多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下的动力传递特性

多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下的动力传递特性

0青藏铁路块石层动力传递机理研究思路青藏铁路穿越青藏高原腹地，是世界上最高、最古老的高原铁路，穿越多个季节的冻土带，全长546.41公里。由于冻土环境的脆弱性和气候变化的不可预见性,冻土问题成为路基稳定性的关键所在。如何在施工热扰动和列车振动荷载的双重影响下保护好多年冻土环境,维持地表的热平衡状态,成为青藏铁路建设和维护阶段的关键技术问题。在多年冻土地区修筑铁路,路基稳定性成为工程成败的关键,保护其下的多年冻土是工程设计与施工的原则之一。为此,针对多年冻土区路基铁路需采用主动保护多年冻土的工程措施。作为青藏铁路主要的工程措施,已有的地温和变形观测结果表明,块石路基相对于素土路基能取得较好的工程效果。目前对机车荷载作用下冻土区路基变形特征认识较少,相关的研究大多是将机车荷载等效为正弦分布荷载,通过数值分析方法模拟路基在等效机车荷载作用下的动力响应过程,缺乏可靠的试验数据,尤其是实际列车作用荷载数据。为进一步研究青藏铁路块石层的动力传递特征,合理分析机车荷载作用下青藏铁路块石层动力传递机理,选取青藏铁路北麓河试验段块石路基为研究对象建立数值计算模型。同时建立对比分析的素土路基计算模型,利用列车通过实时强震动测试数据,运用动力有限元方法对机车荷载作用下的动力传递特性、位移响应特性,应力应变特性等进行科学分析。1地温分布及调查北麓河试验段位于青藏高原可可西里与风火山之间,属北麓河冲、洪积高平原地貌,全长14km。该段属于青藏高原干旱气候区,一年内冻结期为9月至次年4月,长达7~8个月。根据气象资料,该地区年平均气温为-5.2℃,极端最高气温为23.2℃,极端最低气温为-37.7℃。整个试验段多年冻土上限附近富含厚层地下冰,且多年冻土地温空间分布状态分异性较强,地温分区从Ⅰ区到Ⅲ区。根据冻土工程地质评价,该段为不良和极差的工程地质地段。天然冻土上限为-1.5~-2.0m,年平均地温为-1.41~-1.68℃。该试验段地层上部为粉、细砂,活动层范围下部主要为棕红色粉质黏土层,上限附近有1.4~3.0m厚的含土冰层,下部以棕红色全风化泥岩为主,局部有砂岩夹层。目标断面为青藏铁路块石路基+块石护坡(右护坡)结构,结构形式为底部水平层状块石复合结构,其块石粒径约为30~40cm,两边护道,路基结构剖面图见图1。根据试验段调查,路基中心实测填高为4.4m,左护道宽2.0m,右护道宽1.4m。该断面2006年9月现场钻探和含水量、容重测试结果见表1。断面多年冻土上限约为2.3m,年平均地温为-1.51℃。该试验段二级区划属于低温基本稳定多年冻土区。2计算有限价值2.1数值模型的建立根据青藏铁路地质钻探资料及实际冻土路基结构建立二维有限元模型。块石路基分析模型如图2(a)所示,模型的土层划分按照该区工程地质条件划分,土体单元为平面应变单元。为减小边界条件对于机车振动的影响,采用有限元和无限元相结合的方法,模型底部边界固定,两侧为无限元边界条件。为准确把握块石层的动力特性,建立对比分析的素土路基计算模型,如图2(b)所示。对比计算模型将原路基结构的水平层状块石层替换为填土层,其他条件一致。在动力计算之前,首先采用SHAKE程序计算考虑土体非线性的自由场土体的动力响应特征。在二维有限元动分析中,土体材料视为弹塑性材料,采用一维土体最大应变时的动剪切模量和阻尼比,并服从Drucker-Prager屈服准则,土体抗剪强度结合室内动三轴有关冻土的动强度试验结果选取,块石材料采用线弹性模型。有限元数值计算物理力学参数参照中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室振动三轴材料试验机(MTS-810)开展的低温动三轴试验结果选取,试验仪器如图3所示,其主要的技术指标为:最大轴向负荷:100kN;围压范围:0.5~20MPa;最大轴向位移:±85mm;频率范围:0~50Hz;温度范围:常温~-30℃。试验土体力学参数见表2。3.2现场强震加速度计及采样利用强震观测手段对路基结构在机车荷载作用下的振动性能进行科学合理的评估,进而研究青藏铁路多年冻土区路基的振动响应规律及其变形特征。现场强震动测试仪器使用美国产ETNA型强震加速度计,检波器为水平2方向及上下方向。观测选取的触发加速度为0.98cm·s-2,采样间隔为0.005s,记录长度为激震前后各20s。其中,水平方向CH1指向列车运行方向,CH2与列车运行方向垂直,CH3为上下方向(垂直路基平面)。强震动测试在目标断面共设置2个振动观测点,分别布设在右路肩和坡脚位置(见图4)。3数值计算结果的分析3.1测点时程曲线在计算模型垂直中心线上,分别选取路面、块石层上下顶面及多年冻土上限等不同位置测点(图6)提取加速度时程曲线进行分析,以准确把握块石层的铺设对路基结构在机车荷载作用下的振动传递特性影响规律。图7为素土路基和块石路基两种模型在路基中心不同深度位置的加速度时程曲线(测点位置如图6所示);图8为两种路基结构各测点时程曲线的最大加速度对比图。从图可以看出,两种路基结构的机车振动传递均表现出明显的衰减效应,随着深度的增加,素土路基内部最大加速度呈线性减小,振动能量主要集中在路基内部,而在天然地表以上机车振动衰减较小。当振动传递到冻土上限位置处,振动衰减至10%以下。由于块石层的铺设改变了路基的刚度特性,致使最大加速度的分布存在明显的非线性特征。机车振动能量主要集中在块石层以上,路基表层中心的加速度幅值比素土路基相同位置幅值稍大,而通过块石层的传递,其相同位置振动的最大加速度幅值均远小于素土路基。在相同振源作用下块石路基的振动衰减效应明显大于普通路基。由于块石层的铺设,当振动传递到冻土上限位置时,其影响可以忽略不计。这证明块石层的铺设可以很好地控制振动荷载的传递,减小机车振动对路基稳定性的影响。3.2路基结构对振动的影响图9为素土路基和块石路基模型内部竖直方向沉降分布云图,图10为两种结构的最大沉降量随深度的分布曲线。通过计算发现,随着列车通过竖向位移振动平均值逐渐增大,两种路基结构在机车荷载作用下的最大沉降量均在路基顶部,素土路基最大沉降量可达1.9mm,而块石路基仅为0.9mm。在机车荷载作用下路基两侧坡脚产生地面隆起,其幅值为0.5mm左右。块石路基内部的振动变形均远小于素土路基,而在天然地表以下,由于块石层的质量密度较大,地表以下位移值略大于普通路基。通过分析认为,冻土路基人为上限以上的土体在机车荷载作用下的变形明显,人为上限以下的土体变形受机车振动影响不大。通过块石层的铺设可以有效地改善路基的振动沉降。3.3块石路基的应力图11为机车荷载作用下不同路基的最大主应力分布云图。素土路基的最大主应力在路基表现为拉应力,最大可达到近0.03MPa,路基其他位置的应力均为压应力。块石路基在块石层和天然地表的界面处的最大主应力表现为拉应力,最大拉应力最大可到0.07MPa,其他区域的应力均为压应力。图12为机车荷载作用下素土路基和块石路基的最大剪应变分布云图。素土路基的最大剪应变可以达到10-3以上,最大应变出现在路基坡脚下方土层冻融交接界面处。块石层的铺设改变了路基内部的应变分布,应变幅值小于素土路基,最大应变范围缩小。4动力传递特性通过对青藏铁路北麓河试验段多年冻土区普通路基及块石路基的动力响应分析比较,得到机车荷载作用下块石层的动力传递特性,主要结论有:(1)块石层的铺设可以有效限制机车荷载产生的加速度向路基深处传递,减小机车振动对路基结构的影响,其机车荷载的振动衰减效应大于素土路基。当振动传递到冻土上限位置,其影响可以忽略不计。(2)两种路基结构在机车荷载作用下的最大沉降量均出现在路基顶部,素土路基最大沉降量可以达到1.9mm,块石层的铺设使得路基最大沉降减小至0.9mm。在机车荷载作用下,路基两侧坡脚均出现地面隆起,幅值为0.5mm。(3)块石层的铺设改变了机车荷载作用下路基结构内部的应力应