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一高速鐵路路基數(shù)值分析模型

1計(jì)算模型的建立

以高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)力模型，設(shè)計(jì)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(duì)稱性，減少模型網(wǎng)格數(shù)量和加快計(jì)算分析時(shí)間，將模型簡(jiǎn)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(shè)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(zhǎng)度設(shè)為2m?；脖韺印⒌讓蛹奥返瘫倔w采用各向同性彈性模型，地基則選取摩爾庫侖模型進(jìn)行計(jì)算。

2邊界條件與阻尼的選取

FLAC3D進(jìn)行非線性動(dòng)力分析時(shí)需要設(shè)置邊界條件和阻尼參數(shù)。動(dòng)力邊界條件有靜態(tài)邊界與自由場(chǎng)邊界兩種，本文在模型底部設(shè)置靜態(tài)邊界，達(dá)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(shè)置自由場(chǎng)邊界，能夠形成等同無限場(chǎng)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(shè)置邊界條件。動(dòng)力計(jì)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(jìn)行計(jì)算，參數(shù)為局部阻尼系數(shù)αL，計(jì)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(shè)置為0．157。

二路基動(dòng)力分析

將列車模擬荷載F(t)用FLAC3D內(nèi)置FISH語言進(jìn)行編寫輸入，作用在路基基層表面，在前期完成初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算和施工階段的路基填筑堆載后，進(jìn)行路基動(dòng)力模擬計(jì)算，計(jì)算時(shí)間取2s。高速鐵路列車運(yùn)行時(shí)，路基沉降變化趨勢(shì)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(yùn)行時(shí)路基的沉降變化值較小，沉降值在3．5mm之內(nèi)，不會(huì)對(duì)列車運(yùn)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(duì)路基面上各點(diǎn)進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，以記錄列車運(yùn)行期間的路基沉降值。在路基基床表層設(shè)置了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，每隔0．5m布置一個(gè)，在地基表層設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔1m布置一個(gè)。動(dòng)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(shì)。橫向方向上兩者變化趨勢(shì)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(duì)高速鐵路路基進(jìn)行數(shù)值模擬研究，用激振力函數(shù)模擬列車荷載，建立計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行時(shí)的動(dòng)力沉降特性。2)列車運(yùn)行時(shí)，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(shì)。3)列車運(yùn)行時(shí)，鐵路路基的動(dòng)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(xué)