重载铁路路基荷载特征和路基动力响应分析

研究目的:近年来,重载铁路因其经济性较好在我国广泛建设,重载铁路路基基床承受重载列车动荷载作用较大,为了更好地分析重载铁路动荷载对路基病害诱发的影响,进一步优化重载铁路路基基床厚度结构设计,本文利用三维有限元对道砟厚度、基床表层厚度、基床表层模量、轴重等因素对重载铁路路基动应力特征和基床范围内动应力的传递分布影响进行仔细的研究。研究结论:通过数值计算和与既有重载铁路实测动应力比较分析得出以下结论:(1)路基中竖向动应力随着轴重、道床厚度、表层厚度和表层模量的变化规律为:路基基床中的竖向动应力随着轴重的增大而增大,随着道床厚度增大而减小,而基床表层模量和基床表层厚度对竖向动应力影响较小;(2)重载铁路30 t轴重相对于普通铁路23 t轴重增加约30%,而增加道床厚度可显著减小其动应力,50 cm较35 cm道床厚度各部位动应力减小约20%;(3)计算得出重载铁路路基动应力的合理数值模型和相关参数,为重载铁路路基基床厚度结构设计提供了合理的计算方法。     

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。     

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.     

有砟轨道路基动力响应参数敏感性判别

采用非线性动力有限元分析,并借助正交试验设计,对列车荷载作用下有砟轨道路基动力响应的影响因素(道床模量、道床阻尼、道床厚度、路基模量、路基阻尼、路基高度、地基模量)进行了敏感性判别分析。结果表明:道床厚度、路基模量和阻尼是路基动力响应的3个最主要影响参数,增加道床厚度、增大路基模量和阻尼是减小路基动力响应的有效手段;增加道床厚度对减小路基动应力最敏感,而增大路基模量最能有效减小路基的动变形和加速度。     

重载铁路路基基床不同改良厚度的动力响应研究

重载列车荷载对路基基床的影响较为显著,为探究北方风沙地区选择水泥改良的粉细砂作为基床填料后路基体的变形及动力稳定性。通过动三轴试验对比分析了不同掺入率水泥改良土临界动应力大小及不同围压下回弹模量的变化规律,进一步结合FLAC3D建立三维动力仿真模型,重点探讨了列车激励荷载作用下路基基床换填不同厚度的5%水泥改良土时动应力、沉降变形、振动加速度的变化分布规律。结果表明:5%水泥改良土临界动应力、回弹模量较原状土提高幅度最大;路基体竖向动应力、位移、加速度峰值均随深度增加而逐渐减小;路基基床对动应力的扩散抑制作用较强,动荷载传递经基床后平均衰减约83.5%;路基沉降主要产生在中上部,且随基床底层改良厚度增加路基顶部最大竖向位移逐渐减小,最大减小约45.6%;此外,振动加速度传播经改良后的路基基床衰减幅度较明显,约为69.4%。     

翻浆状态下无砟轨道路基动力响应特征模型试验研究

高速铁路无砟轨道基床翻浆是一种特殊的路基新型病害,影响高速铁路运营的舒适性和安全性,为分析无砟轨道路基基床翻浆对路基动力响应特征的影响,开展无砟轨道-路基基床大比例模型试验。试验结果表明:基床翻浆状态时,在动荷载下底座板对基床表层产生瞬态碰撞,使得基床表层土动压力随动荷载加载次数的增大而逐渐增大,沿深度衰减速率变快;基床翻浆改变了基床表层与底座板之间的动力传递特性,竖向振动加速度比值增大了1. 95倍以上,动位移比值增大了4. 56倍以上,振动响应从底座板传递至基床表层衰减梯度增大;基床表层翻浆不断恶化,会降低基床表层对底座板的支承能力,致使无砟轨道-路基基床动力响应加剧。     

考虑道砟嵌入作用的有砟轨道基床表层变形行为研究

为研究有砟轨道道砟嵌入现象及其对基床表层变形行为的影响，开展以道砟碎石-基床粉土双层试样为研究对象的动三轴试验，分析道砟嵌入对基床表层变形行为的影响，探讨基于道砟嵌入指标的基床表层变形行为标准。试验结果表明，道砟嵌入使得道砟碎石-基床粉土试样的粉土表层出现道砟槽痕并发生侧向变形，同时承受动荷载的能力降低；提高动应力水平和增加粉土含水率会加剧道砟嵌入程度；道砟碎石-基床粉土试样的破坏模式可分为剪切破坏型和软化破坏型；基床粉土含水率较低时，道砟碎石-基床粉土试样整体变形主要源于道砟和粉土的压缩变形，而当粉土含水率较高时，道砟嵌入引起的轴向和侧向变形则较为显著；当粉土处于最优含水率时，道砟嵌入速率为2.9×10^-5 mm/s时道砟碎石-基床粉土试样达到塑性安定极限，而当粉土处于天然含水率和饱和含水率时，塑性安定极限对应的道砟嵌入速率则为1.4×10^-4 mm/s。     

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。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

400km·h^-1高速铁路无砟轨道基床结构及关键参数研究

为掌握列车荷载作用下路基应力概率分布特征,进行基于我国高速铁路无砟轨道不平顺谱条件下的车辆-线路耦合动力学计算;以路基累积变形效应区不超过基床范围为原则,分析基床厚度与基床以下路基性质的相互关系;结合模型试验获得的填料累积变形状态阈值,基于强度、变形、应变控制准则,进行400km·h^-1行车条件下的无砟轨道基床结构及关键参数研究。结果表明:路基面承受的列车荷载随轨面平顺性呈明显的随机变化特征,动力影响系数服从正态分布,轨道极端不平顺引起的最大动力影响系数为2.146,平均轨道谱下的常遇动力影响系数为1.491;路基累积变形效应区范围随填料强度降低而扩大,基床厚度为2.7m时,由低塑性土填筑的基床以下路基K30应大于等于100MPa·m^-1;以调控累积变形处于快速收敛状态为目标,提出基床表层采用0.7~0.3m厚级配碎石进行强化处理,K30大于等于190 MPa·m^-1,底层选用A,B组填料,相应K30控制值为130~150MPa·m^-1。     

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。     

基坑开挖对运营高铁路基变形影响因素分析

以软土地区某邻近运营高铁路基的基坑工程为例,采用数值分析方法,建立包含基坑及高铁路基在内的三维分析模型,研究降水方案、坑底加固、围护结构插入比以及基坑距路基坡脚距离这4个因素对高铁路基变形的影响。结果表明:与一次性降水相比,分层降水所造成的路基最大沉降和水平位移分别减小3.8%和5.2%;坑底加固对路基沉降的影响较小,但对路基水平位移影响相对较大;围护结构插入比存在一个最佳值,超过该值后继续增加插入比对减小路基变形作用不大;路基最大变形的峰值点出现在基坑距路基坡脚距离为10~15 m处。研究成果可为基坑支护设计和施工及邻近高铁的运营提供参考。     

无砟轨道路基地段曲线超高设置方式的研究

利用有限元方法,分别建立空间耦合精细化静力模型及车辆-轨道-路基动力协同仿真模型,对路基曲线地段无砟轨道采用不同超高设置方式后的力学特性进行对比研究,为无砟轨道超高设置方式的合理应用提供依据。分析结果表明:(1)采用支承层设置超高可减小结构变形及支承层本身受力,但轨道板纵、横向应力会明显增大;(2)采用支承层设置超高时,超高量变化对无砟轨道受力变形影响较明显,结构纵、横向应力随超高量的增加而增大;(3)支承层设置超高具有较好的减振效果,无砟轨道结构动态变形较小。     

现代齿轨铁路有砟道床阻力及轨道力学特性

齿轨铁路具备优越的爬坡性能,国外多铺设于山区旅游线路,我国尚无应用。针对齿轨铁路线路坡度大的特点,基于离散单元法建立大坡度有砟道床离散元模型,研究道床纵向阻力随坡度变化规律,并以所得结论为基础,建立齿轨铁路空间耦合有限元模型,对Strub模式齿轨铁路轨排稳定性及结构受力变形进行计算分析。研究结果表明:(1)道床纵向阻力随轨道坡度的增大而呈现余弦规律衰减,对齿轨铁路进行设计时,应对其进行重点考虑;(2)当5节车编组、轨道坡度25%时,轨枕弯矩最大值1.53 kN·m,不会对轨枕造成破坏;(3)轨枕最大位移量为0.79 mm,轨排结构不会失稳;(4)齿轨纵向位移峰值0.82 mm,齿轨最大应力位于齿根部位,峰值为75.8 MPa,齿轨满足要求强度。     

无碴轨道路基支承刚度测试合理加载面积初探

无碴轨道结构将松散的道碴换成了刚度巨大的钢筋混凝土材料,使得无碴轨道结构对路基的变形和刚度极其敏感,因此路基面的支承刚度是路基上铺设无碴轨道的重要技术条件之一。根据无碴轨道结构特点及路基动应力的衰减特性,对无碴轨道路基支承刚度的测试方法进行了初探,对路基支承刚度合理加载面积进行了讨论。     

红层软岩地区高速铁路深路堑基底变形规律研究

挖方高边坡基底随时间持续上拱变形如果超出铁路路基设计规范的限值,会严重影响列车的舒适性和安全性。为研究西南地区泥岩夹砂岩挖方高边坡基底持续上拱变形机理,使用FLAC3D软件对挖方高边坡进行弹塑性和黏弹塑性数值计算,并尝试从软岩流变的角度分析挖方高边坡施工完后基底持续上拱变形的规律。研究结果表明:在不考虑流变的弹塑性分析中,挖方高边坡具有明显的边坡开挖效应(卸荷效应),竖向应力随着边坡开挖深度的增加而减小,导致竖向变形逐渐增大,应力变化越大竖向变形也越大;在流变分析中,由于开始阶段的岩体应力调整,基底下一定深度出现竖向压缩变形,随着应力稳定,发生持续上拱非线性变形,并在5年后达到稳定;在流变计算中,由于基底下剪应力与水平应力均有所大幅度增加,基底下各深度的竖向变形小于弹塑性计算的变形,采用泥岩流变计算模型能较好的模拟并解释依托工程案例中挖方路基持续上拱变形现象。     

高速铁路穿越断裂带地段路基设计方法探讨

结合青荣城际铁路工程实际,介绍穿越断裂带地段路基概况及工程地形地貌、地层岩性、地基变形分析方法等,并根据本线为有砟轨道特点,提出路基工程设计应按照保证非地震情况下路基变形满足安全运营要求,采取加宽路基、放缓边坡及柔性加筋路基结构形式、加强防排水、进行变形监测等工程措施,使断裂带区域内路基能适应断裂带变形、易修复和留有修复条件,降低风险,节省投资。     

夯实高速铁路路基生命力的基础-地基处理

本文归纳总结了高速铁路路基建设中,软土、松软土与软土互层、湿陷性黄土、膨胀土、膨胀岩、岩溶等重点地基处理问题的经验教训和技术成果,对斜坡软土、膨胀岩土等地基的纵横向不均匀沉降和横向位移问题,对非饱和土地基吸水增湿效应引发的二次沉降变形问题,对站场路基与区间路基在受力、沉降方面的差异问题等进行了梳理。简析了问题产生的原因及其对路基生命力的影响,并提出了相关思考和建议,希冀有助于夯实路基基础,提高路基的生命力。     

路基是有生命力的结构物——我国高速铁路路基建设取得的成就和需要继续解决的问题

系统归纳总结我国高速铁路路基技术体系形成、发展、完善的历程和高速铁路路基建设10年来在地基处理、路基结构层设计和填筑、路堤式路堑、过渡段、路基边坡支挡防护和防排水、路基结构与附属电缆沟槽和接触网支柱等基础的系统集成、沉降变形观测与评估等方面变革和发展取得的成就,指出正是高速铁路对路基工程刚度和变形的严苛要求,促进了我国高速铁路路基技术的革命性变革和不断进步,强化了路基结构物的建造理念,凝聚了路基结构物的生命力;同时,在非饱和土、膨胀土(岩)等方面阐释路基建设过程中仍需继续研究解决的问题。希冀本文有助于我国高速铁路路基技术体系的不断完善、创新发展,进一步提升我国高速铁路路基建造水平,增强满足列车安全、高速、舒适运营的生命力。     

京沪高速铁路石英二长岩全风化物路基原位激振试验研究

采用石英二长岩全风化物填料填筑路基,其结构动态性能需要验证,有必要进行激振试验。利用激振试验系统,对京沪高速铁路石英二长岩全风化物填料路基试验段进行原位激振试验,测定路基各断面的振动响应、结构内力和累积沉降等,分析该路基的振动特性和动力稳定性,以期为高速铁路路基填料的选择提供借鉴。结果表明:石英二长岩全风化物物理改良填料临界动应力在80 k Pa左右,塑性应变主要产生于基床底层中上部,加载150×104次后,基床表面最大弹性变形不足1 mm,满足其变形控制要求。