山区高速公路岩质边坡卸荷作用对轨道交通运营的影响

【摘 要】山区高速公路存在沿坡并行已有铁路修建情况，文章通过MSC.MARC有限元分析软件对高速公路岩质边坡与并行铁路进行动力分析，分析出路基边坡不同工况下卸荷作用塑性应变对铁路运行的影响情况，可为山区高速公路岩质边坡卸荷作用对轨道交通运营的影响提供一定的参考。

【关键词】公路铁路并行；有限元分析；塑性应变

1、引言

对于山区高速公路来说，存在沿坡并行已有铁路修建情况。在已有铁路情况下，修筑高速公路公路，因削坡等原因，会改变先筑工程的环境条件。

除了要分析后开挖修筑的公路对先筑铁路边坡的静力稳定性外，还要分析火车动荷作用下铁路边坡的稳定性。通过数值计算方法具体工程对路基边坡不同工况下卸荷作用塑性应变对铁路运行的影响情况进行分析。

2、分析与计算

2.1计算参数

工程地质与岩土体力学计算资料选取该工程的设计文件及相关规范。

①：褐黄色，硬塑，土质不均匀，0～0.3m含植物根系，厚1.0～2.9m。

②：褐黄色，稍密，潮湿，角砾成分主要为强风化泥岩，粒径10-20mm，大者可达60mm，充填20-30%黏土，厚度0.9-3.1m。

③：黄灰色，泥质结构，薄层状构造，成分为泥质，岩石风化强烈，锤击声浊，易碎。节理、裂隙发育，裂面铁染。岩芯呈碎块状、块状。厚3.3~8.0m。

④：浅灰色，泥质结构，薄层状构造。成分为泥质，岩质较软，锤击不易碎，节理、裂隙发育，岩芯呈柱状，柱长一般10～20cm，大者32 cm。

2.2火车相关计算参数

单位长铁轨质量：120kg/m

钢轨弯曲刚度：EI=1.26×107N/m2（双轨取EI=1.26×107M?N/m2）

单位长垫块刚度K=3.5×108N/m2

单位长枕轨质量m=490 kg/m

单位长道渣质量m=1200 kg/m

单位长道渣刚度K=3.15×108N/m2

土体阻尼η=0.1（轨道取0.02）

材料 弹性模量E（MPa） 泊松比μ 粘聚力C（kPa） 内摩擦角

φ（0）

强风化岩 80 0.3 30 18

弱风化岩 600 0.25 120 30

微风化岩 20000 0.25 1100 41

锚杆 210000 0.22 — —

铁轨 刚度13.24 0.2 — —

接触面积：a×b=1.2×1.3

铁轨间距：1435mm

运行速度可选60km/h，90km/h，120km/h，选取为120km/h。

车轮荷载：可选单轮轴荷载为160KN，本计算暂选为150kN。

铁道路基与荷载分布见图1：

2.3计算方法与建模

采用大型商业MSC.MARC有限元分析软件进行动力分析。

2.4不同工况的计算

对本例具体工程，选用如下所示的工况进行分析，计算出坡体竖向位移、横向位移及对性的塑性应变图。

工况一：边坡未开挖时，施加动荷载；

工况二：边坡开挖未加支护时，施加动荷载；

工况三：边坡开挖后锚杆（索）支护时，施加动荷载；

分析给出轨道左右两点的竖向位移随时间变化图，加载步数为19步。分析结果如图2-4所示。

3、结论

3.1通过以上计算结果分析可以得出：未开挖边坡时，轨道在受动荷载的作用时，左侧变形要大于右侧变形（两点原因，一左侧临近边坡临空面；二模型计算网格的划分数量），最大竖向位移——左侧0.026mm，右侧0.00123mm；

3.2开挖未支护边坡时：最大竖向位移——左侧0.2615mm，右侧0.001242mm；开挖锚杆支护边坡时：最大竖向位移——左侧0.1745mm，右侧0.001222mm。对比左右变形，可见边坡未开挖时，临坡面的左侧点由于边坡临空面的存在而存在不均匀的变形，边坡的开挖加大了这种不均匀变形的开展，从数据看出锚杆加固之后起到了一定的效果，缓解了不均匀变形情况的开展。

3.3在该地质情况下计算，得出的结果显示，开挖边坡会对铁路运行造成一定的影响，需要进行防护处理。通过塑性变形图，可以确定锚索、锚杆加固深度及位置，为加固措施提供数值计算依据。

3.4其他类似山区岩质边坡，可根据此方法进行数值计算，来分析山区高速公路岩质边坡卸荷作用对轨道交通运营的影响参考文献

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