交通荷载作用下冻土路基动力响应研究

交通荷载作用下冻土路基动力响应研究

李泽霖

贵州桥梁建设集团有限责任公司贵州贵阳550001

摘要：我国社会经济的快速发展促进了交通建设的发展，政府在寒区和现有交通系统的建设方面也越来越重视,因此，在建设的过程中，冻土路基动力响应问题也越来越突出。在实践中，为了满足工程的各种需要,应该加强重视交通荷载作用下冻土路基动力响应的研究工作。

关键词：交通荷载；冻土路基；动力响应

现阶段,国内外不仅在非冻土场地、路基、堤坝、地震震陷和震害等方面研究取得了很大的成绩，而且在非冻土场地路基、隧道等交通工具行驶振动响应方面的研究也收到了很好的效果，特别是其产生的负面影响也在研究的范围之内。另外，通过在冻土路基进行铁路建设的过程中可以看出现存的主要问题是冻土路基铁路的振动和动力稳定问题,尤其是路基的振动和变形问题现已成为相关领域需解决的关键问题。

1.冻土路基工程的现状

冻土的基本特点是在温度上具有较强的敏感性,除了温度,还有其它因素也会影响其稳定性，比方说岩性、地温、含水量和工程等因素。其中工程因素不仅是控制和保持地面温度的主要因素而且也是唯一受人为影响的因素。根据对地温影响方式的不同，可以将工程措施分为两类，一类是被动工程措施；另一类是主动调控地温措施；被动工程措施是指使地温保持在最初的状态或者是控制冻土的退化速度，主动调控地温措施是积极地采取有效的方法改善冻土的热状态,从而使工程的稳定性得到更好的发展。除上述内容外，被动工程措施还包括以下内容:首先，在土体表面可以改变其辐射条件；其次，改变路基土体与大气及原冻土热传导状况。这些措施可以有效缓解由于冻土退化给路基造成的破坏程度,在冻土退化长期的作用下,路基也会不断的被破坏,在维护上需要投入大量的费用。主动调控地温措施包括两种方法，分别是传导和对流。现存的对流方法是通风路基、碎片石路基和热棒:通风路基，在建筑领域常应用通风基础,早些年前，美国曾对通风路基做过研究,在研究中对热传导和管道方面的热影响进行深入了解并且也利用数值对管体的位置进行了模拟分析,得出的结论是通风管路基应用的价值较大。然而，这种路基应用的并不是很广泛。碎片石路基,其具有冬季隔冷和夏季隔热的特点。热棒，利用汽体和液体的互相转换使之形成对流循环换热并以此来实现热量传输的一种装置。美国在保护冻土地基稳定性上曾应用过这种方法。由于国外有些国家自身的冻土稳定性较强并且受到人为的影响较小，因此，在冻土地基方面的研究并不是很重视。

2.轨道交通引起的地基动力反应分析

随着经济社会的发展，铁路建设在我国的交通建设中已被列为重点工作，高铁时代的到来使国际上经济发达的国家越来越重视高速铁路的建设。目前，高铁的轨道结构分为两种:分别是有碴轨道和无碴轨道。我国高铁采用的是第一种轨道结构，这种轨道结构能够有效保证在高速状态下高铁列车的行车安全。有碴轨道结构不仅具有较多的优点而且还具有防震减噪的功能，但是有优点存在的同时还存在一些不足之处，有碴轨道的稳定性并不是很好,在列车荷载的反复作用下轨道在其原有变形的基础上变形越来越严重,从而导致了轨道的纵向分布不够均匀和高低不平的现象,这种情况不仅降低了舒适性,而且也无形中加大了维修铁路的工作量。最近几年,由于我国列车的速度在不断提升和重型铁路以及地铁的大力修建导致了列车的动力问题和路基稳定方面的问题,因此，路基动力学被作为路基科学的重点学科。线路是以路基为基础的,因为路基不仅承载着线路上部结构的重量,并且还承载着列车荷载的反复作用,线路上部结构的重量属于静压力,而列车荷载的反复作用力属于动压力。路基变形主要指在列车进行营运的过程中导致的基底下沉，轨道表面在列车行驶的过程中在弹性上发生变形和填土的下沉等，这几个问题也是高铁路基部门高度重视的问题。当前关于在冻融过程中，土的水分流失问题没有给出合理的解释。尽管在这方面做过研究但是始终没有结果。从以上可以看出，水分流失对交通荷载作用下冻土地基的动力反应产生影响的问题是需要待解决的重点问题.

3.交通荷载作用下冻土路基动力响应分析

3.1建立路基模型

在延伸长度和几何尺寸上，路基大于其横断面的长大线形构建物,因此，这种问题应该被列为平面应变问题,由于温度决定着冻土的力学性质,因此，在建立路基模型时应该以温度作为参考依据。

3.2建立荷载模型

通常采用一个激振力函数模拟列车荷载来建立荷载模型,主要包含两种模型，一种是静荷载，另外一种是动荷载,列车荷载振动的周期特点就是通过其体现出来的。

3.3数值模拟结果分析

3.3.1路基动力反应沿路基深度和水平方向的变化规律

路基动力反应沿路基深度和水平方向的变化呈递减的规律,然而在土层的不同交界处会突然发生变化，纵向的加速度数值也是呈递减趋势的,但是土层不同，递减的速度也不同,其中最快的递减速度发生在粉质粘土层当中,最慢的递减速度发生在弱风化岩中。在路基填土层中水平位置移动递减最快,但是在填土和粉质粘土层的交界位置会发生突然变化，纵向位置移动数值和其速度的变化规律具有相似性。

3.3.2列车运行速度影响着路基的加速度和位移

路基的加速度和位移是随着列车的运行速度变化而变化的。相对来说，列车运行速度对路基的加速度要比对路基的位移影响大。

3.3.3冻土负温对路基加速度和位移产生的影响

路基加速度和位移受冻土负温的直接影响，温度越低,路基水平和纵向的加速度数值就越低,而且当冻土完全冻结后，路基的加速度变的比原来还要小,其中，在轨道的中心位置，路基加速度在冻土负温的作用下产生的反应最突出，并且当冻土完全冻结后，路基的水平位移也相对比之前小很多,也就是说，负温越低,水平和位移的数值就越小。

结束语：

综上所述，随着我国高速铁路的建设和发展,提高列车的运行速度是交通系统建设中的主要内容,同时，寒区的铁路建设工作也是铁路建设部门高度重视的一项工作，由于寒区的列车速度也在不断的提高,因此在交通荷载的作用下冻土路基动力响应的问题越来越突出。然而,我国在这方面的技术还不够完善，这就要求政府和铁路部门要加强重视交通荷载作用下冻土路基动力响应的研究工作。

参考文献：

［1］吴青柏，崔巍，刘永智.Ｕ型块石路基结构对多年冻土的降温作用［Ｊ］．冰川冻土，2010，32（3）：532－537.焦贵德，马巍，赵淑萍，等．

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