基于有限元理论对京沪铁路高路基帮宽的沉降分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于有限元理论对京沪铁路高路基帮宽的沉降分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文运用大型有限元计算软件ANSYS，通过施加初始地应力的方式模拟地基在自重作用下长期沉降的稳定，以及自重所形成的应力场，对京沪铁路某段高路基地段帮宽工程的沉降进行了分析。运用ANSYS计算路基沉降在实际工程中已得到初步运用，但还有待实测数据对其进行更准确的检验。

关键词：ANSYS；有限元；路基沉降；地基

中图分类号：U21 文献标识码：A

0、引言

随着国民经济的发展，铁路路基改建加宽工程日渐增多。由于新旧路基在沉降上的差异，常常会发生拉裂、失稳、变形、下沉过速等病害，特别在高路基路基设备帮宽工程中尤为显著，对铁路的正常营运产生了巨大的安全隐患。因此，对新老路基结合部不均匀沉降的分析，具有重要的现实意义。本文结合京沪铁路某段高路基地段的防洪预抢工程，对高路基帮宽工程导致的新旧路基结合部沉降不均匀的情况进行了有限元分析。

1、工程概况

京沪铁路某段，路基高度3-9m，坡长5-15m，坡度1:1.3-1:1.8，由于当时建线标准较低，造成该段路基宽度不足（路基半宽3.5-4.2m），两侧路肩宽度不足，致使石碴溜塌，线路几何尺寸不易保持，同时对日常养护、维修、抢险造成不便，给列车运行及人身安全带来隐患。为彻底改变该处路基的现状，确保人身及行车安全，对该地段左右两侧，共计900m，进行夯填山皮土路基边坡帮宽施工，将路肩加宽至1m，护坡坡度1:1.5，局部进行拱形骨架护砌。路基帮宽施工如图1所示。

图1 路基帮宽施工示意图（单位：m）

2、模型的建立

2.1参数的选择

由于铁路路基的轴向尺寸远大于横向尺寸，路基加宽也沿线路中心线对称进行，可近似的将其考虑为平面应变问题，根据结构的对称性，选取路基结构的1/2。本文按照最不利的原则，选取路基的顶面宽度最小的位置，原为7m，加宽至10m，路基高度9m，护坡坡度为1:1.5。根据工程地质勘察报告及相关资料，老路基为粉质黏土组成的松散结构，经过长时间的自身重力和列车荷载的作用，沉降已经基本完成。路基横断面各部分土层材料参数如表1所示。

表1 土层材料参数表

土层 层厚

/m 回弹模量

/MPa 泊松比 线膨胀系数 容 重

kN/m3

老路基 9.0 45 0.35 8×10-5 18

新路基 山皮土 8.7 15 0.35 5×10-5 14

三七灰土 0.3 40 0.35 5×10-5 12

地基 第一层 1.0 20 0.35 5×10-5 20

第二层 5.0 18 0.35 5×10-5 18

第三层 15.0 40 0.35 5×10-5 20

2.3 建立有限元模型

本文利用有限元软件ANSYS进行分析，按照点、线、面的顺序建立老路基的实体模型，然后通过自由网格划建立有限元模型，单元类型为plane183。虽然网格划分的越细，越能更加真实的模拟实际情况，但同时也大大的增加了计算的时间，综合考虑现场实际和计算效率，老路基路肩下0.3m以下的单元网格大小为1m，以上为0.5m。

实际铁路两侧的地基是无限大的，在有限元的模型中，将地基的宽度考虑为老路基底部宽度的3倍，半宽为51m。地基深度按照实际勘查地质各层深度之和21m，且假设各层在空间上均匀分布。地基底部单元和远离路基侧边的单元无水平和竖向位移，路基中心线位置处的单元无竖向位移。有限元模型如图2所示。

图2 1/2路基帮宽有限元模型

2.4 初始地应力

老路基在运营过程中，经过长时间动静荷载和重力的作用，自身沉降已经完成。本文采用施加初始地应力的方式模拟老路基沉降的完成，即将老路基在自重下的地应力作为初始荷载施加到有限元模型中。在路基自重和初始地应力的共同作用下，路基产生的位移可忽略不计，而竖向应力与自重作用下的应力分布及数值基本相同，表明了采用施加初始地应力的方式可以很好的模拟地基在自重作用下长期沉降的稳定，以及自重所形成的应力场，而不会产生新的附加位移和应力。

3、路基加宽有限元分析

3.1荷载的计算

本文在进行路基的力学简算时，对于列车活荷载和钢轨、轨枕、道床等路基上的轨道结构恒荷载的计算，并假定：（1）列车荷载按最不利的方式考虑，即只考虑轴重，不考虑后面车辆部分的分布力，并将其视为在纵向上均匀分布，分布宽度等于轴距的线荷载。（2）轨道结构恒荷载沿路基纵向均匀分布，其分布强度值根据轨道类型及道床形式尺寸计算确定。（3）路基面上的轨道、道床和列车荷载的合力的分布宽度为自轨底两端向下按45°扩散角计算。

京沪铁路的轨道条件如表2所示。

表2 京沪铁路轨道条件表

钢轨

kg/m Ⅲ型轨枕

根/km 道床厚度

m 道床顶宽

m 道床坡度

60 1680 0.45 3.0 1:1.75

本文取轨道结构和列车荷载沿路基表面分布宽度为3.6m，强度为57.6kN/m。

3.2 结果分析

在路基加宽的实际施工中，必须要保证铁路运输的持续稳定，因此，本文按照最不利的原则进行考虑，即假设轨道结构和列车荷载，在路基加宽工程竣工前始终存在。拓宽的路基虽然实际施工中为1m高度为一台阶进行填筑处理，单在有限元模拟中，考虑到模型计算的时间和精度，从1m至8m按照每2m高度为一个阶段进行考虑，填筑8m-9m（竣工结束）单独做为一个阶段进行计算。

结果表明：（1）路基表面节点的水平位移呈“∨”形分布，拐点位于距离路基中线约1.8m处，基本为荷载作用边缘。在填筑初期，路基表面仅存在指向线路外侧的水平位移，且距路基中线越远的节点水平位移越大，在距路基中线1.8m处，达到最大值，随即衰减。当填筑高度达到8m时，在距中线约2.7m位置处，路基右侧节点水平位移指向线路中心，随着填筑高度的增大，分界位置向线路中心移动。因此，在荷载和路基加宽的共同作用下，由于水平位移变化的不连续，可能造成路基表面的横向撕裂。

（2）路基表面节点的竖向位移均竖直向下，最大值位于路基中线处。随着填筑高度的增加，路基表面的竖向位移整体明显增大，且随着填筑高度的增加，下沉量的变化速率逐渐增大。因此，在即将达到填筑高度时，应密切关注路基表面的沉降变化。

（3）地基顶面的水平位移均指向线路中心，呈波浪线变化。在初期填筑时，在距线路中心约6.0m位置处，出现峰值，该位置为新加宽路基上表面的外侧；当填筑高度为6m以上时，该位置处的峰值逐渐模糊，最大值移动至距线路中心约18.5m处，该位置为新加宽路基的坡脚位置，且随着填筑高度的增加，地基顶面水平位移最大值也不断增大。

（4）地基顶面的竖向位移呈“S”形曲线变化，底部拐点位于距线路中心18.5m位置处，此处为新填筑路基的坡脚位置，随着填筑高度的增加，拐点的竖向位移的峰值也不断增大，方向为指向线路外侧。在距线路中心30m右侧，地基的竖向位移的最大值并非位于新填筑路基的坡脚位置，而位于线路的中心位置，说明线路的轨道结构和列车的荷载仍是路基竖向位移的主要影响因素。

4、总结

对于铁路路基的加宽扩建工程，新路基以边载的形式作用于旧路基的一侧或两侧，不可避免地会引起新旧路基的相互作用与影响。本文结合京沪铁路某段高路基加宽工程，根据地质勘查报告和设计文件，利用有限元软件ANSYS对路基加宽后的沉降问题进行了分析，得出以下结论：

（1）通过施加初始地应力的方式，可以很好的模拟地基在自重作用下长期沉降的稳定，以及自重所形成的应力场，而不会产生新的附加位移和应力。

（2）路基在加宽施工过程中，在填筑的初期，应密切关注新路基坡脚位置处地基的沉降变化，在填筑竣工时，应加大对地基表面的位移观测。

（3）路基加宽完成后，应加强对路基表面水平位移的观测，防止路基表面出现横向的撕裂裂缝。

（4）地基的沉降与地基的材料有一定关系，在路基加宽施工中，应做好前期的地质勘查工作，遇到软弱下卧层时，如不能满足沉降的要求，应对地基进行换填。

5、结语

随着我国铁路的不断发展，路基帮宽工程日渐增多，路基加宽后的沉降问题普遍存在，运用大型有限元软件ANSYS计算路基沉降方法简单、便捷，在工程实例中已得到初步运用，但还需经过更多的实测值来检验。

参考文献：

[1] 李峻利，姚代禄．路基设计原理[M]．北京：人民交通出版社，2001

[2] 曾攀．有限元分析及应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．

[3] 马海燕，童申家．MIDAS／Civil在计算路基沉降中的应用[J].2007,27(5):151-153

[4] 唐朝生 ，刘义怀，等. 新老路基拼接中差异沉降的数值模拟[J].2007,20(2):13-17

作者简介：

徐良：助理工程师.

徐鹏飞：助理工程师

赵永前：助理工程胡