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。     

浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律

以包神铁路某病害段土体为研究对象,制备不同压实系数、不同含水率的试样,利用GDS动三轴系统进行模拟浸水状态下的动力特性试验;使用自行研制的常水头马氏瓶模拟雨水自然浸入基床,构建动力湿化环境,研究浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律及敏感影响因素。结果表明:浸水过程会打破土体的动力稳定状态,引发塑性应变的持续累积以及动回弹模量的持续衰减,累积程度和衰减规律受到压实系数的显著影响;压实系数为0.96的土体在浸水作用下循环加载至50000次时其累积塑性应变小于3%,而压实系数分别为0.9和0.93土体的累积塑性应变皆大于10%;压实系数越大的土体在浸水作用下动回弹模量衰减程度越大,压实系数分别为0.9,0.93和0.96的土体在浸水作用下其动回弹模量分别衰减22%,32%和42%;不同初始含水率土体的累积塑性应变和动回弹模量衰减规律相近。在试验数据基础上,提出了用动回弹模量构建的动力湿化作用下的土体软化模型,该模型体现了土体刚度受压实系数显著影响的特性,且具有较好的适用性。     

不同基床底层细颗粒含量的高速铁路路基水分运移规律及水囊控制

通过数值方法建立了高速铁路路基渗流模型,其由上部结构和基床表层、基床底层、地基组成。在左线底座与基床表层交界处设置两条裂缝模拟降雨入渗边界,对模型施加2013年杭州市降雨数据进行3 a计算,分析了基床底层不同细颗粒含量对路基内部水分运移的影响。研究表明,3 a计算时间后,各工况路基内部均出现水囊,且随着细颗粒含量增大,水囊面积增大。湿润锋击穿基床表层和基床底层交界面的时间、到达基床底部的时间均随细颗粒含量的增大而增大。最后,在基床表层和基床底层之间增设一层渗透系数较低的GCL复合垫层,并结合在基床表层和基床底层之间设置毛细屏障的现场试验,探讨了水囊控制方法。     

全风化花岗岩路基填料改良试验研究

海南地区全风化花岗岩广泛分布，却无法直接用作路基填料。针对这一问题，对全风化花岗岩采用水泥进行改良，同时开展界限含水率、重型击实、加州承载比（California Bearing Ratio,CBR）、无侧限抗压强度、回弹模量、动三轴试验研究素土及改良土工程特性。结果表明：随着水泥掺量增加，塑性指数递减，最优含水率和最大干密度均呈线性递增趋势；随着水泥掺量的增大，CBR值、无侧限抗压强度、回弹模量和动应力大幅增长，改良土工程性质显著提升。根据试验成果，建议基床表层采用水泥掺量6%的全风化花岗岩改良土，基床底层及基床以下路基采用水泥掺量4%的改良土。     

高速铁路路基基床结构分析及设计方法

基于实测资料,分析路基动荷载、动应力和动变形的特点。按照分担比,将列车荷载分配到轨枕上,再利用Boussinesq弹性理论公式和Odemark的模量与层厚当量假定进行设计计算。当计算选取的介质模量值考虑应变水平影响时,计算与实测结果有较好的一致性,从而建立一种路基基床的分析计算模式。结合临界体积效应应变的概念,以控制重复荷载作用下路基不发生累积变形和累积孔压等累积效应为目的,提出路基基床结构的应变控制设计方法。     

风积沙填筑铁路路基累积塑性变形及临界动应力试验研究

目前用于铁路基床的填料大多数为级配优良的填料,而对风积沙作为路基填料在列车荷载作用下的累积塑性变形特性和临界动应力研究不多,但风积沙作为路基填料已在沙漠铁路建设中得到运用。为探究列车荷载作用下风积沙填料填筑铁路路基的累积塑性变形演变特性及临界动应力,考虑围压、动应力幅值、压实系数和含水率等因素的影响,开展一系列动三轴试验。试验结果表明：风积沙累积塑性应变随压实系数、围压的增大而减小,随动应力幅值的增大而增大。以最优含水率为分界点,低于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而减小;高于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而增大。风积沙试样的累积塑性应变曲线可分为：稳定型、临界型和破坏型。根据对累积塑性应变曲线的分类,获得了不同条件下风积沙填料的临界动应力。风积沙临界动应力随围压和压实系数的增大而增大,饱和含水率下风积沙填料的临界动应力明显小于天然含水率和最优含水率下风积沙填料的临界动应力。临界动应力和围压具有较好的线性关系。构建了可考虑围压和含水率影响的风积沙临界动应力经验公式,通过临界动应力公式确定了不同工况下风积沙作为路基填料的适用范围。试验结果可为沙漠铁路的设计、...     

高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

基于既有文献的研读与分析,结合国内外高速铁路路基工程研究成果与实践,归纳了中国、日本、法国、德国和美国等国家高速铁路路基基床结构形式及设计方法。国外各国高速铁路路基基床普遍采用层状的强化结构,基床表层采用统一的双层或多层结构,而中国采用单一结构;国外各国依据各自的理解和习惯采用不同的检验参数评价填料的压实状态,中国采用压实系数、地基系数和动态变形模量进行评价;国外各国高速铁路路基基床结构设计主要采用路基顶面变形量控制方法、路基底面变形模量控制方法、基床表层下部填土强度控制方法等,中国采用路基面动变形和基床底层动应变控制的设计方法。但目前的设计方法均未考虑列车循环振动荷载引起的路基累积变形效应。在国内外路基土累积变形预测方法研究现状的基础上,建立基于全过程动力学分析、满足路基功能要求的路基结构设计新方法,将成为高速铁路路基结构设计的发展趋势。     

青藏铁路西格段环青海湖季节性冻土区铁路路基冻害成因分析

青藏铁路西格段环青海湖路基的季节性冻胀和融沉,直接影响列车行驶的舒适度,严重时甚至会危及行车安全。以环青海湖段路基冻害为背景,通过选取典型冻害断面,进行原位挖探试验及室内试验,从土质、水分和温度三个方面分析了环湖段路基冻害成因和冻害机理。结果表明:环湖段路基冻害的主要原因是基床表层无良好的隔水层和排水设施,降雨入渗导致路基土体中的粉质黏土层含水率较大,当温度低于冻结温度时,土中水冻结,引起路基冻胀。     

高温养护下水泥改良风积沙抗压强度试验研究

研究目的:新疆和田至若羌铁路经过塔克拉玛干沙漠南缘,地表以风积沙为主,水泥改良风积沙是沙漠地区铁路路基基床填筑的关键技术。塔克拉玛干沙漠夏季地表温度最高可达70℃,水泥改良风积沙的力学性能和变形特性易受高温的影响,因此本文结合新疆塔克拉玛干沙漠的气候条件,开展水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验,研究70℃高温养护条件下水泥掺量和压实系数对水泥改良风积沙的应力应变特征、无侧限抗压强度、峰值应变和刚度的影响。研究结论:(1)水泥改良风积沙的应力应变曲线近似正态分布,具有右偏态的特性;(2)高温养护条件下,压实系数为0.95时,水泥掺量为4%、5%、6%对应的水泥改良风积沙无侧限抗压强度分别为0.38 MPa、0.52 MPa和0.78 MPa,峰值应变分别为2.2%、2.4%和2.6%,刚度分别为10.4 MPa、16.2 MPa和22.8 MPa;(3)与标准养护条件相比,高温养护条件下水泥掺量为5%、压实系数为0.95的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度和峰值应变分别降低了5.5%、22.7%,刚度增大了5.9%;(4)新疆和田至若羌铁路夏季施工时,考虑70℃高温养护条件,掺量5%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求,避开高温施工环境条件,掺量4%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求;(5)本研究成果可为风积沙铁路路基基床的设计、施工提供参考。     

200km/h客货共线铁路红层泥岩基床填料动力特性研究

将红层泥岩用作客货共线铁路路基基床填料在国内还没有先例,红层泥岩是否能作为路基基床填料,其动强度和累积变形是否满足要求是关键因素之一.在遂渝线无砟轨道试验段对红层泥岩作为路堤本体填料可行性研究的基础上,本文进一步研究红层泥岩的动力学特性,研究红层泥岩用作达成铁路二线的路堤及路基基床底层填料的可行性.本文通过动三轴试验,得出在最佳含水率、一定压实度、不同围压条件下红层泥岩的动强度和累积变形等动力学特性,进而论证红层泥岩用作铁路路基特别是基床底层填料的可行性,为红层泥岩用作铁路基床填料提供重要的设计和计算参数.     

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%。     

中低速磁浮低置结构路基基床关键技术研究

为了确定基床合理的技术参数,完善其技术标准,对时速200 km及以下的中低速磁浮低置结构路基基床关键技术进行理论分析研究,采用布什理论明确动荷载影响深度,采用动变形、临界动应变控制指标明确不同基床填料所需的最小变形模量,据此进一步明确了基床结构、厚度、填料及其压实标准,并与现有技术标准进行对比。研究结论如下:(1)低置结构路基基床厚度可取为1.5 m,按两层结构设计,基床表层厚为0.3 m,基床底层厚为1.2 m;(2)基床表层采用级配碎石或A组填料填筑,压实系数不宜小于0.95,地基系数K_(30)不小于150 MPa/m;基床底层采用A、B组填料或改良土填筑,压实系数不小于0.93, A、B组填料地基系数K_(30)不小于130 MPa/m,改良土填料地基系数K_(30)不小于100 MPa/m;(3)本文研究成果与现行应用成果相比,基床结构尺寸、压实标准等进行了合理减小或降低,其设计结果更为合理,也较为经济。     

深层注胶法在沪宁城际基床翻浆病害整治中的运用

浅层注胶法在治理高速铁路路基翻浆病害时存在耐久性低、基床翻浆反复等问题,为此,采用一种深层注胶工艺对路基基床进行整体加固和对路基基床与底座板之间缝隙进行填充,将材料注入基床表层路基中,能够有效整治翻浆病害,提高列车运行的平顺性。研究表明:(1)由于基床表层排水不畅、级配碎石中含泥量高等因素,在列车循环动荷载作用下,泥浆及碎石颗粒不断被带出,从而导致路基翻浆病害;(2)深层注胶工艺采用不同的注胶材料,不仅填充了基床与底座板之间的孔隙,且在基床中渗透扩散,对基床进行整体加固;(3)深层注胶工艺应用于I型无砟轨道板翻浆病害治理中,可有效降低轨面不平顺性,治理后,振动加速度时程减小12%,动检车峰值高低和长波数值明显减小(峰值减小84.8%),并维持稳定。     

基于传递矩阵法的重载铁路路基基床应力及变形分析方法研究

目前现行规范对层状体系的铁路路基基床结构的应力应变计算采用等效厚度法,按Boussinesq公式进行计算,等效厚度法采用Odemark模量与厚度当量假定,将路基上不同模量的厚度土层折算成与路基下部填料同模量的等效层厚,该方法并没有很好反映不同土层材料性质之间的差异,对高模量的道砟层、基床表层、基床底层在路基应力场分布中的作用,缺乏严密的理论依据。针对重载铁路路基4层结构体系,采用基于传递矩阵的层状理论分析方法针对其不同深度处的应力变形求解。通过均质土层的计算结果与Boussinesq公式的理论结果的比较,验证了传递矩阵法及其计算程序可行性,最后为了进一步说明该方法的合理性,对比有限元和传递矩阵法的计算结果,结果表明,二者吻合较好。     

循环荷载下重载铁路路基累积动应变分析

研究目的:基于山东东营某重载铁路路基工程,以重载铁路路基为研究对象,通过一系列循环振动三轴试验,探究在氯盐侵蚀和循环振动荷载双重因素耦合作用下重载铁路路基的累积动应变发展变化规律,进一步揭示路基土体变形影响因素及其规律。研究结论:(1)循环振动荷载作用下,土体累积动应变随着循环振动次数的增加而不断增大;(2)不同的动应力比下,累积变形曲线呈现出稳定型、临界型和破坏型三种类型;(3)干密度越大,土体抵抗变形的能力越强,累积动应变发展速率越小,临界动应力比越大;(4)土体的累积动应变发展速率随含水率、含盐量和振动频率的增大而不断加快;(5)围压和含水率均可以改变土体累积动应变的发展类型,随着围压的增加,路基的变形速率降低;(6)该研究成果可为重载铁路路基设计与施工提供参考。     

寒区客运专线有砟轨道路基冻害整治技术

收集东北地区气象和冻结深度数据,探讨沈阳铁路局管辖内冻害区域分布规律。对丹大、长珲和秦沈客运专线路基冻害情况进行调研,在重点区段展开冻胀监测试验,分析客运专线路基结构形式与冻害的相关性,分析冻害原因,提出具体整治方法。实践表明,基床表层冻害可采取护肩切槽或护肩下铺设无砂混凝土板的方法排出隔断层顶部基床表层积水;基床底层冻害可采取铺设XPS保温板提高路基体内部温度的方法,路堤地段基床底层也可采取跟管掏土将高含水率细粒土填料置换出来的方法进行整治,路堑地段基床底层冻害可采取增设或加深排水盲沟降低地下水的方法进行整治。     

既有铁路基床非开挖旋喷加固效果数值分析

在基床内采用纵向旋喷桩加固措施是我国既有路基结构的一种新型加固方法,目前工程实践尚处于早期尝试阶段,理论研究尚未开展。论文阐述非开挖旋喷加固机理,并率先基于有限元理论建立列车-轨道-加固体路基三维动力分析模型,研究既有铁路路基加固前后基床动力特性变化。计算结果表明:(1)纵向旋喷桩可以有效控制路基面竖向位移,其中,在基床表层中加固效果明显,加固后路基面竖向动位移减少了41.2%;(2)旋喷桩加固后会引起路基面动应力增大,但由于固结体强度大幅增加,增加动应力与材料强度比值减小,所以整体路基结构受力有所改善;(3)非开挖旋喷加固法是一种有效的路基加固方法,适用于既有线路在运营条件下的快速加固。     

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。     

大西高速铁路季节性冻土区路基冻害成因及整治措施

以大(同)西(安)高速铁路高速综合试验段为例,对季节性冻土区路基冻害主要成因、整治措施及其效果进行研究。针对高速综合试验段路基含水量高、细颗粒含量大、所处区域长期低温而导致路基出现冻胀进行分析,采用封闭轨面渗水裂缝、清理电缆槽泄水孔、增设基床表层排水孔和基床底层排水盲沟等措施进行整治。分析对比病害整治区段同一位置的年度最大冻高数据,证明提出的路基冻害整治措施可行并有效。     

持续动荷载作用下基床粗粒土填料累积塑性应变试验研究

粗粒土填料在重载铁路基床层广泛应用,其受列车动荷载影响明显,研究基床粗粒土在持续动荷载作用下的累积变形有重要意义。通过制作不同含水率的粗粒土试样,对试样开展不同围压、不同动应力幅值的大型动三轴试验,分析试样在持续动荷载作用下轴向累积塑性应变的增长特点。基于安定理论,划分不同条件下试样的动力行为,探讨含水率对粗粒土试样累积塑性应变的影响,得出不同动力行为之间的临界应力表达式。建立塑性蠕变动力行为累积塑性应变预测模型,模型的准确性验证表明:此模型在动荷载重复次数N≥50 000时有较高准确性。试验结果对重载铁路基床层动力稳定性评价有参考价值。