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一高速鐵路路基數值分析模型

1計算模型的建立

以高速鐵路設計規范為標準，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。路基下為地基結構，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。考慮路基對稱性，減少模型網格數量和加快計算分析時間，將模型簡化為線路中心線一側的路基與地基結構。地基深度設為12m，為路基高度的2倍以上，模型橫向寬度取半路基底層寬度的2倍，即24m，縱向方向長度設為2m。基床表層、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。動力邊界條件有靜態邊界與自由場邊界兩種，本文在模型底部設置靜態邊界，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，參數為局部阻尼系數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，不會對列車運行產生較大影響。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個監測點，每隔1m布置一個。動力分析結束后，路基表層與地基表層的沉降變化數據。沉降的最大發生區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。

三結語

本文對高速鐵路路基進行數值模擬研究，用激振力函數模擬列車荷載，建立計算模型，研究了鐵路路基的沉降規律，得出以下結論:1)用激振力荷載函數，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，沉降的最大區域發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出衰減的趨勢。3)列車運行時，鐵路路基的動態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