超重货物作用下的铁路轨道路基响应机理研究

为研究超重货物作用下轨道路基动态响应机理,基于有限元软件ANSYS建立轨道-路基三维有限元模型,分析轨道路基在超重货物作用下的应力分布和位移变形规律,并与现有设计规范进行比较。研究结果表明:超重货物作用下,钢轨和轨枕均满足运输要求,道床应力达637.72 k Pa,超出碎石道床容许值,路基基床局部受力达202.33 k Pa。超重货物运输过后,会对既有轨道结构造成一定的损伤,因此要进行必要的养护维修以满足其他车辆的安全运营。研究结果可为以后超重货物的安全运营和重载铁路的养护维修提供一定的参考。     

铁路超重货物运输下轨道路基的静态响应

通过室内模型试验和ANSYS数值计算,分析在超重货物运输条件下轨道路基结构的受力与变形。现场实测数据与数值计算结果吻合较好,能反映出轨道路基结构真实的受力情况。研究结果表明:在0~40 t轴重范围内,轨道路基结构的各项测试结果均未超出规范限值,但在40~80 t轴重范围内,部分测试结果超出限值;在80 t轴重作用下钢轨应力未超限,最大竖向变形为5.72 mm,卸载后的最大残余变形为2.62 mm,满足试验标准;道床内部应力较大,因此在列车通过前后应对道床进行充分捣固或采用特级道砟;基床顶面动应力超出了A组填料的静容许强度,建议基床表层采用级配碎石。     

无砟轨道路基面支承刚度理论计算及应用

将无砟轨道路基结构简化成双层弹性体系,基于层状弹性体系力学理论,给出无砟轨道路基面支承刚度的计算方法。应用该方法进行遂渝线无砟轨道试验段路基面刚度计算,并与现场加载试验测试结果进行比较,两者吻合较好,验证了该方法的可行性。以桥梁路基过渡段为例,将此计算方法应用于无砟轨道典型过渡段的动力性能评估中,进行动力计算。结果表明,该桥梁路基过渡段的钢轨挠度变化率小于0.3 mm.m-1的限值,满足行车要求。运用该计算方法对无砟轨道基床表层及底层变形模量Ev2的合理取值进行研究,结果表明:改变基床表层变形模量对路基面支承刚度影响不大,而改变基床底层变形模量对路基面支承刚度的影响明显;将变形模量Ev2作为压实标准时,对于基床表层和底层,Ev2可分别取为120～260和80～140 MPa。     

高速铁路路基基床动力响应的试验研究

随着高速、重载铁路的发展,路基基床的动力响应已经成为高速铁路设计中主要考虑的问题。通过无砟轨道模型试验和有砟轨道循环加载试验,研究了动态参数在路基基床内的分布特征,并将试验结果进行归一化处理后,对两种轨道结构(有砟和无砟)基床的动态响应进行了对比分析。研究表明：沿路基横断面方向,两种轨道结构的动应力和动变形都呈马鞍形分布,无砟轨道的分布更均匀;沿基床深度方向,与无砟轨道相比较,有砟轨道动应力沿深度衰减较快,而动变形衰减较慢。采用 Odemark 理论和弹性理论计算两种轨道结构路基的动应力,其中有砟轨道的轨枕长度要取有效长度,无砟轨道基础板底面动应力简化为沿横向均匀分布,沿纵向三角形分布,所得计算值和实测值都很接近。     

路桥过渡段基床填料膨胀诱发无砟轨道上拱规律研究

无砟轨道路基膨胀诱发钢轨上拱是高铁建设运营面临的常见病害之一,路桥过渡段是路基膨胀病害的高发路段,为研究高铁路桥过渡段路基膨胀后钢轨上拱分布及路基结构变形规律。以一处典型过渡段路基膨胀工点为例,通过现场监测和室内试验判别轨道上拱情况及路基膨胀层位,并通过数值模拟计算研究路基基床膨胀对过渡段路基结构的影响规律。研究结果表明:水流下渗与基床填料中的蒙脱石作用是导致填料发生膨胀的主要诱因;桥梁对路基膨胀引起的钢轨上拱具有明显的阻隔效应,临近桥台侧钢轨上拱变化范围明显小于远离桥台侧;路桥过渡段基床填料膨胀率为0.08%时,钢轨上拱量达到无砟轨道钢轨上拱可调节临界值4 mm;临近桥台侧钢轨轴向应力峰值远大于远离桥台侧。     

路基膨胀诱发无砟轨道上拱的试验及数值计算分析

为探明高速铁路路基膨胀机理及其诱发的钢轨上拱响应规律,对出现上拱病害的工点进行现场分层变形监测,并利用新型粗粒土膨胀仪开展室内试验探究该工点路基泥岩膨胀率与含水率间的相关关系,最终结合DEM-FDM耦合的数值模拟手段,系统分析泥岩路基不同膨胀率下双块式无砟轨道的钢轨上拱位移及轴向应力分布规律.现场分层变形监测结果显示路基层具有一定膨胀潜势,路基泥岩膨胀变形引起了钢轨的上拱位移;室内试验表明取样工点路基泥岩在现场含水率下的膨胀率达到5.455％,路基泥岩膨胀率与含水率间遵循Logistic函数关系;数值模拟计算结果表明钢轨上拱量与泥岩路基膨胀率间服从Logistic分布,钢轨轴向应力改变量与泥岩路基膨胀率服从Nelder分布.     

高速铁路路基动力响应特性

结合高速铁路路基基床动力响应现场实测与有限元计算,分析了无砟轨道路基动应力、动变形和振动加速度的幅值特征及变化规律,揭示了列车荷载作用下基床内应力、应变的分布规律。研究结果表明:轨道路基基床动应力范围为11~16 k Pa,随车速变化不明显,随轴重增大而增加,每1 t轴重产生动应力约为1.02 k Pa;无砟轨道路基基床表面动应力分布范围较大且相对均匀,动应力随深度衰减较缓慢;无砟轨道路基动变形较小,随着路基刚度的增大动变形减小且分布较均匀,路基对线路整体刚度影响不大;无砟轨道路基振动加速度一般不大于10 m/s2,振动主频100~500 Hz。     

循环载荷作用下基床力学特性对道床影响的动态模型试验研究

针对既有线提速改造及高速客运专线设计与施工中遇到的轨道与路基参数的合理匹配问题,以室内动载模型试验研究为依托,配制6组不同密实度的土样,对轨道与路基结构进行了动应力、弹性变形、塑性变形、反应模量等项目的测试,并通过不同压实系数下模型试验测试结果的对比分析,得出基床、道床弹塑性变形以及反应模量的变化趋势,探讨了轨道与路基结构地基系数、压实系数及动静刚度等参数之间的发展规律,提出基床对道床影响的临界值,即:基床压实度为0.93时,基床临界动刚度值为75 MPa/m,基床临界动弹性变形为1.5mm,道床的临界动刚度值为110 kN/mm。对基床与道床参数匹配及相互动力作用的规律研究,为既有线提速改造及新线轨道与路基结构参数设计具有重要意义。     

板式无砟轨道路基翻浆整治效果研究

基床翻浆引起无砟轨道路基不均匀沉降,降低线路平稳性,影响高速铁路行车安全,一般采用注胶工艺对其进行整治。为评价基床翻浆段板式无砟轨道路基注胶整治效果,在沪宁城际路基翻浆工点进行现场行车测试试验,基于动力学响应指标分析方法研究基床翻浆注胶前后无砟轨道路基振动特性。结果表明:基床翻浆导致底座板与基床表层接触状态劣化,并改变无砟轨道路基的支承条件及传力路径,使振动能量垂向传递在底座板-路基面结构层间衰减较多;注胶加固后,轨道板和底座板振动位移、振动加速度、振动速度值大幅减少。其中,底座板是受注胶加固影响较大的结构层,其振动减小较大,列车以速度280km/h通过时,动位移均值从0.31mm减至0.16mm,减少48.4%;振动加速度均值从3.44m/s2减至1.13m/s2,减少67.2%。以上数据表明注胶后路基与底座板接触状态明显改善,路基已恢复参振耗能功能和对无砟轨道的支承作用,且振动波垂向衰减速率变大,列车速度对无砟轨道路基振动特性影响变小,注胶整治效果良好。     

遂渝线无砟轨道桩网结构路基现场动车试验测试分析

遂渝线无砟轨道综合试验段是我国首条成区段铺设的无砟轨道铁路,在综合试验段上试用桩网结构解决土质路基上铺设无砟轨道的技术难题.为考察桩网结构路基在不同列车荷载作用下的响应规律,尤其是对网垫层的动力作用大小,结合工程实践,对无砟轨道桩网结构路基进行现场动车组和货物列车试验测试.结果表明:采用无砟轨道结构可以有效改善列车荷载对路基基床的动力作用,测得的动应力与加速度值均远小于有砟轨道结构测得的值;列车轴重对无砟轨道路基的动应力影响明显,对加速度响应也有一定影响;无论是动车组还是货物列车,其运行速度对路堤部分的动响应影响均有限;动应力与加速度经3 m高的路堤后衰减,对桩网结构路基下部的网垫层已基本无影响.     

现代有轨电车短枕埋入式轨道路基优化分析

研究目的:为研究列车荷载作用下各关键影响参数对轨道路基结构的受力和变形影响规律,并获得轨道路基最优参数组合,本文通过建立有轨电车短枕埋入式轨道路基有限元分析模型,采用正交试验方法分析扣件刚度、轨道板厚度、支承层厚度、基床总厚度、基床压实指标K_(30)5种因素对轨道路基结构力学特性的影响,为弥补正交试验定量分析的不足,借助层次分析法确定各项评价指标权重系数,最终确定短枕埋入式轨道路基结构的最优参数组合。研究结论:(1)扣件刚度对钢轨位移影响最大,轨道板厚度对轨道板纵向弯矩和路基顶面动应力影响最大,基床压实指标K_(30)对基床顶面变形影响最大;(2)钢轨位移、轨道板弯矩、基床顶面位移和动应力的权重系数分别为0.085、0.583、0.043、0.289;(3)最佳轨道路基设计方案为扣件刚度40 kN/mm、轨道板厚度0.24 m、支承层厚度0.27 m、基床总厚度1.1 m、基床压实指标(K_(30))110 MPa/m;(4)综合运用正交试验和层次分析法可以将定性问题转换为定量问题进行求解,从而使得分析结果更加具有科学性和说服力;(5)本研究成果对有轨电车短枕埋入式轨道路基结构设计具有参考价值。     

路基膨胀引起轨道上拱响应特征研究

通过对高铁无砟轨道的钢轨上拱问题进行数值模拟,研究3种工况(基床底层、泥岩地基、基床底层+泥岩地基)不同膨胀率变形情况下,钢轨产生的上拱位移以及膨胀应力响应规律。研究结果表明:对应3种工况下膨胀率为0.15%,0.06%和0.04%时的钢轨上拱量接近高铁轨道可调节的临界值,并发现由路基结构膨胀引起的钢轨上拱病害的空间分布仅与路基结构层发生的膨胀范围有关,而与膨胀变形的程度与发生膨胀变形的结构层位无关。进一步分析发现,由于钢轨与轨道板之间的牢固连接,在路基膨胀段与非膨胀段的共同作用下钢轨上拱拱顶与拱脚处分别表现为全截面受拉与全截面受压的应力状态,同时3种工况下当膨胀率小于0.5%时,各结构层的膨胀率与钢轨的上拱位移以及轴向主拉应力均呈现良好的线性关系。     

客运专线土工格室复合基床的试验研究

研究目的:在列车荷载的重复作用下,基床结构永久变形是轨道结构几何尺寸恶化的重要因素之一。采用土工格室复合基床结构可以强化基床表层强度和刚度,以满足特殊路段基床结构的需要。研究方法:本文介绍了适用于客运专线的土工格室复合基床结构的4组动态模型试验。试验在室内填筑了宽7m、长4m、高1．05-1．55m的路基基床模型,采用5 Hz、20-140kN动荷载模拟列车荷载,每组重复加载150万次以反映列车对路基基床的重复荷载作用。为验证室内试验结果,在秦沈线进行了现场动态试验。试验结果表明, 土工格室可均化基床、路基的动静应力分布,明显降低基床和路基的弹性和永久变形,减少运营维修养护工作量,且格室越高效果越好。研究结论:通过与现场试验结果对比,30 cm厚的土工格室复合基床表层基本能够满足客运专线对基床刚度和变形控制的要求。     

高铁列车动载作用下路基动力特性及累积变形规律研究

为探索列车动载作用下路基的动力特性及累积变形规律,依托沪宁城际铁路工程背景,首先结合现场测试数据对路基沉降超限的原因进行分析,然后建立列车-轨道-路基耦合振动系统三维数值模型,对影响路基动力特性的影响因素(列车速度、基床厚度和刚度、行车方式)进行分析,最后结合室内足尺模型试验,对振动40万次的基床累积变形规律进行分析。结果表明:列车动载作用是运营期路基沉降超限的主要原因之一;列车速度、基床厚度和刚度、行车方式等因素对基床的动应力和动位移均有影响;路基的累积变形随循环加载次数增加而变大,最初振动5万次累积变形增长迅速,而后近似按照线性缓慢发展,振动40万次时的累积变形值为0.78 mm,影响深度约为5 m。     

新建隧道下穿施工引起既有铁路轨道变形的理论计算模型

新建隧道下穿施工将引起上覆既有铁路轨道产生不平顺，导致列车振动加剧，进而降低旅客乘车舒适性。为此，提出新建隧道下穿施工引起铁路钢轨变形的理论计算模型。首先，采用高斯分布公式预测新建隧道施工引起铁路路基顶面沉降；然后，将轨道视为无拉力弹性地基上的梁，推导路基沉降引起轨道挠曲变形计算式。通过与室内模型试验结果和现场监测数据比较，对提出的理论模型进行验证。探讨铁路线路与新建隧道间的水平夹角、钢轨抗弯刚度、路基顶面沉降槽宽度系数对钢轨挠曲变形的影响规律。该计算条件下，当路基沉降槽宽度系数小于2 m,新建隧道垂直下穿施工将导致上方有砟铁路轨枕产生局部空吊现象；增大钢轨抗弯刚度，可以减小钢轨挠曲变形幅值；增大铁路线路与隧道之间水平夹角，可以减小钢轨挠曲变形波长；增大路基沉降槽宽度系数，轨道挠曲变形幅值逐渐减小，并且波长逐渐增大。     

CRTSⅢ型无砟轨道基础结构冲击试验与数值分析

利用CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统实尺模型开展落轴冲击试验,同时运用Ansys/LS-Dyna软件进行轨道-路基落轴冲击动力有限元模拟分析,在试验结果和数值结果对比验证的基础上,系统研究落轴荷载作用下轨道和路基结构动应力分布规律,比较落轴高度和加载位置对动应力分布的影响。研究结果表明:试验结果和数值结果具有较好的一致性,两者可以相互验证,互为补充。轨道结构各层动应力均在钢轨正下方达到最大值,动应力幅值沿线路横向分布总体上呈驼峰形分布;沿线路纵向大致呈正态分布,自密实层应力幅值在板端附近有明显地回弹。路基动应力幅值底座板宽度范围内,沿横向分布比较均匀,在底座板宽度范围外快速衰减;沿线路纵向大体上呈正态分布;路基动应力幅值沿深度的衰减速度随着深度的增加而减小,在基床内衰减较快,基本呈线性或者分段线性衰减,在路基本体内衰减非常缓慢。轨道和路基动应力幅值总体上随落轴高度增加而线性增加,但沿线路纵横向分布规律不变。相对于板中加载,板端加载时轨道和路基各层面动应力幅值均有所增大,越靠近加载点增幅越明显,但是2种加载条件下轨道和路基结构应力幅值分布规律基本一致。     

土质路基板式无砟轨道基床动力特性研究

无砟轨道技术在高速铁路发展中得到越来越多的应用,在使用温克勒(Winkler)模型对土质路基无砟轨道进行分析时,路基中动应力的分布规律和基床反力系数的取值是决定线路结构设计成败的关键因素。以遂渝线无砟轨道铁路为背景,通过室内大比例动力模型试验,研究了循环荷载下路基基床动态参数的分布特征。考虑到工程实用性,对板式无砟轨道基础板底面的动应力进行必要的简化,联合Odemark理论和弹性理论来计算路基动应力,所得计算值和实测值很接近。在动应力分布已知的前提下,将路基各土层假设为一维压缩模型,并确定合理的有限压缩层厚度,探讨将多土层体系转换为等效Winkler地基模型的方法,得到不同工况下路基的基床反力系数,经与实测值相比较,证实了此计算方法是有效的。     

新建铁路路基改良土动力学试验研究

针对新建铁路基床底层填筑中黏土是否需要进行改良以及改良深度的问题,采用现场动载激振试验的研究方法,对基床底层未改良、部分改良、全部改良的基床结构进行动应力、动变形、塑性变形等项目的测试。通过对不同基床底层结构形式的动载模拟试验研究和测试结果的对比分析,得出路基的弹塑性变形、动刚度随激振次数的变化趋势。     

武广高铁红黏土路堑基床动响应现场测试与分析

研究目的:路基基床承受列车和轨道荷载,必须具有足够的强度和稳定性.随着列车速度不断提高,对路堑基床在高速列车动载作用下的力学响应进行现场测试分析,对于正确的进行高速铁路路基设计具有重要的指导意义.研究结论:通过动响应现场实测,研究了时速300～350 km的机车通过武广高铁红黏土路堑基床时的动响应规律.分析了不同方向列车行驶条件下,振动速度、振动加速度、动应变、动应力沿基床横向、深度方向的分布规律.分析表明:竖向测试断面上振动速度、振动加速度、动应变、动应力等动响应参数均随深度增大而衰减;横向测试断面上,右线车作用下基床动响应近似呈倒“V”字形变化,左线车作用下随水平距离的增大而减小.与有砟轨道基床动响应测试成果对比表明:同等条件下,无砟轨道基床动响应小于有砟轨道,且无砟轨道下动响应衰减速率慢,影响深度大,因此建议高速铁路无砟轨道基床厚度取5.0m左右.研究结果对其它高速铁路的建设有重要的借鉴作用.     

大西高铁聚氨酯固化道床施工中轨道变形控制措施研究

聚氨酯固化道床在施工中,材料聚合反应产生体积膨胀,导致轨道变形。由于固化道床施工是在轨道精调完成后进行,控制浇注施工中轨道变形,对于高速铁路轨道的平顺性尤为重要。采用热—力耦合模型对聚氨酯固化材料的膨胀行为进行模拟,并用膨胀力测试试验结果对热—力耦合模型中的关键参数进行标定。基于验证后的热—力耦合模型,针对大西高铁的实际线路情况,建立大西高铁路基基础聚氨酯固化道床膨胀力时变仿真模型,分析浇注方式、保压荷载幅值及作用点对轨道几何尺寸变化的影响。结果表明,聚氨酯固化道床单点浇注工艺必须采取保压措施,且建议作用点间距为1.2m、4点加载、荷载总量为30kN。现场施工时轨道变形测试结果表明,优化保压设备后,钢轨10m弦高低可控制在2mm以内,满足高速铁路轨道平顺性要求。