高速列車隨機激振載荷無砟軌道路基的動應(yīng)力分布規(guī)律

董小龍 馮靖淳 劉剛 胡瑞奇

摘 要：相較于傳統(tǒng)的列車軌道路基整體耦合三維有限元模型，提出一種優(yōu)化處理列車荷載的方法，基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論建立列車軌道垂向耦合模型，并通過數(shù)值計算得到考慮了軌道隨機不平順條件下的輪軌激振載荷，隨后利用二次開發(fā)子程序?qū)⑤嗆壿d荷導(dǎo)入無砟軌道路基天然地基土非線性數(shù)值分析三維有限元模型，在此基礎(chǔ)上研究分析高速移動荷載作用下路基的動應(yīng)力分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：采用的車輛荷載處理方法在保證計算精度的前提下代替車輛不平順軌道路基地基整體耦合振動模型，降低了建模及計算時間成本;豎向動應(yīng)力沿橫向分布規(guī)律，在軌道結(jié)構(gòu)中數(shù)值較大，路基基床內(nèi)遠小于軌道結(jié)構(gòu)中的數(shù)值，基床表層及基床底層底面出現(xiàn)“馬鞍形”分布;沿豎向分布，隨著深度的增加，豎向動應(yīng)力逐漸減小，在基床表層內(nèi)的衰減率較大，甚至超過50%;沿縱向分布，在各結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)向架數(shù)目相等的應(yīng)力峰值數(shù)目，列車運行過程中軌道及路基動應(yīng)力的變化可以看作是反復(fù)的加、卸載過程;列車移動速度對路基動力響應(yīng)影響作用明顯，時速由200 km/h增長到350 km/h時，各結(jié)構(gòu)層動應(yīng)力幅值增長均超過30%。

關(guān)鍵詞：列車荷載;高速鐵路路基;隨機不平順;無砟軌道;動應(yīng)力

中圖分類號：U213.1?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：2096-6717（2020）04-0042-10

收稿日期：2020-07-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51978265）;江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計劃（20194BCJ22009）

作者簡介：董小龍（1973- ），男，高級工程師，主要從事市政工程研究，E-mail：3012546031@qq.com。

馮靖淳（通信作者），男，E-mail：feng1997fjc@163.com。

Received：2020-07-19

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No.51978265）; Training Plan for Academic and Technical Leaders of Major Disciplines in Jiangxi Province （No. 20194BCJ22009）

Author brief：DONG Xiaolong （1973- ）， senior engineer， main research interest： municipal engineering， E-mail： 3012546031@qq.com.

FENG Jingchun（corresponding author）， E-mail： feng1997fjc@163.com.

Dynamic stress distribution law of ballastless track subgrade under random excitation load of high-speed train

DONG Xiaolong1， FENG Jingchun2， LIU Gang2， HU Ruiqi2

（1. China Railway Tunnel Group Second Engineering Co.， Ltd.， Langfang 065000， Hebei， P.R. China; 2. School of Civil Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， P. R. China）

Abstract： In this study， compared with the traditional train-track-subgrade integral coupling three-dimensional finite element model， an optimized method for handling train loads has been proposed. The train-track vertical coupling model was established based on the multi-body system dynamics theory， and the wheel-rail excitation load under the condition of random track irregularity was obtained through numerical calculation. Then the wheel-rail load was imported into the ballastless track-subgrade-natural foundation soil nonlinear numerical analysis three-dimensional finite element model by using the secondary development subroutine. On this basis， the dynamic stress distribution law of subgrade under high-speed moving load was studied and analyzed. The research results show that the vehicle load processing method used in this paper replaces the vehicle-irregular track-subgrade-foundation integrated vibration model under the premise of ensuring the calculation accuracy， reducing the modeling and calculation time cost， which has certain reference significance; The vertical dynamic stress distribution law along the transverse direction shows that the value is larger in the track structure， and the value in the subgrade bed is much smaller than that in the track structure. The surface layer of the subgrade bed and the bottom surface of the subgrade bed appears "saddle-shaped" distribution; The vertical dynamic stress distribution law along the vertical shows that as the depth increases， the vertical dynamic stress gradually decreases， and the attenuation rate in the surface layer of the subgrade bed is relatively large， even exceeding 50%; The vertical dynamic stress distribution law along the longitudinal direction shows that the number of stress peaks equal to the number of bogies is produced in each structural layer. The dynamic stress changes of the track and subgrade during train operation can be regarded as repeated loading and unloading processes; The moving speed of the train has an obvious effect on the dynamic response of the subgrade. When the speed increases from 200 km/h to 350 km/h， the dynamic stress amplitude of each structural layer increases by more than 30%.

Keywords：train load; high-speed railway subgrade; random irregularity; ballastless track; dynamic stress

近年中國高鐵步入快速發(fā)展時代，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“復(fù)興號”于2017年投入運營，標(biāo)志著中國高鐵發(fā)展進入2.0時代[1]。列車在線路上高速運行產(chǎn)生的荷載傳遞至軌道結(jié)構(gòu)，然后向下傳遞至路基及路基土體，在路基土體中產(chǎn)生振動和變形，從而影響列車運行的安全性。如日本的第一條高速鐵路東海新干線在修建時對路基問題沒有足夠的重視，自1964年10月通車后，在長達29 km的土質(zhì)路基地段出現(xiàn)了大量路基病害問題，包括道床翻漿冒泥等，同時還造成上部軌道結(jié)構(gòu)的不均勻沉陷，迫使列車的運營速度由最初的210 km/h降至160 km/h，在一些路基病害頻發(fā)路段，時速甚至降至110 km/h。類似工程案例還有許多，由此可見，高速鐵路迅速發(fā)展的同時伴隨產(chǎn)生的路基動力學(xué)及巖土工程問題不容忽視。

已有一些學(xué)者針對列車高速移動荷載對路基土體產(chǎn)生的影響開展過研究，聶志紅等[2]考慮了軌道和路基的耦合作用，研究了高速移動荷載作用下路基表層的動力問題。薛富春等[3-4]采用三維精細化建模技術(shù)，同時考慮了軌道結(jié)構(gòu)與路基之間的動力相互作用，研究了移動荷載作用下軌道及路基的動力響應(yīng)問題。宋小林等[5]通過建立CRTS Ⅱ型板式無砟軌道路基的動力有限元模型，對不同移動速度荷載作用下軌道和路基動應(yīng)力的分布和傳遞規(guī)律進行了分析研究。Shanhu[6]將鋼軌考慮為一維梁單元，在此基礎(chǔ)上建立了線彈性軌道路基三維有限元模型，研究了軌枕間距、基床剛度等對路基動力特性的影響。Hu等[7]采用2.5維有限元結(jié)合薄層單元法，研究了移動荷載作用下軌道路基的動力特性問題。

值得注意的是，正確處理列車荷載求解高速鐵路路基動力響應(yīng)問題的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是準確模擬列車荷載，是后續(xù)計算結(jié)果科學(xué)合理的重要前提，通常數(shù)值仿真分析在處理列車荷載時主要采用兩種方法，一種是建立包括列車軌道路基三維耦合動力學(xué)模型，整個耦合模型由多個子系統(tǒng)共同組成，包括列車子系統(tǒng)、軌道子系統(tǒng)及路基子系統(tǒng)等，同時，模擬各組成部分的動力作用，包括輪軌法向接觸、垂向接觸，計算求解得到輪軌作用載荷;另一種方法是對列車子系統(tǒng)進行簡化處理、通過輪軌激振載荷隨時間、空間位置的表達式模擬列車荷載，而實際列車荷載是一個較為復(fù)雜的問題，列車荷載的準確模擬對于后續(xù)的計算十分重要，學(xué)者們先后提出了一些荷載模擬方法，李軍世等[8]、陳岳源[9]將荷載簡化為一個包含振動幅值和頻率的指數(shù)函數(shù)形式，并通過傅里葉級數(shù)來反映每組輪對隨時間、空間位置的變化。梁波等[10]提出一種與軌道隨機不平順相對應(yīng)的由靜荷載和正弦函數(shù)共同組成的表達式來模擬列車荷載。Matsuura[11]將移動荷載簡化處理為移動簡諧荷載，建立了日本新干線的軌道路基耦合模型，對整個模型的動力特性做了系統(tǒng)的分析。有學(xué)者[12-13]在分析列車荷載時，基于輪軌不規(guī)則接觸而受到強迫振動的考慮，將荷載模擬為受多種因素影響的靜載與附加動載之和的形式。

已有研究工作取得了一些進展和成果，但在處理車輛荷載等方面仍有一些值得商榷的地方，例如，在處理列車荷載時采用傳統(tǒng)建立三維列車軌道路基耦合動力分析模型的方法，由于列車子系統(tǒng)內(nèi)的車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、一系懸掛、二系懸掛等構(gòu)件眾多，涉及伸縮、橫移、沉浮、搖頭、側(cè)滾及點頭多種自由度，同時，為了保證計算精度和準確性，需要對上述構(gòu)件的網(wǎng)格進行細分，并模擬軌道隨機不平順、輪軌接觸模型、與下部結(jié)構(gòu)的動力相互作用等計算條件，導(dǎo)致整個數(shù)值分析模型的求解計算成本較高，應(yīng)用和推廣性受到了一定的限制。而上述采用簡化處理列車荷載代替列車子系統(tǒng)的方法或荷載表達式參數(shù)過于復(fù)雜，應(yīng)用繁瑣、計算成本高，或考慮影響因素不夠全面、偏于簡化，包括在模擬列車移動荷載上，有些沒有考慮到軌道隨機不平順等因素對輪軌載荷產(chǎn)生的影響，輪軌載荷模擬不夠精確，以及未能充分考慮列車輪軌載荷在線路上的移動、疊加組合與鋼軌的分散傳遞因素等。

針對已有研究中存在的問題，筆者對列車荷載的模擬進行了一定的改進，利用多體動力學(xué)軟件Universal Mechanism基于車輛軌道耦合動力學(xué)理論建立列車軌道垂向耦合模型，采用赫茲接觸模擬輪軌接觸，同時考慮軌道橫向、豎向的隨機不平順下計算得到輪軌載荷數(shù)據(jù)，并通過Fortran語言二次開發(fā)子程序Vdload，將輪軌載荷加載至有限元軟件Abaqus建立的無砟軌道路基天然地基土三維有限元模型，相較于傳統(tǒng)建立列車軌道路基三維耦合動力學(xué)模型或?qū)⒘熊嚭奢d簡化為表達式來代替列車子系統(tǒng)的方法，既保證了列車荷載模擬的準確性，又較好地解決了傳統(tǒng)三維列車軌道路基耦合動力分析模型求解計算成本高的問題?；诖碎_展對高速移動荷載作用下無砟軌道系統(tǒng)及路基的動應(yīng)力隨時間、空間變化規(guī)律的研究。

1 模型分析

1.1 模型概述

模型整體由無砟軌道路基土體組成，如圖1所示。無砟軌道結(jié)構(gòu)包括鋼軌、軌道板、CA砂漿層及混凝土底座;路基包括基床表層、基床底層及基床以下路堤本體部分;地基土體為天然地基土。該模型為有限元無限元耦合模型，路基兩端及土體四周采用無限元單元模擬半無限空間體，其余內(nèi)部單元為有限元單元。模型整體沿軌道前進方向的長度為150 m，寬度為60 m，厚度為60 m，其余尺寸按《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》建立模型[14]。

1.2 模型參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系

1.2.1 軌道結(jié)構(gòu)

采用高速鐵路的CRTS型單線無砟軌道，斷面尺寸如圖2所示。軌道結(jié)構(gòu)除鋼軌和軌道板之間的扣件外，其他均采用線彈性本構(gòu)模型，材料參數(shù)見表1，扣件動剛度為60 kN/mm，阻尼系數(shù)取50 kN·s/m。

1.2.2 路基土體和天然地基土

土體屬于粘彈塑性變形的混合體，其應(yīng)力應(yīng)變是非線性的，考慮到路基基床填料屬于顆粒狀材料，其受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，不僅靜水壓力可以引起巖土塑性體積變化，而且偏應(yīng)力也可能引起塑性體積變化（剪脹），故路基采用能準確描述這類材料的Drucker-Prager模型[15]。而列車交通荷載引起地基土動應(yīng)變一般在10-5或者更小，基本屬于彈性變形階段，因此，對地基土體采取簡化假設(shè)，即不考慮地基土塑性性質(zhì)，采用線彈性本構(gòu)模型[16]。這樣做既可以保證計算結(jié)果的準確性，也較大地減少了計算的時間成本。路基土體和天然地基土參數(shù)見表2[16]和表3[4]。由于路基土體各結(jié)構(gòu)層之間錯動很小，可近似認為變形連續(xù)，各結(jié)構(gòu)層間考慮為tie連接。路基土體內(nèi)部有限元單元采用沙漏控制的C3D8R單元，路基兩端及地基土四周無限元單元采用CIN3D8單元。

1.3 荷載計算與邊界條件

1.3.1 荷載計算

基于車輛軌道耦合動力學(xué)理論利用多體動力學(xué)軟件Universal Mechanism建立列車軌道垂向耦合模型，車輛模型采用德國ICE3型高速列車，具體參數(shù)見表4，車輪踏面類型為LMA，鋼軌采用60 kg/m的軌道結(jié)構(gòu)形式，鋼軌高176 mm，軌頭寬73 mm，軌底寬150 mm。結(jié)合高速鐵路實際運行情況，考慮到列車在軌道上高速運行時軌道隨機不平順對列車輪軌載荷的影響，在UM軟件自帶接口通過快速傅里葉逆變換IFFT方法將軌道不平順功率譜[17]轉(zhuǎn)換為時域函數(shù)，在后處理仿真階段采用赫茲接觸模型模擬輪軌接觸，建立較為精細化的列車軌道垂向耦合模型，見圖3，得到基于中國高速鐵路軌道不平順譜下的輪軌激勵時程數(shù)據(jù)。圖4為列車荷載施加示意圖。圖5、圖6為高速鐵路無砟軌道橫向、高低不平順樣本模擬結(jié)果。因研究重點是荷載向路基土體傳遞產(chǎn)生的豎向動應(yīng)力σ22，故只計算了輪軌垂向力，如圖7所示。在做軌道路基動力分析時，其首要問題是基于軌道隨機不平順條件下如何實現(xiàn)對移動荷載的模擬，采用的方法是通過對有限元軟件Abaqus進行二次開發(fā)，使用Fortran語言編寫荷載子程序Vdload，通過子程序?qū)⑸鲜鲚嗆壿d荷數(shù)據(jù)加載至軌道路基模型，施加的輪軌載荷在空間上與高速列車輪軌位置相對應(yīng)，采取2節(jié)動車組8輪對模型進行計算。

1.3.2 邊界條件與地應(yīng)力平衡

模型路基兩端及天然地基土四周采用無限元單元，其實質(zhì)是通過設(shè)置阻尼的方法吸收能量，模擬波在半空間無限區(qū)域的傳播，但有限元軟件Abaqus/CAE目前不支持直接對無限元單元的設(shè)定，需要通過對inp文件的修改來實現(xiàn)對無限元單元的定義。采用三維有限元無限元耦合人工邊界，可較好地解決波在人工邊界反射的問題，滿足本文動力分析的精度需要。

在涉及巖土地基等的數(shù)值動力分析時，為了保證計算的精度和準確性，首先需要進行地應(yīng)力平衡，使地基獲得初始地應(yīng)力，而不存在初始應(yīng)變，模擬地基土在土的自重作用下處于平衡狀態(tài)。地應(yīng)力平衡效果如圖8、圖9所示。由圖9可知，經(jīng)過地應(yīng)力平衡后模型計算的位移幅值為7.57×10-15 m，小于10-4 m，滿足精度要求。

1.4 驗證模型

根據(jù)參考文獻[18]給出的武廣客運專線板式無砟軌道路基現(xiàn)場測試動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，在計算中采用與參考文獻[18]相同的列車軸重、移動速度等參數(shù)，并通過與其計算結(jié)果進行對比來驗證模型的可靠性與合理性，結(jié)果對比如圖10所示。從圖10可知，數(shù)值模擬計算路基中動應(yīng)力沿深度分布的規(guī)律曲線與參考文獻[18]實測動應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬計算結(jié)果略大于實測值，但其最大差值僅為2.282 kPa。

為了進一步說明模型建立及采用兩步法處理車輛荷載的合理性、優(yōu)越性，采用文獻[19]中相關(guān)參數(shù)，模擬單列動車組2位轉(zhuǎn)向架加載，求解得到了鋼軌正下方基床表層的動應(yīng)力時程曲線，如圖11所示。由圖11（a）、（b）對比可知，無論是曲線規(guī)律還是幅值大小都非常接近，計算結(jié)果時程數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律與對比文獻中的結(jié)果吻合情況較好。文獻[19]采取的是傳統(tǒng)建立列車軌道路基耦合模型的方法，本文所建模型及采用兩步法處理列車荷載的方法與對比文獻不同，盡管本文通過多體動力學(xué)軟件UM也建立了列車軌道耦合模型，但在UM前處理Input模塊可利用軟件自帶的參數(shù)化建模、子系統(tǒng)（Subsystem）模塊等通過多層嵌套的形式大大節(jié)省建模時間，同時用戶可根據(jù)計算分析的需要通過UM Loco選取輪軌接觸模型、軌道型式、線路不平順等;UM后處理仿真分析Simulation模塊在求解輪軌接觸等復(fù)雜接觸問題、剛性問題優(yōu)勢非常明顯，可以較準確地模擬車輛完整的結(jié)構(gòu)運動關(guān)系和動力特性，在保證求解精度的同時也非常高效，極大地縮短了計算時間成本（仿真分析時間成本遠小于傳統(tǒng)有限元整體模型法）。因此可認為，相較于傳統(tǒng)建立列車軌道路基三維耦合動力學(xué)模型或?qū)⒘熊嚭奢d簡化為表達式來代替列車子系統(tǒng)的方法，本文采取的方法在滿足計算精度的同時十分高效便捷，極大地縮短了建模及仿真的時間成本。

2 數(shù)值分析結(jié)果

在列車高速移動的荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)及路基土體的振動及變形主要發(fā)生在豎向，因此，重點對豎向動應(yīng)力σ22進行分析研究。

2.1 豎向動應(yīng)力σ22沿各結(jié)構(gòu)層橫向分布

根據(jù)無砟軌道單線路堤標(biāo)準橫斷面示意圖（如圖2所示），各結(jié)構(gòu)層自上而下分別為：軌道板、CA砂漿層、混凝土底座、路基本體及天然地基土等。各結(jié)構(gòu)層底面豎向動應(yīng)力σ22見圖12。

從圖12可以看出，在軌道板、CA砂漿層及混凝土底座均產(chǎn)生了兩個明顯的峰值，其峰值出現(xiàn)位置與荷載作用位置相對應(yīng)，而在基床表層及基床底層豎向動應(yīng)力呈現(xiàn)出“馬鞍形”分布，在混凝土底座與基床表層的接觸部位出現(xiàn)突變，說明此接觸部分容易發(fā)生破壞，在設(shè)計中應(yīng)引起重視。同時，隨著深度的增加，豎向動應(yīng)力逐漸減小，軌道結(jié)構(gòu)中的豎向應(yīng)力值較大，路基結(jié)構(gòu)中的豎向應(yīng)力值相對較小，說明路基基床在分散和緩沖豎向動應(yīng)力中起了較大作用，當(dāng)應(yīng)力傳遞至路堤本體底面時有明顯衰減。

2.2 豎向動應(yīng)力σ22在路基內(nèi)豎向分布規(guī)律

豎向動應(yīng)力σ22在路基內(nèi)沿深度分布如圖13所示。選取混凝土底座邊緣、軌道中心線及鋼軌下方3條深度方向的路徑對比分析豎向動應(yīng)力σ22在路基內(nèi)沿豎向分布的衰減曲線，從圖13可以看出，隨著深度的增加，豎向動應(yīng)力σ22逐漸減小，在基床表層內(nèi)最大，其中，混凝土底座邊緣下方基床表面的σ22為22.341 kN，軌道中心線下方基床表面的σ22為20.113 kN，鋼軌正下方基床表面的σ22為18.682 kN?；炷恋鬃吘壪禄脖砻鎰討?yīng)力大于軌道中心線及鋼軌正下方基床表面動應(yīng)力，這是因為在列車高速移動的動荷載作用下，混凝土底座邊緣產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)。

由圖14可知，豎向動應(yīng)力σ22沿深度方向衰減率隨深度的增加逐漸增大，3條路徑豎向動應(yīng)力σ22的衰減規(guī)律基本一致，在基床表層內(nèi)的衰減較大，混凝土底座邊緣下的基床表層內(nèi)衰減率達到52.7%，軌道中心線下的基床表層內(nèi)衰減率達到47.9%，鋼軌正下方的基床表層內(nèi)衰減率達到43.7%，基床底層及路堤本體內(nèi)衰減率逐漸趨于平緩，最終到達路基底面時衰減率均達到80%以上。經(jīng)過計算，

無論是混凝土底座邊緣下方還是鋼軌、軌道中心線下方，豎向動應(yīng)力衰減速度（即動應(yīng)力單位深度衰減量）均是基床表層內(nèi)最快，基床底層次之，路堤本體最慢?？梢娐坊鶎?yīng)力波的吸收起到了重要作用，在工程實際中應(yīng)當(dāng)對路基的設(shè)計引起足夠重視。

2.3 豎向動應(yīng)力σ22沿各結(jié)構(gòu)層縱向分布

圖15為不同結(jié)構(gòu)層底面豎向動應(yīng)力σ22沿縱向（列車前進方向）分布規(guī)律。從圖15可以看出，沿線路縱向不同結(jié)構(gòu)層的豎向動應(yīng)力分布規(guī)律類似，數(shù)值大小隨著深度的增加逐漸減小。在無砟軌道系統(tǒng)和路基各結(jié)構(gòu)層中，各層的豎向動應(yīng)力分布曲線中產(chǎn)生了明顯的4個峰值，這4個峰值即對應(yīng)了本文模型中兩節(jié)動車組的4位轉(zhuǎn)向架。列車運行過程中軌道及路基動應(yīng)力的變化可以看作是反復(fù)的加、卸載過程。當(dāng)高速移動的動荷載逐漸遠去時，豎向動應(yīng)力σ22也逐漸趨于0。

2.4 列車時速對豎向動應(yīng)力σ22的影響

表5為列車在不同時速V1=200 km/h、V2=250 km/h、V3=300 km/h、V4= 350 km/h下路基基床各結(jié)構(gòu)層的豎向動應(yīng)力幅值曲線，為了更形象直觀地描述列車移動速度對豎向動應(yīng)力幅值的影響，同時結(jié)合圖16來共同說明。由圖16和表5可知，速度在200～350 km/h范圍內(nèi)，隨著列車移動速度的增加，動應(yīng)力幅值呈逐漸增大趨勢。其中，基床表層頂面動應(yīng)力幅值對速度變化最敏感，速度由200 km/h增大至350 km/h，動應(yīng)力幅值增長了40.80%，由上至下，其他路基結(jié)構(gòu)層動應(yīng)力幅值分別增長了40.61%、35.23%、33.16%。因此，列車時速對路基結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)有一定的影響，在實際高速鐵路運行中要合理設(shè)定列車行駛速度。

圖17為不同列車移動速度下豎向動應(yīng)力沿深度衰減規(guī)律，由圖17可知，4種時速下動應(yīng)力幅值分布規(guī)律相近，均在路基基床頂面取得最大值，隨著深度的增加，動應(yīng)力幅值逐漸減小，在深度范圍0～2 m內(nèi)衰減較快，隨后衰減逐漸趨于平緩。在不同列車移動速度下，衰減率相差很小，基本趨于一致，在路基深度為0.4 m處即基床表層底面，4種時速下的動應(yīng)力幅值衰減率均超過了50%，同時，路基基床內(nèi)動應(yīng)力幅值衰減速度（即單位深度衰減量）隨著深度的增加逐漸降低，基床表層內(nèi)最快，基床底層次之，路堤本體內(nèi)最慢。可見，路基基床對上部結(jié)構(gòu)傳遞的動力響應(yīng)的吸收和擴散起了重要作用。

3 結(jié)論

基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論建立列車軌道垂向耦合模型，考慮軌道隨機不平順的影響計算了高速列車運行時產(chǎn)生的輪軌激振載荷，通過有限元軟件二次開發(fā)子程序?qū)⑤嗆壿d荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入無砟軌道路基天然地基土非線性數(shù)值分析三維有限元模型中。同時，考慮到在涉及地基土這種半空間無限區(qū)域的動力分析中直接截斷地基土邊界會使波在邊界面上反彈，產(chǎn)生誤差，模型路基兩端及天然地基土四周采用無限元單元模擬無窮邊界區(qū)域，路基土體采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型，同時考慮了材料的硬化等參數(shù)。通過數(shù)值分析計算得到了如下結(jié)論：

1）采用的車輛荷載處理方法與參考文獻[18-19]計算結(jié)果吻合情況較好，相較于傳統(tǒng)建立列車軌道路基三維耦合動力學(xué)模型或?qū)⒘熊嚭奢d簡化為表達式來代替列車子系統(tǒng)的方法，在滿足計算精度的同時十分高效便捷，極大地縮短了建模及仿真的時間成本。

2）沿橫向分布時，豎向動應(yīng)力在軌道結(jié)構(gòu)中數(shù)值較大，路基基床內(nèi)遠小于軌道結(jié)構(gòu)中的數(shù)值，基床表層及基床底層底面出現(xiàn)“馬鞍形”分布;沿豎向分布時，隨著深度的增加，豎向動應(yīng)力逐漸減小，在基床表層表面，豎向動應(yīng)力數(shù)值：混凝土底座邊緣下方>軌道中心線下方>鋼軌正下方。豎向動應(yīng)力衰減速度（即動應(yīng)力單位深度衰減量）：基床表層>基床底層>路堤本體;沿縱向分布時，在軌道結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生了與列車輪對數(shù)目相等的應(yīng)力峰值數(shù)目，在路基基床內(nèi)，由于距離相近的輪對產(chǎn)生的動力響應(yīng)進行了疊加，應(yīng)力峰值數(shù)目減少。

3）列車移動速度由200 km/h增加到350 km/h，路基各結(jié)構(gòu)層豎向動應(yīng)力幅值增長均超過30%，列車時速對路基結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響較大，在實際高速鐵路運行中要合理設(shè)定列車行駛速度。

4）路基基床在分散、緩沖及吸收豎向動應(yīng)力中起主要作用，混凝土底座邊緣與基床表層接觸部分易發(fā)生破壞，在設(shè)計中應(yīng)引起足夠重視。

以下問題值得繼續(xù)深入研究：

1）建立的三維有限元模型進行了一些簡化，實際工程中高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)及路基土體較為復(fù)雜，后續(xù)的研究中可以建立更精細化、更全面的模型。

2）實際的天然地基土體是多相介質(zhì)且非飽和，應(yīng)考慮采用更符合實際工況的本構(gòu)模型。在后續(xù)的研究中，將會對上述問題進行更加深入的探討。參考文獻：

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（編輯 章潤紅）