列车荷载对冻土路基动力响应分析

第４１卷第３期　２０１５年６月　四川建筑科学研究　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　７３　列车荷载对冻土路基动力响应分析　何振强　（云南地质工程勘察设计研究院，云南昆明６５００４１）　摘要：采用有限元软件建立列车荷载作用下冻土路基结构动力反应的数值模型，分析了列车荷载作用下冻土路　基动力响应沿深度方向的分布规律，并探讨了冻土层和列车速度对路基振动反应的影响规律。所得结论为铁路路　基设计和加固提供了理论依据。　关键词：列车荷载；冻土路基；振动响应　中图分类号：ＴＵ　４３５　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００８—１９３３（２０１５）０３—０７３—０３　０　引　言　随着当今铁路客运高速化和货运重载化需求日　尺寸的线形构筑物，因此分析其动力响应可简化为　平面应变问题，该路基模型如图１所示。　益高涨与逐步实施，在我国寒区大量铁路交通中，轮　轨系统面临着日益加剧的动荷作用和动态效应，冻　土场地铁路路基的振动与动力稳定问题日益突　出…。由于冻土的组成中含有冰和未冻水，表现出　很强的温度敏感性和流变性。对于温度较低的冻　／　路基填土　＼　粉质粘土　矗　弱风化岩　土，其强度较高，刚度较大，一般都比较稳定，随着温　度的升高，冻土的强度将降低，特别是对于高温冻　土，温度对冻土的力学性能影响更大　ｊ。然而，在　冻土场地路基列车高速行驶振动方面，我国现行铁　路路基设计规范迫切需要进一步完善。因此，开展　冻土路基列车行驶振动反应的研究具有重大意义。　鉴于上述，为了更好地了解冻土层对路基在长　期列车荷载下的动力特性的影响，本文在已有相关　图１路基几何模型　列车动荷载下，对于路基填土和粉质粘土层这　样的岩土材料，需要考虑其塑性变形特征，采用Ｍｏ．　ｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ理想弹塑性模型进行模拟。而由于列车　动荷载对地基的弱风化岩层影响较小，因此只考虑　其弹性工作状态。冻土的力学性质与温度密切相　关，具体参数取值见表１。　表１模型材料的力学属性　研究成果的基础上，建立冻土路基动力有限元计算　模型，对含冻土层和不含冻土层路基的动应力进行　了分析，并分析了路基动力响应沿路基深度的衰减　规律。此外，探讨了列车速度对路基振动反应的影　响规律，为铁路路基设计和加固提供了理论依据。　所得结论为多年冻土区和季节冻土区铁路路基工程　的设计、施工及冻害防治提供指导。　１　路基结构动力分析有限元模型　１．２列车荷载的施加　１．１路基模型的建立　列车荷载作为一种特殊的循环荷载，既不同于　考虑到每根轨枕受到相同振动荷载的概率是相　等的，加之路基属纵向长度远远大于其横截面几何　收稿日期：２０１４－０６－０５　静荷载，也不同于地震荷载，而是长时间往复施加的　循环荷载。大量研究表明，轨道不平顺及轮周局部　扁瘢是产生竖向轮轨力的主要原因　］。英国对于　时速２００　ｋｍ的快速交通轨道的几何不平顺管理标　准见表２　引。　作者简介：何振强（１９７９一），男，工程师，主要从事水文、工程、环境　方面的研究。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉａｏｈｅ２００４＠１６３．ｃｏｍ　７４　四川建筑科学研究　第４ｌ卷　表２轨道几何不平顺管理值（英国）　目前，大量学者将列车振动引起的随机荷载用　静荷载和由若干正弦函数叠加而形成的动荷载两部　分的激振力函数来模拟＿６　Ｊ。其表达式为：　Ｆ（　）＝Ｐｏ＋尸Ｉｓｉｎｅｏ１ｔ＋Ｐ２ｓｉｎｅｏ２￡＋尸３ｓｉｎｗ３ｔ　（１）　式中，Ｆ（ｔ）为列车振动荷载；Ｐ。为车轮静载；Ｐ　、　Ｐ：、Ｐ　为对应于表１所列控制标准Ｉ、Ⅱ、Ⅲ中某典　型值的振动荷载。　相应的振动荷载幅值为：　Ｐｉ＝ＭｏａｉＷ　（２）　式中，　为列车簧下质量；ａｉ为相应车速下相应于　控制标准Ｉ、Ⅱ、Ⅲ的矢高；　ｉ为相应车速下相应于　控制标准Ｉ、Ⅱ、Ⅲ的不平顺振动波长下的圆频率。　圆频率的计算式为：　ｗｉ＝２订詈　（３）　式中，　为列车运行速度；厶为相应于控制标Ｉ、Ⅱ、　Ⅲ的波长。　取单边静轴重Ｐｏ＝８０　ｋＮ，簧下质量Ｍｏ＝７５０　，对应于表１中的Ｉ、Ⅱ、Ⅲ三种控制标准，分别取　其典型的不平顺振动波长和相应的矢高值为Ｌ　＝　１０　ｌＩｌ，ａ１＝３．５　ｍｍ；Ｌ２　２　ｍ，ａ２＝０．４　ｍｍ；Ｌ３＝０．５　ｍ，ａ　＝０．０８　ｍｍ＿９］。列车行驶速度分别取　＝７２　ｋｍ／ｈ、　２＝１４４　ｋｍ／ｈ、　３＝２１６　ｋｍ／ｈ、　４＝２５２　ｋｍ／ｈ、　：２８８　ｋｍ／ｈ时，所对应的列车荷载如公式（４）所　示，单位（ｋＮ）。　Ｆ１（ｔ）＝８０＋０．４１４ｓｉｎ（４，ｔｒｔ）＋１．１８３ｓｉｎ（２０７ｒｔ）＋　３．７８６ｓｉｎ（８０￣ｒｔ）　Ｆ２（ｔ）＝８０＋１．６５６ｓｉｎ（８－ｒｒｔ）＋４．７３３ｓｉｎ（４０￣ｒｔ）＋　１５．１４４ｓｉｎ（１６０￣ｔ）　Ｆ　（ｔ）＝８０＋３．７２７ｓｉｎ（１２１Ｔ　）＋１０．６４８ｓｉｎ（６０ｗｔ）＋　３４．０７５ｓｉｎ（２４０￣ｔ）　Ｆ４（ｔ）＝８０＋５．０７２ｓｉｎ（１４ｗｔ）＋１４．４９３ｓｉｎ（７０，ｔｒｔ）＋　４６．３７９ｓｉｎ（２８０ａｒｔ）　Ｆ５（ｔ）＝８０＋６．６２６ｓｉｎ（１６１Ｔ￡）＋１８．９３０ｓｉｎ（８０１Ｔｆ）＋　６０．５７７ｓｉｎ（３２０￣ｔ）　（４）　２计算结果分析　２．１　路基动应力衰减规律　表３给出了列车以不同速度运行时，冻结期和　正常期路基竖向动应力最大值沿深度方向的分布。　从表３中可以看出，列车以不同速度运行时，产生的　冻土场地和普通场地路基土体动应力最大值的衰减　规律基本一致。路基表层竖向动压应力冻土场地大　于普通场地；但随着深度的增加，路基土体的竖向动　压应力为普通场地大于冻土场地。说明冻土层对路　基浅层的动压应力有放大作用。　表３路基动压应力最大值统计　ｋＰａ　到路基顶Ｖ：７２　ｋｍ／ｈ　Ｖ：２１６　ｋｍ／ｈ　Ｖ：２８８　ｋｍ／ｈ　位置　面　丽　丽　路基表层０　４４．３　４７．７　５５．３　５９．４　８２．９　８７．１　路基基底　５．４　１１．２　１０．４　１７．６　１６．８　１９．４　１７．９　粉质粘土层底８．４　６．７　６．９　１１．５　１２．１　１２．３　１２．９　当列车运行速度为２１６　ｋｍ／ｈ时，冻土场地和非　冻土场地路基顶面的竖向最大动压应力分别为　５９．４　ｋＰａ和５５．３　ｋＰａ。当振动传递到距离路基顶面　５．４　ｍ时，冻土场地和非冻土场地的竖向最大动压　应力分别为１６．８　ｋＰａ和１７．６　ｋＰａ。冻土场地和非　冻土场地的竖向动应力最大值分别衰减了７２％和　６８％。以上说明在车辆动载作用下，路基土中竖向　动应力与深度呈非线性关系，在路基较浅部位，动应　力变化急剧，随着深度的增加，减小的趋势越来越平　缓。并且冻土场地的衰减速率高于非冻土场地。　２．２列车运行速度对路基振动响应的影响　图２给出列车运行速度和冻土层对路基土体竖　向动压应力最大值的影响。从图中可以看出，对于　非冻土场地，当列车运行速度从７２　ｋｔｎ／ｈ增加到　２８８　ｋｍ／ｈ时，对应的路基顶面动应力幅值分别为　４４．３　ｋＰａ和８２．９　ｋＰａ，增加了３８．６　ｋＰａ；而当埋深为　５．４　ｍ时，增加了８．２　ｋＰａ。对于冻土场地，当列车　图２列车速度对距离路基顶面不同　深度处动应力幅值的影响　何振强：列车荷载对冻土路基动力响应分析　７５　运行速度从７２　ｋｍ／ｈ增加到２８８　ｋｍ／ｈ时，对应的路　基顶面动应力幅值分别为４７．７　ｋＰａ和８７．１　ｋＰａ，增　加了３９．４　ｋＰａ；而当埋深为５．４　ｍ时，增加了７．５　ｋＰａ。　以上分析可见，路基土体的动应力随着列车速　度的增加而显著增加。其中冻土层的存在，放大了　列车速度对轨道近处路基土体动应力最大值的影　响。随着深度的增加，路基动压应力随着列车运行　速度增加的增长速率有所减小，说明列车运行速度　对路基土体动压应力的影响随深度的增加而不断减　弱。　３　结　论　针对冻土场地，利用一与不平顺管理标准相应　的激振力来模拟列车竖向动荷载，建立列车荷载作　用下路基结构动力反应的有限元数值模型，分析了　列车荷载作用下路基动力响应的分布规律，并探讨　了列车速度对路基振动反应的影响规律，主要获得　如下结论。　１）冻土层对路基浅层的竖向动压应力幅值有　放大作用。　２）路基土中竖向动应力与深度呈非线性关系，　在路基较浅部位，动应力变化急剧，随着深度的增　加，减小的趋势越来越平缓。并且冻土场地的衰减　速率高于非冻土场地。　３）路基土体的动应力随着列车速度的增加而　显著增加。冻土层的存在，放大了列车速度对轨道　近处路基土体动应力最大值的影响。随着深度的增　加，列车运行速度对路基土体动压应力的影响不断　减弱。　参考文献：　［１］王立娜，凌贤长，张峰，等．大庆季节冻土区冬季铁路列车行　驶振动反应现场监测研究［Ｊ］．中国科技论文在线，２００９（７）：　５０７－５１１．　［２］　焦贵德，马巍，赵淑萍，等．高温冻结粉土的累积应变和临界　动应力［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１１，３０（增１）：３１９３－３１９８．　［３］　陈国兴，陈斌，苏晓梅．快速轨道交通运行引起的场地振动　反应分析［Ｊ］．防灾减灾工程学报，２００８，２８（４）：４５４４６１．　［４］　梁波，罗红，孙常新．高速铁路振动荷载的模拟研究［Ｊ］．　铁道学报，２００６，２８（４）：８９－９４．　［５］梁波，蔡英．不平顺条件下高速铁路路基的动力分析［Ｊ］．　铁道学报，１９９９，２１（２）：８４－８７．　［６］　潘昌实，Ｐａｎｄｅ　Ｇ　Ｎ．黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数定　分析研究［Ｊ］．土木工程学报，１９８４，１７（４）：５４－５５．