重載列車荷載下加筋高路堤邊坡穩定性與影響因素分析

李玉芳

摘要：本文介紹了利用有限元方法進行邊坡穩定性分析的強度折減法原理和模型的邊界、本構關系、屈服準則及所選用單元的類型?；谏厦娴挠邢拊碚摬捎密浖﨧IDAS/GTS建立了邊坡穩定性三維模型，主要分析了高路堤路基在重載列車荷載下的穩定性及土工格柵的長度、間距等對邊坡穩定性的影響。

關鍵詞：強度折減法；高路堤路基；穩定性；土工格柵

中圖分類號：U213文獻標識碼： A

前言

鐵路路基是鐵路工程的重要組成部分，作為上部荷載的主要承載體，尤其是重載鐵路路基，更是至關重要。因為重在鐵路路基相對普通路基擔負著更大的負擔，因此對強度及其穩定性有更高的要求，以保證其堅固穩定。在營運過程中不僅要杜絕發生破壞變形，而且路基在動荷載和外界自然因素的作用下，不能產生基床病害及邊坡危害，更不允許有過大的下沉，以保證列車的正常營運。鐵路路基主要承受荷載包括自重、土壓力、水壓力等恒載及循環反復作用的列車移動荷載，還有偶然荷載，如地震等。而在這些荷載的作用下，為保證列車的平穩、安全運行，路基不應產生過大的沉降，并且應具備足夠的強度。

本文采用有限元軟件對重載列車荷載下高路堤路基邊坡的穩定性進行分析，進而討論土工格柵的長度和間距等因素對高路堤路基的邊坡穩定性的影響。

1 強度折減法原理簡介

在做高路堤邊坡的穩定性分析時，強度折減法和將應力值與極限平衡法結合起來決定邊坡安全系數的方法是目前有限元計算中經常使用的兩種方法。本文采用的是強度折減法來分別計算路堤邊坡在自重作用和列車荷載作用下的邊坡的穩定性，并分析不同因素對路堤邊坡穩定性的影響。

強度折減法就是重力加速度保持不變，不斷降低巖土體的抗剪強度，逐步計算，直至邊坡破壞為止，破壞時巖土體抗剪強度降低倍數即為邊坡最小安全系數K。

2 計算加載方案

2.1 自重荷載

自重是指物體的體力，用戶在物體體力的作用方向上輸入自重系數即可。程序根據用戶建立的單元材料容重，自動計算其體積后計算其自重，最后分配給各單元節點用于分析。

2.2 簡化的列車荷載

本文的重載列車為軸重25t的C80貨車，列車本身的重量及其運行過程中產生的力對對路堤邊坡的穩定性也是有很大影響的，現應用換算土柱法將列車荷載簡化為靜荷載處理。將其以均布力的形式加載于道床之上。列車荷載簡化為矩形荷載的寬度是由軌端作45°應力擴散角與路基面相交的寬度。用與填筑路基土體重度相同的土柱來代替路基面上的列車和軌道荷載的合力。

3 高路堤邊坡穩定性分析三維有限元模型

本文選取了某重載鐵路工程的高路堤斷面，路堤中心最大填高21.3m，路堤邊坡自地表起至基床表層以下每隔0.6m平鋪一層雙向拉伸塑料格柵（TGSG-25-25）（以下簡稱塑料格柵），寬度3m，且沿高度方向每隔3m沖擊碾壓20遍并通鋪一層雙向精編土工格柵（以下簡稱精編格柵），抗拉強度不小于100KN/m。在選取模型區域時為了更好的消除邊界效應的影響并參考相關文獻[1,2]，本文模型深度方向取約路堤高度兩倍，寬度方向左右各延伸路堤底寬的一倍。

3.1 模型邊界的確定

模型底部位移為零，邊界采用固定約束；模型的四周水平向位移為零，采用水平約束；路基邊坡的表面暴露于自然，不加任何約束，采用自由邊界。

3.2 模型本構關系的選取

本文模型建立時，道床由于在實際受力條件下一般處于彈性階段，因此采用線彈性本構模型。大量計算表明，土工格柵在土中受的拉力較其抗拉強度要小得多，所以將土工格柵的本構關系取為線彈性[4] 。巖土材料采用的是彈塑性本構模型。

3.3 屈服準則

屈服準則采用莫爾－庫侖準則。根據莫爾準則，當莫爾圓和破壞包絡線相切時，則發生破壞。

4 單元類型的選取

4.1 實體單元

在有限元模型分析時，道床、路基及地基各層采用實體單元描述，各層間以共用節點的形式連接。三維實體結構單元是通過8個節點來定義的，每個節點沿著x，y， z方向有3個自由度。在MIDAS/GTS中，各單元均采用等參數理論建立單元自身平衡方程。實體單元我們主要使用六面體單元。

4.2 梁單元

軌枕采用梁單元進行建模。MIDAS/GTS中一般采用的梁單元為鐵摩辛柯(Timoshenko)梁，該種形式的梁主要特點是考慮剪切變形。該單元由兩個節點構成，屬于“棱柱狀三維梁單元”。

4.3 土工格柵單元

在MIDAS/GTS中土工格柵單元是只具有抗拉強度沒有抗彎能力的薄膜單元，只能產生軸向的變形[3]。采用4節點薄膜單元來模擬。

4.4 接觸單元

土工格柵和土之間使用接觸單元進行連接。

5 高路堤邊坡穩定系數計算結果與影響因素分析

5.1 典型工點高路堤邊坡穩定性分析

路堤邊坡內部不加格柵，僅在自重作用下分析得路堤邊坡的穩定系數 。在填筑路堤時，每隔3m通鋪一層經編格柵，在這種情況下得到邊坡的穩定系數，穩定系數較未添加格柵前提高了34.9%。在每隔3m添加了通鋪格柵的基礎上，在路堤邊坡自地表起至基床表層以下，每隔0.6m平鋪一層塑料格柵，寬度3m，此時的穩定系數。穩定系數較鋪設精編格柵后的路堤又提高了22.4%。路堤內部不添加土工格柵較鋪設格柵穩定系數提高了65.1%?？梢娡ㄤ伕駯艑β返痰姆€定性作用較邊坡兩側的3m塑料格柵更顯著。

5.2 格柵長度對邊坡穩定系數的影響

當邊坡左右的塑料格柵由原來的長度3m增加至4.5m時，邊坡的穩定系數由原來的2.13增加為2.39，邊坡的穩定系數提高12.2%；當塑料格柵的長度由4.5m增加至6.0m時，穩定系數增加至2.54，穩定系數又提高了6.3%；當左右格柵長度由原來的3m減為1.5m時，邊坡的穩定系數下降為1.86，較原邊坡的穩定系數降低了12.7%。由此我們也可以發現，格柵長度增加可以提高路堤邊坡的穩定性，但是當不斷增大的時候穩定系數提高的幅度將減小，而經濟成本將增大，而格柵長度變短時，穩定系數降低的幅度比較大，而穩定系數2.13已經可以滿足工程需要，可見選用3m長的格柵從經濟和邊坡的安全儲備考慮是比較合理的。

5.3 格柵間距對邊坡穩定系數的影響

原路堤格柵間距從邊坡側面看均為0.6m，現取格柵間距分別取0.3m、0.6m、1.2m和1.8m分析邊坡的穩定性。計算得以上四種格柵間距對應的穩定系數分別為2.38、2.13、1.61和1.39，對應這四種工況的穩定系數變化率分別為增長了11.7%、不變、降低24.4%和降低34.7%。

由以上數據可以看出，當格柵間距減小時，穩定系數增大，當格柵間距增大時穩定系數減小，并且格柵加大時穩定系數較格柵減少降低的幅度更大，因此從經濟和邊坡的安全儲備上考慮，間距選擇0.6m是比較合理的。

結論

（1）在加了通鋪土工格柵后路堤邊坡的穩定性提高了34.9%，左右加3m格柵邊坡的穩定又提高了22.4%，添加土工格柵和無格柵路堤邊坡的穩定性提高幅度達62.6%。

（2）討論了格柵的間距和長度對路堤邊坡穩定的影響，長度加大，穩定性提高；格柵密度減小穩定性也隨之減小，但要注意穩定性的增加和經濟性兩者的合理性考慮。

參考文獻

[1]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學 [M]. 北京：科學出版社，2007.

[2]陳果等.250km/h高速鐵路軌道小平順的安全管理[J].西南交通大學學報,2001,36(5) 495-499

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[4]鄭剛，萬濤，雷華陽.土工格柵加筋高路堤與超載預壓排水固結非線性有限元分析，建筑科學，2007，23(9).