既有线提速路基动力响应特性研究

通过沪宁线提速路基的现场动态试验,在实测轨道不平顺、车速为120~200 km.h-1情况下,采用动力有限元方法计算铁路路基的动力响应。分析路基动应力的分布形式、路基动应力随列车速度的变化规律、路基动应力随深度的衰减规律,以及道床厚度、路堤高度对路基动应力影响规律。研究表明:路基动应力随列车速度的提高而呈线性增加;路基动应力总体上呈双峰的马鞍型分布,且随着路基深度增加,双峰的幅度减小,直至双峰消失,变为路基中心动应力最大的单峰型;随道床厚度的增加,路基竖向动应力显著减小;路堤高度的增加对路基动应力的影响不大,但可有效减小地基表面的动应力。     

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.     

水泥改良膨胀土重载铁路路基填料的可靠性研究

重载铁路路基相比普通铁路和高速铁路路基承受更大的动力荷载,对填料要求更为严格。新建蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙—华重载铁路)三荆段(三门峡—荆门)沿线分布大量膨胀土,拟采用水泥改良膨胀土作为该区段路基填料。鉴于目前中国尚无在膨胀土地区修建重载铁路的实践与案例,针对重载铁路水泥改良膨胀土路基填料可靠性研究相对偏弱。为此,首先结合室内动三轴试验,系统探索重载铁路基床底层及以下路堤结构范围内水泥掺量3%和5%改良膨胀土的临界动应力;然后借助现场试验测试路基实际动应力水平,对水泥掺量3%和5%改良膨胀土填料的可靠性进行评估。研究结果表明:基床底层水泥掺量5%改良膨胀土填料临界动应力范围148.8～233.1 kPa,大于该范围实测路基动应力水平71.45 kPa;基床底层以下路堤掺量3%改良膨胀土填料临界动应力范围142.5～249.7 kPa,大于该范围实测路基动应力水平25.25 kPa,说明水泥改良膨胀土用作蒙-华重载铁路路基填料动力可靠性满足要求。研究结果对探索重载铁路基床范围内动力水平及水泥掺量3%～5%改良膨胀土填料的可靠性评估具有重要理论意义。     

金山铁路既有线提速路基动力响应分析

基于无限元人工边界和基床—路堤—场地子结构系统,建立上海金山铁路既有线有限元模型,根据实测路基响应特征构造基床顶面动荷载,模拟列车以现行速度通过路基产生的动荷载,分析列车在现行速度43km· h-1和目标速度160 km· h-1范围内变化时,普通路基在动荷载作用下的动力响应规律.研究发现:如果既有线路基床不改造,列车速度从43km· h-1提高至160km· h-1时,基床顶面动应力峰值将增大17％左右;路基面动应力沿基面以下深度方向呈指数形态衰减;与现行速度条件下基床顶面以下6.2m的影响深度相比,提速后影响深度增加了1.2m.     

弹射冲击荷载下重载铁路路基动应力特征

借助非线性分析程序ANSYS/LS-DYNA3D,建立重载铁路轨道—路基—地基三维显式动力分析模型,引入三维一致黏弹性人工边界,采用梯形脉冲荷载模拟弹射冲击荷载,分析150～600 kN幅值的弹射冲击荷载作用时重载铁路路基系统的动应力特征。结果表明:路基系统的垂向动应力随时间的变化规律与弹射荷载基本一致;不同幅值弹射荷载作用下路基动应力沿线路横、纵向均呈对称分布,且弹射荷载幅值越大,动应力沿深度的衰减规律越接近指数型衰减;幅值为600 kN的弹射荷载在路基中的影响深度约为道床顶面以下8 m;随着弹射荷载幅值的增大,路基动应力的轮对效应及道床层对钢轨动力的分担作用均越来越显著;路基的动应力峰值与弹射荷载幅值大致呈线性关系;为满足弹射荷载下路基动强度的要求,若路基基床表层、底层和路基本体的填筑材料分别选用A组填料、碎石类填料和细粒土填料,则当弹射荷载幅值为600 kN时,三者的地基系数K30的建议值分别取390,310和135 MPa·m~(-1)。     

路基基床动应力响应特征的数值模拟研究

以朔黄重载铁路为工程背景,运用ABAQUS软件建立车辆-轨道-路基相互作用有限元模型,分析重载列车运行下基床的动力响应特性,引入典型轨道谱分析轨道高低不平顺对基床动力响应的影响。结果表明:随着深度的增加,基床表面以下动应力横向分布由双峰型逐渐转变为单峰型;相邻车厢转向架通过时,基床表面处动应力存在明显的叠加效应;基床不同位置处动应力峰值基本随列车轴重的增加线性增大;既有重载铁路基床厚度设计标准(2.5m)尚难以适应运行轴重30t及以上重载列车;轨道高低不平顺使路基内动力响应加剧,不同位置处路基面动应力差异增大。根据三倍标准差原理,用正态分布函数估算重载列车和轨道高低不平顺共同作用下路基面处的最大动应力。研究结果可为重载铁路路基设计及既有线扩能改造提供参考。     

提速铁路基床长期累积沉降及等效循环荷载试验研究

我国铁路大范围的列车提速对既有线和新线路基的刚度和变形提出了较高的要求.本文基于实测的路基动应力波形,通过室内动三轴试验研究铁路基床C组填料压实土分别在列车荷载和正弦荷载作用下的长期变形规律,并采用Monismith模型进行拟合,得到基床表层和底层土的长期累积沉降计算公式.试验结果表明,由于基床表层土承受的围压较低、动荷载较大,表层相对底层产生的长期变形大、持续时间也长.通过加载一系列不同幅值、不同形式的正弦荷载,提出基于基床土长期变形等效的提速列车荷载的正弦荷载等效方法,即一个半正弦波代表一个转向架的列车动荷载,荷载幅值折减系数在0.45～0.65之间;并通过能量法得到验证.     

大振次列车动荷载作用下桩网加筋路堤土拱效应模型试验研究

通过桩网加筋路堤足尺模型试验,研究速度324km/h时列车120万次轮轴动荷载作用下,桩帽高度位置和3.2m路基范围内动土压力随振次的变化规律,分析长期动荷载作用下土拱演化规律。试验结果表明:桩土差异沉降较大时,桩帽承担约90%的动荷载和静荷载,土拱加强了路基中动应力往桩帽的传递,路基中动应力分布按Boussinesq公式计算不合理;长期动荷载作用下,桩土动应力比减小,但幅度变化不大,说明土拱弱化不明显。     

青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析

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。     

高速铁路无砟轨道路基动应力频谱特性研究

通过建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8列编组的CRH380A型动车组运行过程,计算揭示高速列车荷载作用下路基内部动应力时空分布规律及其频谱特性。研究结果表明:路基竖向动应力时程呈现"驼峰"或"波浪"型周期性变化。动应力在基床范围内迅速衰减达60%,且基床表层或轨道边缘下方路基中衰减较为剧烈。路基承受的动应力作用频率为车长对应频率1-4的整数倍,主要受车辆长度、转向架间距及列车速度等因素控制,轨道不平顺没有改变路基承受荷载的主频率。依据动应力时程曲线及其频响特征,建立轴重为140 k N的高速列车在CRTSⅡ型轨道板上运行时路基各结构层所受荷载的函数实用表达式,为路基填料的动力试验与路基结构设计提供荷载参考依据。     

高速移动荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构动应力分布规律

运用ANSYS软件,建立路堤上的CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构的动力有限元模型,研究不同速度移动荷载作用下轨道和路基动应力的分布和传递规律。结果表明:在不同的轨道和路基层内动应力沿横向的分布规律与移动载荷的速度相关性不大,而与各层距钢轨底面的距离关系很大;轨道板应力沿横向呈驼峰形分布,最大值位于钢轨正下方,钢轨之间应力水平基本一致;路基动应力随深度的增加,在距离钢轨底面1m范围内急速衰减,在1～4m范围内基本呈线性快速衰减,超过4m后衰减较为缓慢;不同位置的路基动应力总体上随着移动荷载速度的增加而增大,在80～350km·h-1的车速范围内具有较为明显的线性关系,而当速度小于80km·h-1或者大于350km·h-1时变化不明显。     

时速250km客运专线路基动力响应研究试验

结合合肥—南京客货共线铁路试验段进行路基原位动载试验,通过模拟测试路基在相同机车轴重不同通过车速情况下的弹性变形及振动加速度,对路基在不同行车速度条件下的动力响应作以研究。通过对循环荷载下沿线路横向不同距离路基弹性变形、加速度以及轨下不同深度动应力测试,获得路基弹性变形、加速度以及动应力衰减规律。研究表明,现有规范对弹性变形的建议值不尽合理,提出时速200 km及以上客运专线铁路弹性变形合理建议值,为新建铁路客运专线设计及规范提供依据。     

重载铁路路基荷载条件及动力特性研究

研究目的:重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视。重载铁路路基基床受列车载荷作用影响最为显著,其厚度设计通常按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定。而分析轮轴力通过钢轨在轨枕上的荷载分担规律又是进行路基动应力计算的先决条件,因此分析列车荷载分担规律以及动应力在路基中的衰减规律是非常必要的。本文根据弹性理论建立轨道-路基有限元模型,进行不同荷载水平和基床结构形式下路基的荷载条件分析,求解路基面动应力分布和衰减规律,为基床厚度设计研究创建基础。研究结论:(1)轴重和基床结构形式不影响轨枕荷载分担规律,单轮轴作用时荷载由5根轨枕承担,双轮轴作用由8~9根轨枕承担,四轮轴作用由15根轨枕承担;(2)无论轮轴力作用于轨枕正上方还是两轨枕间的任何位置,其荷载分担比经Gauss函数拟合后的函数曲线形状、大小以及性质都保持不变,只随轮轴力的移动而移动;(3)单轮轴作用时,列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比均在0.2左右,基床厚度满足设计原则,但双轮轴、四轮轴作用时,列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比在0.3~0.5之间,基床厚度不满足设计原则;(4)该研究结论对重载铁路路基基床结构的设计具有指导意义。     

重复机车荷载作用下青藏铁路冻土路基累积塑性变形分析

在青藏铁路北麓河试验段选取素填土路基断面,于暖季7月份开展列车通过实时振动测试,获得铁路货运机车振动荷载作用下路肩处的加速度时程曲线。将现场测得的加速度时程曲线作为有限元计算的荷载边界条件,通过非线性动力计算获得路基坡脚和天然地表处的加速度时程曲线,分析机车振动沿路基的传递衰减特性。阐明路基土体内部动应力分布特征和沿深度的衰减规律。应用累积塑性应变模型,对多年冻土路基在重复机车荷载作用下的永久变形进行初步分析和预测。研究结果表明:机车荷载作用所导致的路基变形随着荷载作用次数的增加逐渐趋于稳定。在机车作用1年之后,路基累计变形为27.74 mm,机车作用10年之后,该变形值发展为40.12 mm。     

湿化作用下重载铁路改良膨胀土动力响应与累积变形试验研究

以蒙华重载铁路改良膨胀土路基试验段为依托，针对水泥改良土路堤、石灰改良土路堑两种形式路基开展不同轴重、不同干湿状态下现场激振试验，分析动应力、动加速度分布特征及振动累积变形发展规律；通过室内动三轴开展素膨胀土、水泥改良土、石灰改良土分别在4个不同含水率和4种不同应力水平下动力湿化变形试验，研究湿化幅度、动应力幅值对膨胀土及改良土累积应变特性的影响规律。研究结果表明，动应力和动加速在基床底部衰减率可达80%,且路基刚度越大，动应力、加速度沿路基深度衰减越快；同一深度下动力响应浸水状态大于干燥状态，且轴重越大，影响更为显著，湿化作用显著削弱路基对动应力与动加速度的衰减能力，水泥改良土抗浸水能力相对石灰改良土更强；路基面累积变形在浸水后随轴重和振动次数增加而增加，且在相同振次情况下，素膨胀土及其改良土累积应变均在湿化幅度超过2%后急剧增加，且动应力越大，应变增长速率越快，改良土累积变形速度仅为素膨胀土的1/8～1/5,石灰与水泥改良后均可有效抑制膨胀土的湿化变形；基于动三轴试验数据，建立累积应变的预估模型，得出素膨胀土及改良土模型参数与湿化幅度之间的经验关系。     

循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性分析

粗粒土填料作为铁路路基核心层,直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性决定了路基工作性能,但目前对粗粒土填料在列车往复作用下的动力变形特性研究不多。为探究行车荷载对基床粗颗粒土动力变形特性的影响规律,进行一系列粗粒土填料持续振动条件下的大型动三轴试验,包括不同动应力幅值(模拟不同列车轴重)、不同围压(模拟不同埋深下的侧压作用)和不同含水率(模拟不同雨水环境)等多种情况。获得路基粗粒土填料的临界动应力和累积应变随围压和含水率变化的系列关系数据和变化规律。试验结果对重载铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有重要参考价值。     

重载铁路水泥改良膨胀土路基动力特性数值研究

相比普铁与高铁而言,列车动载作用下重载铁路路基的动力特性更突出。依托浩吉重载铁路工程背景建立"列车-有砟轨道-基床-地基"三维数值模型,对不同荷载条件下重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力特性进行分析。同时,结合室内动三轴试验,获取水泥改良膨胀土填料临界动应力,并建立填料累积变形经验模型,综合"强度-变形"指标对重载铁路水泥改良膨胀土路基的长期动力稳定性进行评估。结果表明:路基动应力受轴重影响敏感性大于车速,轴重25～30 t重载列车动载作用路基面动应力是预留客运列车作用时的1.2倍;不同列车荷载作用下重载铁路改良膨胀土路基的动应力沿深度逐渐衰减,动力影响深度是基床设计厚度(2.5 m)的1.2～1.6倍,但影响范围内路基动应力水平远小于填料临界动应力范围,说明路基动强度稳定满足要求;结合动三轴试验"应变-振次"稳定性曲线,建立考虑振次、应力水平等多因素的水泥改良膨胀土填料累积变形经验模型,预测400万振次基床表面累积变形为5.5～6.5 mm,其中前150万振次累积变形量占比达85%以上,说明路基动变形稳定满足要求;数值结果与文献测试数据吻合,验证模型的合理性。     

车辆轴载作用下无砟轨道路基面动应力分布规律探讨

针对双块式无砟轨道路基的典型结构,在参考遂渝铁路无砟轨道综合试验段现场测试数据的基础上,结合有限元数值计算结果,运用Winkler弹簧地基上叠合梁模型的计算理论,对车辆单轴荷载作用下无砟轨道路基面动应力分布进行讨论,提出反映无砟轨道路基面支承刚度的基床结构地基系数计算概念,初步建立无砟轨道路基面动应力沿线路纵向分布长度的解析计算方法。研究表明:车辆单轴荷载作用下路基面动应力分布表现为横向均匀、纵向三角形的基本形式;对路基面动应力沿线路纵向分布长度影响的主要因素是无砟轨道混凝土结构的刚度,车辆轴重的影响不显著;无砟轨道混凝土结构长期刚度的衰变将对路基面承受的动力作用产生不利影响。     

重载铁路路基基床结构设计研究

研究目的:目前我国重载铁路路基厚度的设计依据现行高速铁路路基设计规范,但重载列车与高速列车作用下路基的工作机理存在较大差异。为此,本文根据弹性理论建立轨道-路基三维有限元模型,分析不同荷载水平和基床结构形式下路基动应力分布和衰减规律,提出用动强度控制设计方法确定不同轴重下重载铁路路基基床厚度。研究结论:(1)重载铁路荷载条件下,由于需要考虑轮轴的叠加效应,路基动应力衰减速率明显减小;(2)依据现行重载铁路设计方法得到的路基设计厚度处的动应力与自重应力之比为0.3~0.5,不满足设计要求;(3)采用动强度设计原则,25 t轴重下的基床整体厚度为2.1~2.3 m,30 t轴重下的基床整体厚度为2.8~2.9 m,35 t轴重下的基床整体厚度为3.2~3.3 m;(4)该结论可为重载铁路路基基床结构设计提供参考。     

大轴重双线铁路路基结构动力学分析

随着物资流动要求的提高,重载铁路因其良好的运输能力被社会所青睐,然而用地矛盾限制了线间距的大小,为分析不同线间距对大轴重作用下路基结构的动力响应,借助轨道-路基模型,研究不同轴重、线间距和基床弹性模量下,路基结构的荷载传递规律和动应力分布情况。结果表明:(1)双线铁路线路中心线处基床结构动应力沿深度方向先对数增长,后线性减小;(2)动应力峰值主要与线间距和轴重有关,峰值位置深度主要与线间距有关而与轴重无关;(3)线间距小于4.4 m时,线路中心线处路基本体动应力大于轨道中心线处,对于线间距小于4.4 m的路基结构设计时应考虑线路中心线处动应力值;(4)基床表层弹性模量的衰减作用较小。