列车荷载对高速铁路路基沉降的影响

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一高速铁路路基数值分析模型

1计算模型的建立

以高速铁路设计规范为标准，为研究铁路路基在不同车速的列车荷载下的沉降变化规律，建立高速铁路路基三维动力模型，设计基床表层厚度0．7m，基床底层厚度2．3m，路堤本体厚度为1m，路堤底部宽度为12m，路基边坡比例为1∶1．5。路基下为地基结构，从上往下依次为6m厚的软黏土层和3m厚的碎石土层，最下面为角砾岩层。考虑路基对称性，减少模型网格数量和加快计算分析时间，将模型简化为线路中心线一侧的路基与地基结构。地基深度设为12m，为路基高度的2倍以上，模型横向宽度取半路基底层宽度的2倍，即24m，纵向方向长度设为2m。基床表层、底层及路堤本体采用各向同性弹性模型，地基则选取摩尔库仑模型进行计算。

2边界条件与阻尼的选取

FLAC3D进行非线性动力分析时需要设置边界条件和阻尼参数。动力边界条件有静态边界与自由场边界两种，本文在模型底部设置静态边界，达到吸收入射波的作用，防止波在边界处反射，在模型的四周设置自由场边界，能够形成等同无限场地的效果，在模型的上表面需要输入列车荷载，作为自由边界，不设置边界条件。动力计算中有三种阻尼形式:瑞尼阻尼、局部阻尼及滞后阻尼。本文采用其中的局部阻尼进行计算，参数为局部阻尼系数αL，计算式为αL=πD，D为临界阻尼比，临界阻尼比取值范围一般为2%～5%，本文取临界阻尼比D=5%，故局部阻尼αL设置为0．157。

二路基动力分析

将列车模拟荷载F(t)用FLAC3D内置FISH语言进行编写输入，作用在路基基层表面，在前期完成初始地应力场的计算和施工阶段的路基填筑堆载后，进行路基动力模拟计算，计算时间取2s。高速铁路列车运行时，路基沉降变化趋势基本相同，沉降的最大区域集中在路基中心线处，向着路基边坡方向，路基的沉降值则慢慢减小。由图可知，在路基土参数不变的情况下，随着列车速度的提升，路基的沉降幅值不断增大，四种车速下的路基沉降变化幅值为2．8mm，2．95mm，3．13mm和3．29mm。列车高速运行时路基的沉降变化值较小，沉降值在3．5mm之内，不会对列车运行产生较大影响。为了更好的分析路基的沉降特性，利用FLAC3D的hist功能对路基面上各点进行了沉降监测，以记录列车运行期间的路基沉降值。在路基基床表层设置了12个测点，每隔0．5m布置一个，在地基表层设置了10个监测点，每隔1m布置一个。动力分析结束后，路基表层与地基表层的沉降变化数据。沉降的最大发生区域都在路基的中心线处，而且受列车速度变化的影响较大;从中心线向边坡方向，沉降逐渐减小，且受列车速度变化的影响较中心线处更小，边坡处的沉降值差异不大。在竖直方向上，路基表层的沉降较地基表层的沉降要大，随着深度的加深，沉降逐渐变小，呈现出衰减的趋势。横向方向上两者变化趋势相同，都是靠近中心线处的沉降幅度最大，往边坡方向沉降逐渐减小。

三结语

本文对高速铁路路基进行数值模拟研究，用激振力函数模拟列车荷载，建立计算模型，研究了铁路路基的沉降规律，得出以下结论:1)用激振力荷载函数，并参照不平顺管理标准可以较好的模拟列车荷载，并且用数值分析软件可以较好的分析铁路路基在列车运行时的动力沉降特性。2)列车运行时，沉降的最大区域发生在路基表层的中心线处，横向方向上朝着边坡沉降逐渐减小，纵向方向上沉降随着路基深度的加深呈现出衰减的趋势。3)列车运行时，铁路路基的动态沉降随着列车速度的提升而有所增大，其中路基中心线处的沉降所受速度影响最大，而边坡处路基沉降受列车速度影响变化则不明显。

作者：袁琮晖 单位：华东交通大学