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。     

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。     

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。     

重载铁路路基动荷载特征

通过朔黄铁路30 t轴重列车试验,分析重载铁路路基基床动荷载幅值和分布特征,研究重载列车与普通列车作用下路基动荷载的区别。研究结果表明:重载铁路路基动荷载与轴重基本呈线性关系,30 t轴重下平均值为59 kPa,最大值达到123 kPa,轴重从25 t提高至30 t,路基动荷载增大约20%;动荷载的影响分析须考虑前后车厢相邻转向架叠加的影响,重载列车邻轴距小,相邻转向架的四轴之间相互融合,路基动荷载纵向剖面基本上呈"矩形波"形态分布,普通车邻轴距较大,相邻转向架之间的叠加不明显。重载铁路路基动荷载特征的分析为重载铁路路基基床结构的设计和评估提供了重要技术支撑。     

重载铁路路基基床结构强度控制设计方法研究

针对重载铁路路基基床结构建立了一套以动强度长期稳定性为准则的强度控制设计方法,该方法的主要设计步骤为:基于荷载分担Gauss函数法确定各轨枕承担的动轮载力;根据层状体系传递矩阵法计算最不利位置处轨枕下方的应力分布;以动强度长期稳定性为控制准则,确定基床厚度及基床表层厚度。进一步,采用建立的强度控制设计方法,对不同轴重下的重载铁路路基基床结构进行设计,结果表明:建议轴重25 t,基床表层厚度0.6 m,基床底层厚度1.9 m,基床厚度2.5 m;建议轴重30 t,基床表层厚度0.6 m或0.7 m,基床底层厚度2.4 m或2.3 m,基床厚度3.0 m。     

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。     

重载铁路路基基床动应力分布特征研究

随着国家铁路运输客货分离政策的推进,重载铁路作为国际公认的先进货运技术逐步为我国铁路建设者认同并付诸实施。我国重载铁路路基设计规范尚不完善,基床结构对比国外先进重载铁路技术存在明显差异,结合国内车辆荷载通常处理方法,利用Ansys软件对重载铁路路基基床结构进行有限元模拟分析,对比实测动应力数据,研究重载基床动应力分布特征,对目前基床设计方法提出改进或优化建议,对山西中南部铁路路基运行轴重30t重载列车的适应性做出评价。     

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。     

轴重40 t重载铁路路基基床结构设计技术探讨

针对大轴重货运车辆轴距小的技术特点,分析重载铁路路基承受列车荷载的空间分布规律;基于列车荷载引起路基累积变形效应区沿深度的变化机制,讨论主要承受列车荷载的基床结构与路基填料之间的相互影响关系;根据工程设计的强度、变形、长期稳定性控制要求,探讨40 t超大轴重下基床结构的设计方法。研究表明:提出的“4Z1800/2400”四轴标准轴型荷载模式能较好反映超大轴重列车荷载的路基应力叠加效应;建立的路基累积变形效应不超过基床厚度的设计方法,综合考虑了荷载与填料多因素的影响,是对单因素应力比值法的完善。以累积变形处于缓慢收敛状态的长期稳定性为主控因素,提出轴重40 t重载铁路路基基床层状结构设计指标建议:基床厚度3.5 m,对应基床以下路基K30不低于110 MPa/m;基床表层采用级配碎石强化,厚度0.7 m,要求基床底层K30大于等于130 MPa/m。     

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。     

含软弱夹层重载铁路路基水平旋喷桩加固效果分析

结合我国重载铁路含软弱夹层路基的病害特点,提出一种路基水平旋喷桩加固技术。利用ANSYS将不同轴重列车模拟为沿轨道移动的振动荷载,重点分析不同轴重重载列车通过路基病害区段加固前后基床结构的动应力与动变形。结果表明,加固后路基侧向应力也有所减小,整体路基结构受力有所改善。     

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.     

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%。     

几内亚西芒杜40t轴重重载铁路专用线列车设计活载选用探讨

铁路列车荷载图示是铁路桥涵设计的重要依据和核心参数。几内亚西芒杜重载铁路专用线运行轴重40 t矿石车,其活载效应超出了我国现行设计规范的规定。为确定适用于本项目的列车活载图示,结合几内亚西芒杜重载铁路专用线的特点,在调查国内外重载铁路列车活载图示以及40 t轴重重载铁路机车及货车现状的基础上,分析对比不同列车荷载图示及40 t轴重矿石车的荷载效应,以及采用不同的活载发展储备系数对本项目投资的影响,得出40 t轴重重载铁路桥梁不宜采用ZH活载(Z=1.5)或Load Model 71(α=1.46)进行设计,可采用1.1倍的实际运营车辆荷载进行设计的结论,建议在制定40 t轴重重载铁路列车活载图示时同步开展40 t轴重重载运输条件下冲击系数的研究。     

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。     

基于强度控制法的重载铁路基床厚度设计研究

基于路基填料强度控制法设计原则,在充分考虑35 t轴重列车运行时产生的静、动荷载作用下,分析不同基床表层、底层填料及厚度组成的路基基床结构动力特性,优化路基基床结构厚度。研究结果表明:当基床表层填料为级配碎石时,基床表层厚度为0.7 m,底层厚度为2.1 m;当基床表层填料为A组填料时,A组填料资源缺少地区,基床表层厚度为0.6m,底层厚度为2.4 m,A组填料资源丰富地区基床表层厚度为0.7 m,底层厚度为2.1 m。     

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。     

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.     

既有线提速路基动应力分析

通过对既有线提速区段路基的调研和试验,得出结论,动应力与轴重、速度及线路平顺性有关。列车提速时,轴重增加和轨道不平顺对路基动应力影响最大。路基面动应力在横向呈马鞍分布,动应力沿深度方向衰减较快。采用当量折算和Boussinesq公式推算出的提速后路基动应力与实测值接近。在既有线提速改造中,重点应消除路基病害,提高基床特别是基床表层的强度和稳定性。     

30t轴重荷载作用下桥上曲线动力响应影响范围

研究目的:结合我国近年来重载铁路设计情况,针对大轴重条件下桥上曲线设置实际,通过建立钢轨、轨枕、道床及桥梁多层体系有限元模型,理论上探讨800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下线路结构动力性能,分析列车荷载作用下线桥动力响应影响范围问题,以供我国重载铁路线路设计参考。研究结论:(1)800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下桥上曲线线路结构动力性能指标满足规范标准要求,桥梁及线路设计方案合理;(2)重载列车行经桥上曲线地段时,离心力及轴重作用引起的线路结构动力响应影响到列车运行位置相邻桥梁一跨范围(32 m);(3)列车编组大于4节后,编组数增加仅影响线路结构动力响应持续时间,不会对动力响应峰值产生影响;(4)本研究成果对重载铁路桥上曲线设计具有参考意义。