床底层顶部压应力及动变形纵向分布

由图7可知：两种路基结构基床压应力、动变形纵向分布规律一致，峰值位置均出现在轮载作用处，由轮载作用位置向两侧逐渐减小，最后趋于0；铺设沥青混凝土层可使压应力、动变形均有小幅降低，降幅可达6～7 kPa和0.04 mm。

2.3 应力与振动加速度的垂向分布

传统路基和沥青混凝土面路基结构在无砟轨道结构深度范围和路基结构深度范围内压应力垂向分布见图8。

图8 压应力垂向分布

由图8（a）可知：两种路基结构压应力沿垂直方向在无砟轨道结构范围内主要分为两阶段线性衰减，在复合板范围内由788.67 kPa 减小到95.35 kPa，衰减速率较快；底座板范围内由136.85 kPa 减小到103.64 kPa。故轨道结构为主要承载区域。

由图8（b）可知：两种路基结构基床表层顶部压应力在20 kPa 左右，随着深度的增加压应力逐渐衰减；整体来看，两种路基结构的压应力在基床表层范围内衰减速率明显高于基床底层，且沥青混凝土面路基结构的压应力小于传统路基结构，说明铺设沥青混凝土层可改善路基结构受力；传统路基结构压应力沿深度的衰减幅度明显小于沥青混凝土面路基结构，因此在路基结构内沥青混凝土层作为主要承载结构。

相关研究表明，各结构层轨下位置加速度最大，因此对各结构层轨下位置加速度进行垂向分析。传统路基结构和沥青混凝土面路基结构各结构层轨下位置垂向加速度对比见表4。

表4 两种路基结构各结构层轨下位置垂向加速度 m·s-2

由表4 可知，传统路基结构和沥青混凝土面路基结构各结构层垂向加速度均未超过规范限值，垂向加速度沿深度均呈逐渐降低的趋势，两种路基结构各结构层加速度峰值相差较小。

3 结论

1）高速列车荷载作用下，两种路基结构压应力、动变形横向分布规律基本一致，增设沥青混凝土层后，各结构层的压应力、动变形峰值均有所降低，故沥青混凝土层可提升结构体系的整体刚度，使其受力更加均匀。

2）两种路基结构压应力、动变形沿线路纵向均在车轮作用处达到最大值，向两侧逐渐减小，最后趋于0，呈V 形分布。增设沥青混凝土层后各结构层力学响应均有明显改善，表明采用沥青混凝土层等厚度替代基床表层可改善轨道结构向路基结构的竖向刚度过渡，减小整个结构体系受力。

3）压应力在两种路基结构内沿深度均呈逐渐递减的趋势，在轨道结构内分为两阶段线性衰减，两种路基结构幅值差异较小；在路基结构内，沥青混凝土面路基结构压应力小于传统路基结构，沿深度降幅更大，故沥青混凝土层为主要承载结构。