基于ABAQUS的高速铁路路基动力响应规律数值模拟研究

基于ABAQUS的高速铁路路基动力响应规律数值模拟研究

邓锡保

中国铁路广州局集团公司深圳工程建设指挥部

摘要：通过ABAQUS软件模拟计算了在振动频率20Hz、振动位移为3mm下路基的动力响应特征，得出在循环位移的作用下路基的应力以及位移范围都呈半球体状，且应力的扩散范围比位移扩散范围更为明显；位移的传递大部分是集中于较浅的一部分，在表层部分就已经衰减了绝大部分，以至于很难往下部传递。

关键词：路基；数值模拟；动力响应；动应力；位移

Numerical simulation of dynamic response law of high-speed railway subgrade based on ABAQUS

Abstract: The dynamic response characteristics of subgrade with vibration frequency of 20Hz and vibration displacement of 3mm were simulated and calculated by ABAQUS software. It is concluded that the stress and displacement range of subgrade under the action of cyclic displacement are half spherical, and the stress diffusion range is more obvious than the displacement diffusion range. The transfer of displacement is mostly concentrated in the shallow part, which has attenuated most of the surface part, so that it is difficult to transfer to the lower part.

Key words: roadbed; Numerical simulation; Dynamic response; Dynamic stress; The displacement

0引言

在长期性的周期性列车荷载作用下会致使塑性变形逐渐积累，到一定程度的时候会严重路基的稳定性以至于影响列车的运营安全。由此可见，在长期且反复的列车荷载作用下路基填土的动力稳定性对于铁路的运营安全等有着显著的影响。为了研究铁路路基在列车荷载作用下的动力响应特征，国内外学者们多采用数值模拟、现场试验和模型试验来对此进行研究[1-5]。目前的研究在铁路路基的动力响应方面已经取得了大量的成果，但是这些研究大多是对于路基机床表层的研究，而对于路基本体的动力响应特征的研究确是较少的。在列车反复荷载作用下，路基内部逐渐累积起来的损伤是不容易被察觉到的，一旦损伤过大变会导致路基丧失稳定性，影响列车的运行安全。相较于原位激振试验，激振数值模拟也能实现在短时间内模拟列车长期荷载对于路基的影响作用，且造价较低，工作时间较短，也是一种较为常用的研究方法。基于此，本文基于ABAQUS软件以实际路基段为研究对象并以此为参照对象建立了路基模型，如图1所示。

1有限元模型的建立

1.1模型参数和本构关系

在现实条件下，路基以及地基的土体都属于黏弹塑性变形的混合体，其应力以及应变都呈现出非线性变化，在建模中Drucker-Prager模型能很好的描述这一现象，所以路基土体以及地基土体在此模型中使用Drucker-Prager模型。包括混凝土板、路基表层、路基基床以及地基这4个部分，各土层的力学参数如表1所示。

图1 路基模型示意图

路基表层宽度厚度0.4m，顶面宽度15m，路基底部宽度25m，高度4.1m，地基宽度为30m，高度5m，长度50m。混凝土板的尺寸为2.5*0.9*0.6。

1.2荷载计算与边界条件

地基模型的轴向两侧设置为无限元边界，左右两侧为横向固定，底部为全固定状态。设置了两个加载步，初始步骤为进行自重计算，第二个步骤为通过水泥板对路基施加具有周期性的竖向位移，加载时间为1s。本文主要模拟计算的是在振动频率为20Hz下，振动位移幅值为3mm的路基应力以及位移情况。

2.路基的动力响应研究

为了研究在循环位移作用下路基的动力相应特征，分别绘制应力、位移以及加速度云图来进行分析。

从图2中可以看出，最大的应力为111.4kPa，其主要位于混凝土板的正下方，这主要是因为此处是受扰动最明显的地方，扰动的程度如半球体一般逐渐扩散，距离越远数值越小。

从图3可以看出，最大的位移量0.489mm，也主要是位于混凝土板的下方，其它位置的位移量相对较小，扩散范围也不如应力云图明显，可见位移的传递大部分是集中于较浅的一部分，难以往更深的地方传达。

（a）整体应力云图

（b）剖面应力云图

图2 应力云图

（a）表面位移云图

（b）剖面位移云图

图3 位移云图

3.结论

本文通过ABAQUS数值软件模拟创建了与现场路基相似的模型，通过模拟计算了在振动频率20Hz、振动位移为3mm下路基的动力响应特征，得到的结论如下：

（1）在循环位移的作用下路基的应力以及位移范围都呈半球体状，且应力的扩散范围比位移扩散范围更为明显。

（2）位移的传递大部分是集中于较浅的一部分，在表层部分就已经衰减了绝大部分，以至于很难往下部传递。

参考文献

[1]娄霜.模拟路基动力响应的原位激振试验研究[J].岩石力学与工程学报,2020,39(03):629-636.

[2] 王启云,魏心星,张丙强,等. 高速列车荷载作用下粗粒土填料累积变形试验研究[J]. 铁道学报,2021,43(3):149-157.

[3] 李剑,陈善雄,姜领发,熊署丹.应力历史对重塑红黏土动力特性影响的试验研究[J].岩土工程学报,2014,36(09):1657-1665.

[4] 陈乐求,陈俊桦,张家生.水泥改良泥质板岩土路基模型动力响应试验[J].中南大学学报(自然科学版),2017,48(08):2203-2209.

[5] 钟辉虹,汤康民,黄茂松.铁路粘土路基动力特性试验研究[J].西南交通大学学报,2002(05):488-490.