湖南科技学院 土木与环境工程学院 湖南永州 425199
摘要：随着高速铁路的发展，无砟轨道路基在我国应用越来越普遍。但目前无砟轨道路基结构的设计大多借鉴国外经验以及大型模拟试验结果，在高速高铁荷载作用下路基的动力特性及其影响参数的研究还远不够。本文采用理论分析对无砟轨道路基的动力特性进行了研究。
关键词：高铁；无砟轨道；路基
无砟轨道又作“无碴无砟轨道”,无砟轨道是采用谐振式无砟轨道电路传输特性技术而建成无砟轨道铁路。在铁路上，“砟”的意思是小块的石头。常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或水泥无砟轨道，但这种铁路不适于高铁高速行驶。世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的无砟轨道系统，道砟粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。当高速高铁静止时，会在路基中产生静应力场；当高速高铁运动时，应力场也会一起运动，并在路基中产生应力波，这是引起路基振动的最主要原因。这种动力响应主要受到高速高铁轴向荷载、轮轴间距和高速高铁速度的影响。另外一些因素亦可以增大上述应力场产生的振动，如高速高铁的不平稳性、无砟轨道的不连续性以及支撑的特性等。高速高铁产生的路基振动由两部分组成，一部分是由振动效应引起的无砟轨道路基响应的低频振动，另一部分是由于无砟轨道缺陷、枕木之间铁轨的次变形、车辆的不平稳运行等引起的高频振动。相对于低频振动来说，高频振动在路基内衰减快、影响小，其主要影响的是无砟轨道路基的长期稳定性。高速高铁产生的振动主要以瑞利波形式传播，并引起路基的振动，而几何阻尼和材料阻尼是振动衰减的两个主要原因。
常规铁路是在小块石头的基础上，铺设枕木或混凝土轨枕，最后铺设无砟轨道，路砟和枕木均起加大受力面、减小火车压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。但这种线路不适于高铁高速行驶。在铁路上，“砟”的意思是小块的石头。无砟轨道能克服上述缺点，无砟轨道的轨枕本身是混凝土成片浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土基础上。无砟轨道是当今世界先进的无砟轨道技术，能够减少维护、降低粉尘、美化环境，是高速铁路工程技术未来发展方向。
无砟轨道凭借高稳定性、高平顺性以及维修工作量小等优点，在高速铁路与客运专线的修建中获得了广泛的应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆作为无砟轨道铺设的基础，土质路基尤其是基床部分，承受着高铁高速运行时产生的振动效应作用。无砟轨道路基结构在高铁振动效应作用下的动态响应是一个复杂的动力学过程，涉及车辆、无砟轨道以及路基等三方面的因素。因此必须对它的动力特性进行研究，确定动应力、动变形和加速度等在路基基床内的变化规律。
1 高铁振动效应作用下无砟轨道路基动力特性
高铁运行会引起无砟轨道路基的振动，当高铁速度达到无砟轨道路基系统的临界速度时，振动效应无法及时消散，且与无砟轨道路基原有振动叠加从而形成振幅叠加产生更大的振动。在振动效应作用下，路基土中的空隙水压力将增大，塑性变形不断累积，引起路基的附加沉降会进一步产生，并不断累积。如：某市高铁的沉降监测资料表明，在高铁建成后未通车的两年内，其主固结沉降和次固结沉降基本完成，但通车后10个月内沉降达到了2～3cm，3年内甚至达到了7cm。这说明了在高铁动荷载作用下，路基的附加沉降是相当可观的。当高铁静止时，会在路基中产生静应力场；当高铁运行时，应力场也会一起运动，并在路基中产生应力波，这是引起路基振动的最主要原因。这种动力响应主要受到高铁轴向荷载、轮轴间距和高铁速度的影响。另外一些因素亦可以增大上述应力场产生的振动，如高铁的不平稳性、无砟轨道的不连续性以及支撑的特性等。高铁产生的路基振动由两部分组成，一部分是由于无砟轨道缺陷、枕木之间铁轨的次变形、车辆的不平稳运行等引起的高频振动；另一部分是由振动效应引起的无砟轨道路基响应的低频振动。相对于低频振动来说，高频振动在路基内衰减快、影响小，其主要影响的是无砟轨道路基的长期稳定性。高铁产生的振动主要以瑞利波形式传播，并引起路基的振动，而几何阻尼和材料阻尼是振动衰减的两个主要原因。动荷载的特性主要包括振动形式、振动频率、振幅和振次。振幅和振次对路基土孔压和变形的影响占主导地位。高铁对无砟轨道路基的作用是非常复杂的，包括轮轴荷载、瞬时冲击荷载、无砟轨道不平顺及机车制动引起的附加荷载等。研究中需要对高铁及无砟轨道进行相应的简化，高铁可简化为以车厢为单位的一系列振动效应，设定无砟轨道处于弹性状态即可简化为弹性连续梁或简支梁，路基土简化为各向均质的成层土。在振动效应作用下，无砟轨道路基的位移和路基表面的反力，可以通过单个振动效应引起的无砟轨道路基表面反力进行叠加获得。
2 高速铁路列车轴重对无砟轨道路基动应力的影响
高速铁路列车在无砟轨道上行驶,通过车轮把列车轴重传递到无砟轨道,再通过无砟轨道结构向下传递给无砟轨道路基而产生动应力,所以不同高速铁路列车的轴重对高速无砟轨道路基动应力影响不同。在高铁荷载以刀匀速行驶作用下,不同轴重无碎无砟轨道产生的动应力随路基深度的增加呈现递减趋势,且递减趋势相近。不同轴重无碎无砟轨道在路基中的最大动应力都位于基床表层,以轴重最大。在列车荷载以对匀速行驶作用下,三种不同型式无砟轨道在相邻转向架轮对荷载作用下的动应力随路基深度的增加呈现递减趋势,且递减趋势相近。
3 结语
随着我国高速铁路的建设与发展,无砟轨道路基在我国应用的越来越普遍。无砟轨道路基结构的设计大多借鉴国外经验以及大型模拟试验结果,在高速列车荷载作用下无砟轨道路基的动力特性及其影响参数的研究还远不够。当速度大于350km/h时,路基的表面的竖向位移振动逐渐扩大至无砟轨道路基范围以外,且位移幅值随频率增加而增大。高铁速度接近路基瑞利波速时,路基表面竖向位移急剧增加。大型动三轴试验结果表明动应变是影响粗粒土组填料动弹模和阻尼比的最主要因素。
参考文献
[1] 夏禾. 车辆与结构动力相互作用[M]，北京：科学出版社，2002.
[2] 李军世，李克. 高速无砟轨道路基动力反应的有限元分析[J]，铁道学报，1995.17（3）.
[3] 李子春. 无砟轨道结构垂向荷载传递与路基附加动应力特性的研究[D]，北京：铁道部科学研究院，2002.
基金项目
湖南省教育厅科学研究项目“高铁振动效应作用下无砟轨道路基动力特性的研究”(13C345)
作者简介
靳鹏伟(1981−)，男，湖南科技学院，工程师，讲师，工学硕士，邮箱：68465483@qq.com。
论文作者:靳鹏伟,佘满汉,郭恩平,李喆,徐振华
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：路基论文; 轨道论文; 高铁论文; 荷载论文; 应力论文; 效应论文; 特性论文; 《基层建设》2016年15期论文;