刘 信 立

(中铁第五勘察设计院集团有限公司线路运输设计院，北京 102600)

路基段地面沉降下无砟轨道不平顺分析

刘 信 立

(中铁第五勘察设计院集团有限公司线路运输设计院，北京 102600)

基于有限元理论对高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道结构建立梁—多层板结构模型，对路基地段不均匀沉降下无砟轨道系统变形问题进行了计算，对比分析了钢轨、道床板、CA砂浆层、混凝土底座、基床等的沉降规律，以期为高速铁路设计、施工与运营提供参考。

地面沉降，无砟轨道，不平顺性，高速铁路

1 概述

高速铁路基础变形会导致轨下结构产生较大的变形，影响无砟轨道的受力与平顺性。地面沉降是影响线下基础变形的重要因素，无砟轨道对沉降变形特别敏感，路基区域的不均匀沉降会使轨道的垂向平顺性显著降低。尽管无砟轨道轨下基础部分沉降变形可以通过调整钢轨扣件减小或消除，但调整量是有限的，因此对无砟轨道施工后路基本体的残余压缩变形及地基的沉降、桥梁墩台基础沉降变形均提出了严格的要求，以保证上部轨道具有高平顺性和高稳定性，减小轨道养护工作量，提高高速行车的安全性和舒适性。

本文针对地面不均匀沉降与CRTSⅠ型板式无砟轨道变形之间的关系展开研究，以期为高速铁路设计、施工与运营提供参考。

2 CRTSⅠ型板式无砟轨道结构

CRTSⅠ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、预制道床板、水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)、混凝土凸型挡台及底座板等部分组成。Ⅰ型板式无砟轨道结构组成示意图见图1。

路基地段道床板长度为4 962 mm，宽度为2 400 mm，高度为190 mm。采用后张、部分预应力混凝土结构，配筋按截面中心对称布置，每块板布置8个扣件节点。道床板与底座之间填充水泥乳化沥青砂浆，厚度为50 mm。在路基基床表层铺设混凝土底座，宽度与道床板相同，厚度为200 mm。

3 理论模型的建立

3.1 梁—多层板模型

利用有限元分析软件建立板式无砟轨道梁—多层板模型。其中，钢轨采用梁单元模拟，轨道板采用壳单元模拟，扣件采用弹簧单元进行模拟并赋予扣件垂向方向的刚度。其他结构层由于其在厚度方向的尺寸远小于其他两个方向，故CA砂浆层、混凝土底座板均采用单层的壳单元进行模拟，将其视为板结构，与上下部结构之间采用垂向弹簧进行连接。基床表层、基床底层、路堤填土分别采用多层壳单元进行模拟，相互之间通过均匀分布的垂向弹簧进行连接(见图2)。

3.2 主要计算参数选择

钢轨：采用60 kg/m钢轨，弹性模量E=2.09×105MPa，泊松比0.3；

扣件：横向刚度为30 kN/mm，垂向刚度为50 kN/mm，扣件间距为0.629 m；

道床板：混凝土强度等级为C50，弹性模量E=3.65×104MPa，泊松比0.2，密度为2 750 kg/m3；

CA砂浆层：弹性模量E=3.0×102MPa，泊松比0.2，密度为1 800 kg/m3；

混凝土底座：弹性模量E=3.25×104MPa，泊松比0.2，密度为2 750 kg/m3；

基床表层：弹性模量E=180 MPa，泊松比0.3，密度为2 300 kg/m3；

基床底层：弹性模量E=45 MPa，泊松比0.3，密度为2 100 kg/m3；

土质路基：弹性模量E=30 MPa，泊松比0.3，结构密度为1 700 kg/m3。

4 计算结果分析

目前，对于无砟轨道路基地段不均匀沉降曲线，我国多采用(正)余弦型基础变形影响降曲线，波长20 m。余弦型不均匀沉降的表达式为：

其中，f0为不均匀沉降幅值限值；l0为标准沉降长度，取20 m。余弦型不均匀沉降曲线如图3所示。

为了比较分析不同沉降值对轨道结构的影响，选取了以下几种沉降值分别计算(沉降幅值/沉降长度)：

工况一：5 mm/20 m；工况二：10 mm/20 m；工况三：15 mm/20 m；工况四：20 mm/20 m；工况五：25 mm/20 m；工况六：30 mm/20 m。

模型中考虑了地面沉降，按照余弦型不均匀沉降对模型施加位移荷载；对主要边界条件进行了模拟，并考虑了重力作用，以此来更真实地模拟现实情况，得出各个结构层的沉降结果；沿线路方向，模型的尺度采取较大冗余量，一定程度上消除了边界效应对计算结果的影响；考虑了各部分结构之间的关系，实体模型中详细考虑了各个层之间的实际相互作用情况，选取了比较合适的结构参数，对于梁—多层板结构，层间采用弹簧进行模拟及连接。

图4为在不均匀沉降最大值为15 mm/20 m(其他五种工况与此类似)下钢轨、道床板、CA砂浆层、混凝土底座、基床表层和基床底层的沉降位移。可以看出，在不同工况下，钢轨、道床板、水硬性混凝土支承层的沉降差别不大，而与基床表层与基床底层的沉降有明显区别。并且从图中可以看出，基底不均匀沉降对上部结构有明显的影响，其中影响最大的为基床底层，沉降值最大。地面沉降条件下，道床板和基床表层间、基床内部、基床底层和地面间可能会形成一定的离缝现象。

在不同沉降工况下，板式无砟轨道结构、路基结构的下沉最大值列于表1。由表可见，钢轨、道床板、CA砂浆层、混凝土底座、基床表层及基床底层的下沉量随着基底沉降的增加而增大。

表1 不同轨道—路基部件的最大下沉量 mm

对于钢轨和道床板，在不同工况下，其沿线路方向的沉降变化如图5和图6所示，可以看出，钢轨和道床板在不同工况下，其沿线路方向的沉降变化是类似的，最大沉降发生在中部，与不均匀沉降最大值所处位置相对应。由于扣件的强烈约束作用，二者没有明显的差别。对于水硬性支承层、基床表层和底层，其沿线路方向的沉降位移如图7，图8所示。由图7～图10可以看出，CA砂浆、混凝土底座、基床表层和底层沉降曲线随着沉降位移增大而呈现明显的规律，其沿线路方向的沉降变形与不均匀沉降波形有明显的对应关系，在波谷位置，沉降位移最大。另外，在波长20 m的范围之外，钢轨、道床板、CA砂浆层、混凝土底座、基床表层及底层均产生了不同程度的上拱现象，随着沉降的加深，上拱现象表现越来越明显，虽然与下沉量相比很小，但对于轨道结构的平顺性来讲，也是应值得注意的一个方面。

梁—多层板计算结果表明：当地面不均匀沉降值为5 mm/20 m时，钢轨沉降达到了4.78 mm，道床板和CA砂浆层沉降达到4.755 5 mm，混凝土底座沉降为4.757 mm，与钢轨基本一致，基床表层和底层的沉降位移分别为4.758 mm和4.763 mm；当地面不均匀沉降为20 mm/20 m时，各层沉降分别为：钢轨19.122 mm，道床板和CA砂浆层19.02 mm，混凝土底座19.029 mm，基床表层19.031 mm，基床底层19.052 mm。地面不均匀沉降对上部轨道结构、路基结构的影响十分明显。随着不均匀沉降的加剧，各层结构的垂向位移均有所增加。

5 结论与建议

1)本文针对高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，基于有限元理论建立梁—多层板结构模型，对路基不均匀沉降下无砟轨道系统变形问题进行了计算，分析了钢轨、道床板、CA砂浆层、混凝土底座、基床等的沉降。与既有理论模型相比，本文所建立的模型精细化程度高、与实际沉降更逼真，计算结果可信。2)板式无砟轨道梁—多层板模型计算结果表明：地面不均匀沉降对上部轨道结构、路基结构的影响十分明显，随着不均匀沉降的加剧，各层结构的垂向位移均有所增加。3)高速铁路运营条件下，线路周围地面不均匀沉降会引起路基和轨道系统的沉降，轨道—路基系统的沉降由下至上逐渐减小，轨道的沉降量值小于地面或者路基结构的沉降量。无砟轨道和基床表层间、基床表层与底层间的沉降差较大，层间沉降差约为0.1 mm～0.6 mm；地面沉降下道床板和基床间、基床和地面间可能会形成一定的离缝现象。

[1] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 卢祖文.客运专线铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[3] 李成辉.高底不平顺不利波长及其与车速关系[J].西南交通大学学报，1997，32(6)：633-636.

[4] 王 平.铁路轨道横向不平顺区轮轨动力响应的研究[J].铁道学报，1997，19(1)：108-113.

On irregularity analysis of ballastless tracks under roadbed ground settlement

Liu Xinli

(LineTransportationDesignInstitute,ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

Based on the finite element theory, the paper establishes the beam-multiple plate structural model for CRTS Ⅰ plate ballastless track structure along express railways, calculates the deformation problems of ballastless track under roadbed uneven settlement, and undertakes the comparison and analysis of the settlement law for rails, roadbed slab, CA screed, concrete base and foundation bed, so as to provide some reference for the design, construction and operation of express railways.

ground settlement, ballastless track, irregularity, express railway

2015-02-27

刘信立(1983- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)14-0154-03

U213.244

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