维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年３月 第３期（总１０２） 铁道工 程学报 Ｍａｒ ２００７ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＯＣＩＥＴＹ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩＬＷ ＡＹ ＮＯ．３（Ｓｅｒ．１０２） 文章编号：１００６—２１０６（２００７）０３—００２９—０４ 青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析 李 涛 （上海铁路城市轨道交通设计研究院， 上海２０００７０） 摘要：研究目的：本文对青藏铁路冻土路基在列车荷载下的结构动力进行了分析研究，为多年冻土区路基工程 设计和铁路运营安全分析提供了依据。 研究方法：以青藏铁路清水河多年冻土区试验段路基结构为工程背景，利用列车——轨道二维动力模型 得到的道床底部列车荷载激励曲线，对冻土路基结构进行有限元时程反应分析，探讨冻融状态下路基的列车 振动荷载效应。 研究结论：无论是暖季融化还是寒季冻结状态，列车振动荷载产生的土体压应力都大大高于静荷载，车速 对土体动应力反应有明显影响；冻结状态下，路基中下部土体的动力反应较大，而暖季融化时路基顶部土体对 动应力有较显著的放大作用，因此，在工程设计和运营养护时应有针对性地对结构进行加强。 关键词：青藏铁路；路基；冻土 中图分类号：Ｕ４１６ 文献标识码：Ａ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｑｉｎｇｈａｉ——Ｔｉｂｅｔ Ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ Ｒｅｇｉｏｎ ＬＩ Ｔａｏ （Ｕｒｂａｎ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒａｉｌｗａｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｏｆ Ｑｉｎｇｈａｉ——Ｔｉｂｅｔ Ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ ｒｅｇｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｉｎ ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｉｎ ｔｅｓｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｔｉｂｅｔ Ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ Ｑｉｎｇｓｈｕｉｈｅ ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ ｒｅｇｉｏｎ ａｓ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔｅｄ ＣＨＩＶＥＳ ｏｆ ｒｏａｄｂｅｄ ｂｏｔｔｏｍ ｕｎｄｅｒ ｔｒａｉｎ ｌｏａｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｕｎｄｅｒ ｆｒｅｅｚｅ——ｔｈａｗｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｗｈｅｔｈｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｈａｗｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｒｉｎ ｓｅａｓｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｌｄ ｓｅａｓｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｒａｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｉｓ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｓｐｅｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｕｎｄｅｒ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ ｉｎ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔ，ｂｕｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈａｗｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｒｎ＇ｌ ｓｅａｓｏｎ，ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔｈｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｄｙ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｑｉｎｇｈａｉ－Ｔｉｂｅｔ Ｒａｉｌｗａｙ；ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｆｒｏｚｅｎ ｓｏｉｌ 收稿日期：２００６—０８—０２ 作者简介：李涛，１９５７年出生，男，教授级高级工程师，现任上海铁路城市轨道交通设计研究院副总工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com ３０ 铁道工程学报 ２００７年３月 随着青藏铁路的建成通车，标志着我国科技界在 攻克多年冻土区修筑工程这一世界性难题已取得了重 大进展，目前，国内外学者对冻土路基结构的地温场机 理仿真计算进行了深入研究，取得了大量的成果。但 应该看到，与冻土温度场密切相关的冻土路基结构应 力和应变才是工程建设者最终关心和需要研究解决的 重要问题，至今为止还缺乏系统的研究。在冻土的动 力特性方面，一些学者进行了研究。俄罗斯学者崔托 维奇 对冻土的动力性质进行了研究；我国何平 研 究了饱和冻结粉土的动力特性；刘建坤等 模拟计算 了多年冻土路基上列车振动波沿地表面传播的衰减情 况，但尚未见到研究列车振动荷载影响冻土路基结构 应力变化方面的有关文献。 本文以青藏铁路清水河多年冻土区试验段路基结 构为工程研究背景，利用列车一轨道二维动力模型，得 到作用于道床底部的列车荷载激励曲线，将其作为动 力荷载施加到冻土路基结构模型上，应用有限元方法 进行时程反应分析。计算中分别考虑了暖季和寒季条 件，按不同的列车速度分析路基及地基各部位土体的 动力响应；与列车静活载作用相比，给出了冻土路基动 力反应的有关结果，为工程设计和铁路运营安全分析 提供了依据。 有限元动力分析模型 １．１试验段概况 青藏铁路清水河多年冻土工程试验段 位于高 温冻土细粒土地区，属青藏高原冰雪型气候区，气候干 燥、低温。一年分为寒季（月平均气温为负值）和暖季 （月平均气温为正值）。冻结期为９月至次年４月。 本地段出露地层主要为第四系冲、洪积砂粘土、砾砂及 风积细砂。由地质钻孔资料可知，多年冻土上限为地 面下３ ｍ左右，年平均地温一０．９１ ｏＣ＜Ｔ＜一０．７０ ｏＣ， 属高温不稳定区。 １．２计算模型 采用铁路里程ＤＫ １ ０２５＋６００处普通路基为计算 模型，路基高度６．３ ｍ，顶面宽度８．０ ｍ。路基断面及 地质情况见图１和表１。采用有限元分析程序ＡＮＳＹＳ 进行静、动力计算，轨道一路基系统的分析模型见 图２，采用二维平面应变模型，共有２ ２９８个节点， ２ １７４个四边形单元。路基两侧地基的计算宽度取值 范围为３０ ｍ，深度的取值范围为２０ ｍ，以减少边界效 应。 １．３计算参数选择 有限元分析时采用的容重 、弹性摸量Ｅ和泊松 比 等路基填料和地下土层计算参数取值见表１。为 图１路基断面及地质分层情况（单位：ｉｎ） 图２轨道一路基系统有限元分析模型 减少复杂因素，假定材料始终保持弹性状态，阻尼比取 ０．０５。 表１路基填料和地下土层的计算参数 ， １／ｋＰａ 层号 材料 （ｋＮ・ （冻结 （融化 （冻结 （融化 ｍ一 ） 状态） 状态） 状态） 状态） １ 粗砂填料 １８．７ １２０ Ｘ１０ ２．５ Ｘ １０ ０．２０ ０．３５ ２ 粗砂填料 １８．７ ５６０ Ｘ１０ ２、５ Ｘ １０ ０．２１ ０．３５ ３ 细砂 １８．０ ２５８ Ｘ １０ ３．０ Ｘ１０ ０．２３ ０．３３ ４ 砾砂 １７、０ ５４０ Ｘ １０ ５４０ Ｘ１０ ０．２２ ０．２２ ５ 泥灰岩 １８．９ １２００ Ｘ１０ １２０ｏ×１０ ０．２２ ０．２２ ２列车一轨道系统动力模拟荷载 ２．１列车一轨道二维动力模型 列车一轨道系统动力分析模型是由列车模型、轨 道模型及轮轨问的耦合关系组成的体系（图３）。列车 模型为多节车体、转向架、轮对、二系弹簧和阻尼减振 器组成的多自由度振动系统。轨道模型为３层质量一 弹簧～阻尼器系统支持的弹性长梁，其中弹性长梁按 有限元处理，模拟钢轨；３层质量一弹簧一阻尼器系统 分别模拟轨下垫层、轨道和道床。 利用该系统模型在计算机上进行模拟分析，得到 作用于道床底部的列车荷载激励曲线 ，将其作为动 力荷载作用在路基结构有限元模型上。图４为ＤＦ４型 内燃机车加挂８节货车重车以６０ ｋｍ／ｈ速度通过时的 道床底部列车激振力时程曲线。 ２．２列车静活载 列车静活载按中一活载考虑，机车单轮轴重为 １１０ ｋＮ。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 李涛：青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析 ３１ ，Ｍｃ ｌ１ ０ ｚ ｃ 帮 茜霭 Ｉ’Ｌ ’ 图３列车一轨道系统二维动力模型 Ｂｄ０＿【＼ 骚 ３ ２● 一２ ４ ６ ８ ８ ６ ４ ２ ０ ８ ∞∞∞∞Ｏ∞∞∞∞∞∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 加 ｍ Ｏ 图４车速６０ ｋｍ／ｈ时道床底部列车激振力时程曲线 ３主要计算结果 分别考虑路基结构处于寒季冻结和暖季融化状 态，在６０ ｋｍ／ｈ、９０ ｋｍ／ｈ、１２０ ｋｍ／ｈ ３种车速以及列车 静活载情况下，观察路基及地基土体沿路基深度方向 的应力变化，有以下主要特征： ３．１列车静活载下土体应力等压线为钟形曲线，接近 德、日等国的实测线 Ｊ。冻结时比融化状态稍大，例如 在路基中心顶面下１．５ ｍ处为３３．４～３４．２ ｋＰａ，相差不 到３％。 ３．２列车振动荷载产生的土体压应力明显高于静活 载（图６、图７），车速越高，差别越大。在路基中心顶 面下１．５ ｍ处，比静活载增大１７％～３１％（冻结状态） 和３７％～５９％（融化状态）；在路基中心顶面下６．３ ｍ 处（路基底），增大７％～１３０％（冻结状态）和８７％～ １２０％（融化状态）；在地基深处增大数倍。 ３．３列车振动荷载产生的土体压应力沿深度分布规 律为：在路基结构内的变化规律与静活载基本一致，但 在路基底以下则衰减很慢，与静活载相比出现很大反 差，说明地基土对列车振动荷载的动力反应明显。 ３．４车速对土体动应力反应有明显影响，车速越高， 应力值越大。例如在路基中心顶面下３．０ ｍ处， 图５车速６０ ｋｍ／ｈ时路基底部动应力时程曲线 趟 ∞ ∞ 如 加 ｍ Ｏ ０ ５ １Ｏ １５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ 路基面以下深度，ｍ 图６冻结时路基面下不同深度处土体压应力 旦 趟 ０ ５ １Ｏ １５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ 路基面以下深度／ｍ 图７融化时路基面下不同深度处土体压应力 １２０ ｋｍ／ｈ、９０ ｋｍ／ｈ车速产生的动应力分别比６０ ｋｍ／ｈ 车速增大１３％～２１％（冻结状态）和４％～６％（融化 状态）。 ３．５路基中下部土体在寒季冻结状态时的动力反应 要大于暖季融化状态，此时车速变化也加大了动应力 变化的幅度。例如在路基底，融化状态下３种车速产 生的应力变化范围为１１％，而冻结状态下则增大为 １１８％，这主要是由于冻结状态下土体的弹性模量和刚 度增大，自振周期改变，导致动力反应明显的原因。 ３．６融化状态下，列车动载产生的应力在路基顶部明 显增大，但随深度增加又逐渐衰减，表明融化时的路基 顶部土体对动应力有放大作用，因此，在工程设计时应 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 铁道工程学报 ２００７年３月 给予足够的重视，对结构进行必要的加强。 参考文献： ［１］崔托维奇．冻土力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８５：１— ４６４． ４ 结论 本文建立了多年冻土路基结构有限元模型，利用 道床底部的列车荷载激励曲线，进行时程反应分析。 结果表明：在暖季融化和寒季冻结条件下，考虑列车静 ［２］ 何平．饱和冻结粉土的动力特性［Ｄ］．兰州：中国科学院 兰州冰川冻土研究所，１９９３． 载时，多年冻土区土体压应力未出现明显变化；列车振 动荷载产生的土体压应力明显高于静荷载，车速越高， 差别越大，在天然地面以下则衰减很慢，与静活载应力 急剧下降相比出现很大反差；在冻结状态时路基中下 部土体的动力反应明显大于融化状态，车速对土体动 ［３］ 刘建坤，等．青藏热水煤矿多年冻土区列车引起的地面 振动检测与模拟［Ｊ］．冰川冻土，２００４，２６（２）：１７７—１８０． ［４］ 铁道第一勘察设计院，等．路基新结构一片石通风路堤 试验研究［Ｒ］．２００４． ［５］ 王逢朝，夏禾，等．列车震动对环境及建筑物的影响分析 ［Ｊ］．北方交通大学学报，１９９８，２２（８），１３—１７． 应力反应有明显影响；暖季融化状态下，路基顶部土体 的动应力较大。该结论可为工程设计和铁路运营安全 分析提供依据。 ［６］ 郝赢．铁道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９４：１８０ —１８６． （编辑慕成娟） （上接第１１页） 匀性有关。原状黄土在其受荷过程中，结构可稳性的 丧失伴随着结构可变性的发挥，从静三轴剪切试验来 看，可稳性主要在荷载增长的前期起作用，可变性侧在 荷载增长的后期起作用。没有可稳性的丧失，就不会 有可变性的发挥。可稳性的丧失是一个损伤过程，其 结果是初始结构由调整到破坏；可变性的发挥是一个 ５．２在主应力差与轴向应变关系曲线中，各层黄土都 表现出强烈的结构性。黄土Ｌ 、Ｌ 可稳性较大，可变 形较小，应力应变曲线呈弱软化型，而黄土Ｌ 、Ｌ 在低 围压下其可稳性大，应力应变曲线呈弱软化型，而高围 压下可变性大，呈弱硬化型；各层黄土随围压的增大， 其峰值强度随之增大，且体变由剪胀性向剪缩性转变。 愈合过程，其结果是次生结构的形成和发展。 在作用力未达到初始的联结强度以前，主要是初 始结构性的自我调整过程，变形很小，表现为应力与应 变之间的线性关系；当作用力达到结构强度时，土的初 ５．３黄土的强度变形特性在其结构联结没有遭到破 坏以前主要表现为，其维持结构可稳性的能力和颗粒 联结特性与稳定性有关；在结构联结遭到破坏以后表 现为，结构可变性的能力和颗粒的排列特性与均匀性 有关。 始结构大部分被破坏，力的微小增量会引起变形的较 大增长；当作用力超过土的结构强度而继续增长时，随 着变形的增长，被破坏的土的结构又会逐渐趋于新的 参考文献： ［１］Ｔｅｒｚａｇｈｉ Ｋ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｗｅｌｅｙ．１９４３． 稳定，使次生结构逐渐形成，并且在次生结构形成的强 度增长不足以弥补外荷应力增长的速率时，出现土的 最终破坏。 ［２］ 胡再强，沈珠江，谢定义．非饱和黄土的结构性研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２０００，６（１９）：７７５—７７９． ３］谢定义．试论我国黄土力学研究中的若干新趋向［Ｊ］． 岩土工程学报，２００１，１（２３）：３—１３． ５ 结论 本文以扫描电镜及静三轴剪切试验为研究手段， 对Ｑ 、Ｑ 原状黄土的结构性及其强度变形特性进行 ［４］李兰．黄土微结构的试验研究［Ｊ］．水文地质工程地质， ２００４（３）：１７—２０． 了分析，得到如下结论： ［５］ 邵生俊，周飞飞，龙吉勇．原状黄土结构性及其定量化参 数研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００４，４（２６）：５３１—５３６． ５．１随着埋藏深度的增大，结构特征由支架大孔微胶 结结构变为镶嵌微孔半胶结结构，支架大孔孔隙发育 变为粒间孔隙发育，再为微孔孔隙发育，而胶结物的多 寡则与沉积的历史环境相关。 （编辑慕成娟）