淺談地面沉降對路基上雙塊式無(wú)砟軌道平順性的影響論文
無(wú)砟軌道對下部基礎沉降變形特別敏感。高速鐵路基礎沉降會(huì )導致軌下基礎產(chǎn)生較大的變形，軌道平順性顯著(zhù)降低，引起較大的輪軌動(dòng)力響應�；A不均勻沉降直接影響軌道系統安全服役狀態(tài)和使用壽命，影響旅客的舒適性和行車(chē)的安全性，因此需要對下部基礎沉降變形進(jìn)行嚴格控制。
國內外高速鐵路都要求對線(xiàn)下工程進(jìn)行變形控制，將沉降限制在某一范圍內。已有相關(guān)文獻，從路基不均勻沉降角度，對無(wú)砟軌道的受力、行車(chē)安全等方面進(jìn)行了探討，并提出不均勻沉降的限值及軌道整治措施，但缺少地面不均勻沉降對無(wú)砟軌道平順性影響的相關(guān)研究。地面沉降的成因機制復雜，且具有發(fā)展緩慢、持續時(shí)間長(cháng)、影響范圍大、難以預測防治等特點(diǎn)，相對路基沉降而言其與上部結構平順性的關(guān)系更為復雜。對地面不均勻沉降與軌道、路基變形之間的關(guān)系開(kāi)展研究，具有重要的理論意義與應用價(jià)值。
本文基于雙塊式無(wú)砟軌道的結構特性，考慮無(wú)砟軌道-路基-地面多層空間結構相互作用關(guān)系，基于所建立有限元分析模型對地面不均勻沉降與無(wú)砟軌道變形之間的關(guān)系展開(kāi)了系統的研究，為高速鐵路的設計、施工與運營(yíng)提供理論參考。
1 理論模型的建立
1.1 模型建立
鐵路地基大都屬于彈性地基，符合溫克爾假定，常用的無(wú)砟軌道及下部基礎理論分析模型分為以下三種：疊合梁模型、梁-板模型及梁-體模型。疊合梁模型在計算線(xiàn)路縱向彎矩時(shí)，忽略了其他彎曲方向的變形協(xié)調關(guān)系，為平面計算模型，模型理論簡(jiǎn)單，且結果與實(shí)際情況偏差較大；梁-板模型符合無(wú)砟軌道結構特點(diǎn)與受力情況，更能反映結構實(shí)際情況，但難以真實(shí)模擬路基土體；梁-體模型自由度多、后處理復雜，但是與無(wú)砟軌道實(shí)際工作情況最為接近，特別適用于結構受力分析時(shí)采用。
路基地段雙塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、無(wú)砟道床、支承層、基床表層、基床底層、地面土體等組成，見(jiàn)圖 1 所示。本文主要針對地面沉降下軌道結構平順性開(kāi)展研究，考慮無(wú)砟道床為板狀多層結構，采用梁-板模型能很好模擬鋼軌及無(wú)砟道床；考慮到土體在傳遞荷載過(guò)程中的重要性及其彈塑性質(zhì)，采用更能精細模擬土體應力及變形行為的實(shí)體單元。因此，本文基于有限元軟件 ABAQUS 建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，綜合了梁板、梁體模型各自的優(yōu)勢。為了減少計算量，模型取半結構，并施加對稱(chēng)約束。
模型沿線(xiàn)路縱橫向的尺度均較大，以降低邊界效應對計算結果的影響，建�；炯俣ㄈ缦拢�
1) 考慮重力作用下地應力平衡，不考慮路基工后沉降，僅對地面沉降加以模擬。
2) 鋼軌模擬為彈性點(diǎn)支承梁，與道床板之間采用線(xiàn)性空間彈簧連接。
4) 采用板殼單元模擬道床板及支承層，之間采用均勻分布的非線(xiàn)性彈簧模擬接觸面狀態(tài)，彈簧的剛度根據結構彈性模量及厚度進(jìn)行換算。
5) 土體采用實(shí)體單元，只考慮其彈性行為，采用接觸單元模擬支承層與土體間層間接觸行為。
1.2 模型參數
對于多種因素影響的地面沉降曲線(xiàn)型式，相關(guān)文獻多將沉降假定為下凹的曲線(xiàn)圓弧。通過(guò)對沉降范圍的沉降觀(guān)測數據曲線(xiàn)擬合，發(fā)現沉降型式更接近余弦曲線(xiàn)。
2 地面沉降幅值的影響
地面沉降成因復雜，沉降波長(cháng)范圍內沉降量也相差較大。根據地面不均勻沉降幅值的不同，選取以下 6 種工況(波幅/波長(cháng))分別進(jìn)行計算。
3 地面沉降范圍的影響
地面不均勻沉降范圍對路基上無(wú)砟軌道結構平順性有不同程度的影響。在保持沉降幅值不變的基礎上，針對不同沉降范圍，提出以下幾種工況進(jìn)行計算對比。
4 其他型式地面不均勻沉降的影響
基礎不均勻沉降型式主要有三種：一種為余弦型不均勻沉降，一般發(fā)生在路基上，且最常見(jiàn)。而在路橋過(guò)渡段或其他過(guò)渡段地區，會(huì )發(fā)生錯臺型或者折角型不均勻沉降。本文以此為基礎，計算相同沉降量 h 下不同地面沉降型式對無(wú)砟軌道平順性的影響，并進(jìn)行比較及分析。
不同型式地面沉降下，鋼軌的最大下沉量列于鋼軌下沉曲線(xiàn)。錯臺型和折角型不均勻沉降型式下的鋼軌沉降量遠大于余弦型沉降型式下的鋼軌沉降量，在較短范圍內劇烈過(guò)渡。當出現沉降量較大的錯臺型不均勻沉降和折角型不均勻沉降時(shí)，無(wú)砟軌道均難以產(chǎn)生跟隨性變形，軌面不平順和軌下空吊等現象將同時(shí)存在。
5 結論
本文針對高速鐵路雙塊式無(wú)砟軌道區域地面不均勻沉降問(wèn)題，建立了梁-板-實(shí)體空間有限元模型，分析了沉降幅值、沉降范圍和沉降型式等對軌道系統平順性的影響，得出以下結論：
(1) 沉降幅值對上部結構變形影響顯著(zhù)。地面沉降幅值和上部結構最大下沉量在一定范圍內呈線(xiàn)性關(guān)系，且結構下沉與余弦型曲線(xiàn)基本吻合。
(2) 在沉降波長(cháng)一定的情況下，鋼軌、道床板等各層結構的下沉量差異不是很大，但是隨著(zhù)沉降幅值的增加，結構層之間會(huì )逐漸出現離縫現象。
(3) 隨著(zhù)地面沉降范圍的增加，各結構的下沉量也隨之增加，兩者的關(guān)系是一條逐漸趨于平緩的曲線(xiàn)，而結構之間的貼靠將隨著(zhù)沉降范圍的增大趨于嚴密。
(4) 錯臺型和折角型沉降型式對于軌道結構的下沉量影響更為顯著(zhù)，且其變化要在較短范圍內劇烈過(guò)渡，對軌道的平順性有更大的影響。
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