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一高速鐵路路基數(shù)值分析模型

1計算模型的建立

以高速鐵路設計規(guī)范為標準，為研究鐵路路基在不同車速的列車荷載下的沉降變化規(guī)律，建立高速鐵路路基三維動力模型，設計基床表層厚度0．7m，基床底層厚度2．3m，路堤本體厚度為1m，路堤底部寬度為12m，路基邊坡比例為1∶1．5。路基下為地基結(jié)構(gòu)，從上往下依次為6m厚的軟黏土層和3m厚的碎石土層，最下面為角礫巖層?？紤]路基對稱性，減少模型網(wǎng)格數(shù)量和加快計算分析時間，將模型簡化為線路中心線一側(cè)的路基與地基結(jié)構(gòu)。地基深度設為12m，為路基高度的2倍以上，模型橫向?qū)挾热“肼坊讓訉挾鹊?倍，即24m，縱向方向長度設為2m?；脖韺?、底層及路堤本體采用各向同性彈性模型，地基則選取摩爾庫侖模型進行計算。

2邊界條件與阻尼的選取

FLAC3D進行非線性動力分析時需要設置邊界條件和阻尼參數(shù)。動力邊界條件有靜態(tài)邊界與自由場邊界兩種，本文在模型底部設置靜態(tài)邊界，達到吸收入射波的作用，防止波在邊界處反射，在模型的四周設置自由場邊界，能夠形成等同無限場地的效果，在模型的上表面需要輸入列車荷載，作為自由邊界，不設置邊界條件。動力計算中有三種阻尼形式:瑞尼阻尼、局部阻尼及滯后阻尼。本文采用其中的局部阻尼進行計算，參數(shù)為局部阻尼系數(shù)αL，計算式為αL=πD，D為臨界阻尼比，臨界阻尼比取值范圍一般為2%～5%，本文取臨界阻尼比D=5%，故局部阻尼αL設置為0．157。

二路基動力分析

將列車模擬荷載F(t)用FLAC3D內(nèi)置FISH語言進行編寫輸入，作用在路基基層表面，在前期完成初始地應力場的計算和施工階段的路基填筑堆載后，進行路基動力模擬計算，計算時間取2s。高速鐵路列車運行時，路基沉降變化趨勢基本相同，沉降的最大區(qū)域集中在路基中心線處，向著路基邊坡方向，路基的沉降值則慢慢減小。由圖可知，在路基土參數(shù)不變的情況下，隨著列車速度的提升，路基的沉降幅值不斷增大，四種車速下的路基沉降變化幅值為2．8mm，2．95mm，3．13mm和3．29mm。列車高速運行時路基的沉降變化值較小，沉降值在3．5mm之內(nèi)，不會對列車運行產(chǎn)生較大影響。為了更好的分析路基的沉降特性，利用FLAC3D的hist功能對路基面上各點進行了沉降監(jiān)測，以記錄列車運行期間的路基沉降值。在路基基床表層設置了12個測點，每隔0．5m布置一個，在地基表層設置了10個監(jiān)測點，每隔1m布置一個。動力分析結(jié)束后，路基表層與地基表層的沉降變化數(shù)據(jù)。沉降的最大發(fā)生區(qū)域都在路基的中心線處，而且受列車速度變化的影響較大;從中心線向邊坡方向，沉降逐漸減小，且受列車速度變化的影響較中心線處更小，邊坡處的沉降值差異不大。在豎直方向上，路基表層的沉降較地基表層的沉降要大，隨著深度的加深，沉降逐漸變小，呈現(xiàn)出衰減的趨勢。橫向方向上兩者變化趨勢相同，都是靠近中心線處的沉降幅度最大，往邊坡方向沉降逐漸減小。

三結(jié)語

本文對高速鐵路路基進行數(shù)值模擬研究，用激振力函數(shù)模擬列車荷載，建立計算模型，研究了鐵路路基的沉降規(guī)律，得出以下結(jié)論:1)用激振力荷載函數(shù)，并參照不平順管理標準可以較好的模擬列車荷載，并且用數(shù)值分析軟件可以較好的分析鐵路路基在列車運行時的動力沉降特性。2)列車運行時，沉降的最大區(qū)域發(fā)生在路基表層的中心線處，橫向方向上朝著邊坡沉降逐漸減小，縱向方向上沉降隨著路基深度的加深呈現(xiàn)出衰減的趨勢。3)列車運行時，鐵路路基的動態(tài)沉降隨著列車速度的提升而有所增大，其中路基中心線處的沉降所受速度影響最大，而邊坡處路基沉降受列車速度影響變化則不明顯。

作者：袁琮暉 單位：華東交通大學