浅谈地面沉降对路基上双块式无砟轨道平顺性的
作者：admin2014-11-17 11:35阅读：
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无砟轨道对下部基础沉降变形特别敏感。高速铁路基础沉降会导致轨下基础产生较大的变形，轨道平顺性显著降低，引起较大的轮轨动力响应。基础不均匀沉降直接影响轨道系统安全服役状态和使用寿命，影响旅客的舒适性和行车的安全性，因此需要对下部基础沉降变形进行严格控制。
国内外高速铁路都要求对线下工程进行变形控制，将沉降限制在某一范围内。已有相关文献，从路基不均匀沉降角度，对无砟轨道的受力、行车安全等方面进行了探讨，并提出不均匀沉降的限值及轨道整治措施，但缺少地面不均匀沉降对无砟轨道平顺性影响的相关研究。地面沉降的成因机制复杂，且具有发展缓慢、持续时间长、影响范围大、难以预测防治等特点，相对路基沉降而言其与上部结构平顺性的关系更为复杂。对地面不均匀沉降与轨道、路基变形之间的关系开展研究，具有重要的理论意义与应用价值。
本文基于双块式无砟轨道的结构特性，考虑无砟轨道-路基-地面多层空间结构相互作用关系，基于所建立有限元分析模型对地面不均匀沉降与无砟轨道变形之间的关系展开了系统的研究，为高速铁路的设计、施工与运营提供理论参考。
1 理论模型的建立
1.1 模型建立
铁路地基大都属于弹性地基，符合温克尔假定，常用的无砟轨道及下部基础理论分析模型分为以下三种：叠合梁模型、梁-板模型及梁-体模型。叠合梁模型在计算线路纵向弯矩时，忽略了其他弯曲方向的变形协调关系，为平面计算模型，模型理论简单，且结果与实际情况偏差较大；梁-板模型符合无砟轨道结构特点与受力情况，更能反映结构实际情况，但难以真实模拟路基土体；梁-体模型自由度多、后处理复杂，但是与无砟轨道实际工作情况最为接近，特别适用于结构受力分析时采用。
路基地段双块式无砟轨道由钢轨、扣件、无砟道床、支承层、基床表层、基床底层、地面土体等组成，见图 1 所示。本文主要针对地面沉降下轨道结构平顺性开展研究，考虑无砟道床为板状多层结构，采用梁-板模型能很好模拟钢轨及无砟道床；考虑到土体在传递荷载过程中的重要性及其弹塑性质，采用更能精细模拟土体应力及变形行为的实体单元。因此，本文基于有限元软件 ABAQUS 建立了梁-板-实体空间有限元模型，综合了梁板、梁体模型各自的优势。为了减少计算量，模型取半结构，并施加对称约束。
模型沿线路纵横向的尺度均较大，以降低边界
效应对计算结果的影响，建模基本假定如下：
1) 考虑重力作用下地应力平衡，不考虑路基工后沉降，仅对地面沉降加以模拟。
2) 钢轨模拟为弹性点支承梁，与道床板之间采用线性空间弹簧连接。
4) 采用板壳单元模拟道床板及支承层，之间采用均匀分布的非线性弹簧模拟接触面状态，弹簧的刚度根据结构弹性模量及厚度进行换算。
5) 土体采用实体单元，只考虑其弹性行为，采用接触单元模拟支承层与土体间层间接触行为。
1.2 模型参数
对于多种因素影响的地面沉降曲线型式，相关文献多将沉降假定为下凹的曲线圆弧。通过对沉降范围的沉降观测数据曲线拟合，发现沉降型式更接近余弦曲线。
2 地面沉降幅值的影响
地面沉降成因复杂，沉降波长范围内沉降量也相差较大。根据地面不均匀沉降幅值的不同，选取以下 6 种工况(波幅/波长)分别进行计算。
3 地面沉降范围的影响
地面不均匀沉降范围对路基上无砟轨道结构平顺性有不同程度的影响。在保持沉降幅值不变的基础上，针对不同沉降范围，提出以下几种工况进行计算对比。
4 其他型式地面不均匀沉降的影响
基础不均匀沉降型式主要有三种：一种为余弦型不均匀沉降，一般发生在路基上，且最常见。而在路桥过渡段或其他过渡段地区，会发生错台型或者折角型不均匀沉降。本文以此为基础，计算相同沉降量 h 下不同地面沉降型式对无砟轨道平顺性的影响，并进行比较及分析。
不同型式地面沉降下，钢轨的最大下沉量列于钢轨下沉曲线。错台型和折角型不均匀沉降型式下的钢轨沉降量远大于余弦型沉降型式下的钢轨沉降量，在较短范围内剧烈过渡。当出现沉降量较大的错台型不均匀沉降和折角型不均匀沉降时，无砟轨道均难以产生跟随性变形，轨面不平顺和轨下空吊等现象将同时存在。
5 结论
本文针对高速铁路双块式无砟轨道区域地面不均匀沉降问题，建立了梁-板-实体空间有限元模型，分析了沉降幅值、沉降范围和沉降型式等对轨道系统平顺性的影响，得出以下结论：
(1) 沉降幅值对上部结构变形影响显著。地面沉降幅值和上部结构最大下沉量在一定范围内呈线性关系，且结构下沉与余弦型曲线基本吻合。
(2) 在沉降波长一定的情况下，钢轨、道床板等各层结构的下沉量差异不是很大，但是随着沉降幅值的增加，结构层之间会逐渐出现离缝现象。
(3) 随着地面沉降范围的增加，各结构的下沉量也随之增加，两者的关系是一条逐渐趋于平缓的曲线，而结构之间的贴靠将随着沉降范围的增大趋于严密。
(4) 错台型和折角型沉降型式对于轨道结构的下沉量影响更为显著，且其变化要在较短范围内剧烈过渡，对轨道的平顺性有更大的影响。
国内外高速铁路都要求对线下工程进行变形控制，将沉降限制在某一范围内。已有相关文献，从路基不均匀沉降角度，对无砟轨道的受力、行车安全等方面进行了探讨，并提出不均匀沉降的限值及轨道整治措施，但缺少地面不均匀沉降对无砟轨道平顺性影响的相关研究。地面沉降的成因机制复杂，且具有发展缓慢、持续时间长、影响范围大、难以预测防治等特点，相对路基沉降而言其与上部结构平顺性的关系更为复杂。对地面不均匀沉降与轨道、路基变形之间的关系开展研究，具有重要的理论意义与应用价值。
本文基于双块式无砟轨道的结构特性，考虑无砟轨道-路基-地面多层空间结构相互作用关系，基于所建立有限元分析模型对地面不均匀沉降与无砟轨道变形之间的关系展开了系统的研究，为高速铁路的设计、施工与运营提供理论参考。
1 理论模型的建立
1.1 模型建立
铁路地基大都属于弹性地基，符合温克尔假定，常用的无砟轨道及下部基础理论分析模型分为以下三种：叠合梁模型、梁-板模型及梁-体模型。叠合梁模型在计算线路纵向弯矩时，忽略了其他弯曲方向的变形协调关系，为平面计算模型，模型理论简单，且结果与实际情况偏差较大；梁-板模型符合无砟轨道结构特点与受力情况，更能反映结构实际情况，但难以真实模拟路基土体；梁-体模型自由度多、后处理复杂，但是与无砟轨道实际工作情况最为接近，特别适用于结构受力分析时采用。
路基地段双块式无砟轨道由钢轨、扣件、无砟道床、支承层、基床表层、基床底层、地面土体等组成，见图 1 所示。本文主要针对地面沉降下轨道结构平顺性开展研究，考虑无砟道床为板状多层结构，采用梁-板模型能很好模拟钢轨及无砟道床；考虑到土体在传递荷载过程中的重要性及其弹塑性质，采用更能精细模拟土体应力及变形行为的实体单元。因此，本文基于有限元软件 ABAQUS 建立了梁-板-实体空间有限元模型，综合了梁板、梁体模型各自的优势。为了减少计算量，模型取半结构，并施加对称约束。
模型沿线路纵横向的尺度均较大，以降低边界
效应对计算结果的影响，建模基本假定如下：
1) 考虑重力作用下地应力平衡，不考虑路基工后沉降，仅对地面沉降加以模拟。
2) 钢轨模拟为弹性点支承梁，与道床板之间采用线性空间弹簧连接。
4) 采用板壳单元模拟道床板及支承层，之间采用均匀分布的非线性弹簧模拟接触面状态，弹簧的刚度根据结构弹性模量及厚度进行换算。
5) 土体采用实体单元，只考虑其弹性行为，采用接触单元模拟支承层与土体间层间接触行为。
1.2 模型参数
对于多种因素影响的地面沉降曲线型式，相关文献多将沉降假定为下凹的曲线圆弧。通过对沉降范围的沉降观测数据曲线拟合，发现沉降型式更接近余弦曲线。
2 地面沉降幅值的影响
地面沉降成因复杂，沉降波长范围内沉降量也相差较大。根据地面不均匀沉降幅值的不同，选取以下 6 种工况(波幅/波长)分别进行计算。
3 地面沉降范围的影响
地面不均匀沉降范围对路基上无砟轨道结构平顺性有不同程度的影响。在保持沉降幅值不变的基础上，针对不同沉降范围，提出以下几种工况进行计算对比。
4 其他型式地面不均匀沉降的影响
基础不均匀沉降型式主要有三种：一种为余弦型不均匀沉降，一般发生在路基上，且最常见。而在路桥过渡段或其他过渡段地区，会发生错台型或者折角型不均匀沉降。本文以此为基础，计算相同沉降量 h 下不同地面沉降型式对无砟轨道平顺性的影响，并进行比较及分析。
不同型式地面沉降下，钢轨的最大下沉量列于钢轨下沉曲线。错台型和折角型不均匀沉降型式下的钢轨沉降量远大于余弦型沉降型式下的钢轨沉降量，在较短范围内剧烈过渡。当出现沉降量较大的错台型不均匀沉降和折角型不均匀沉降时，无砟轨道均难以产生跟随性变形，轨面不平顺和轨下空吊等现象将同时存在。
5 结论
本文针对高速铁路双块式无砟轨道区域地面不均匀沉降问题，建立了梁-板-实体空间有限元模型，分析了沉降幅值、沉降范围和沉降型式等对轨道系统平顺性的影响，得出以下结论：
(1) 沉降幅值对上部结构变形影响显著。地面沉降幅值和上部结构最大下沉量在一定范围内呈线性关系，且结构下沉与余弦型曲线基本吻合。
(2) 在沉降波长一定的情况下，钢轨、道床板等各层结构的下沉量差异不是很大，但是随着沉降幅值的增加，结构层之间会逐渐出现离缝现象。
(3) 随着地面沉降范围的增加，各结构的下沉量也随之增加，两者的关系是一条逐渐趋于平缓的曲线，而结构之间的贴靠将随着沉降范围的增大趋于严密。
(4) 错台型和折角型沉降型式对于轨道结构的下沉量影响更为显著，且其变化要在较短范围内剧烈过渡，对轨道的平顺性有更大的影响。
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