高速铁路路基动力累积变形模型试验研究

以中南大学高速铁路无砟轨道路基足尺模型试验系统为背景,对Ⅲ型板式无砟轨道在列车轴重为17 t,速度为350km/h条件下开展10 000万轴次循环荷载试验,以研究路基在高速列车长期荷载作用下的动力累积变形规律。研究结果表明:随着列车轴次的增加,路基累积变形逐渐增加,在循环加载前期增长速率较快,之后逐渐减小,在列车轴次达到350万次后趋于稳定,路基最终累积变形为3.38 mm,其中基床表层、基床底层、路基本体和地基各结构层最终变形分别为2.33,0.57,0.30和0.18mm。基床表层变形最大,占总累积变形的68.93%,基床底层次之。通过对指数模型在路基模型试验中的适用性进行分析,结果表明路基各结构层累积变形采用指数模型拟合的效果较好,相关系数均在0.985以上。基于试验结果,提出一个以动静应力比、静应力与静强度比、振次为基数的指数模型,依据试验结果对模型参数进行反分析,得出模型中各参数变化范围较小,修正模型改进效果非常明显,可以用于预测长期动力荷载作用下高速铁路路基累积变形和路基沉降。     

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。     

高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性分析

路基振动变形影响列车运行安全与舒适性,开展高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性的研究具有重要意义。利用MTS加载系统和自制模型箱,构建室内粗粒土填料单元模型试验系统,模拟列车的动载作用,对粗粒土填料开展5万次循环加载试验,获得振动变形与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率对振动变形的影响。结果表明,在动应力幅值为25～200 kPa、加载频率为2～8 Hz的循环荷载作用下,粗粒土填料的初始振动应变为0.001 0～0.003 8,5万次加载后稳定振动应变为0.000 8～0.002 0;振动应变与加载次数呈负幂函数关系,且随动应力幅值、加载频率的增加而增大。根据试验结果建立路基基床振动变形分析模型,验证模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基的振动状态评价提供参考依据。     

沪宁城际铁路振动对周围环境及邻近铁路地基沉降的影响研究

本文对沪宁城际高速铁路列车运行引起的周围环境振动特性和振动传播规律,以及振动对京沪铁路地基沉降的影响进行研究。通过建立数值模型,分析桩网结构地基加固方式和土质条件对振动的影响,并对振动引起的京沪铁路地基土体累积变形进行了预测。结果表明:采用桩网结构进行地基加固后,地面振动减弱,且距离地基加固区越近,减振效果越明显,距线路中心线10m处地面振动加速度峰值下降约33.8%;土质条件对振动传播有较明显的影响,软土条件下,振动衰减较快,近场地面处的振动较大,应重点关注振动对行车安全的影响;较硬土质条件下,振动衰减较慢,应重点关注振动对周围环境的影响;当地基表层和底层土体硬度较大,且中间夹有软土层时,振动衰减速度缓慢,应注意振动的影响范围。两线路基坡脚间距为20m时,在沪宁城际铁路当前轨道平顺性和平顺性恶化条件下,列车运行导致京沪铁路地基土体累积变形量分别增加3.44%和7.07%;坡脚间距为5m时,列车运行导致京沪铁路地基土体累积变形量增加18.36%,这反映出轨道平顺性和线间距(沪宁城际与京沪铁路间距离)对列车荷载循环作用下的地基土体累积变形影响较小。     

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型与验证

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力响应是高速铁路设计、施工和运维普遍关注的问题。为了较好地掌握高速列车荷载作用下的无砟轨道、路基以及地基各结构的动力响应,采用实体单元对无砟轨道结构、路基和地基进行建模,考虑扣件系统的5层垫片和弹条,以超弹性材料本构关系模拟橡胶垫片的大变形行为,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟无限地基,以静动力顺序分析模拟路基和轨道的建造过程,以实测轮轨力模拟列车高速运行时产生的激励,构建高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型,采用实测数据,从动位移、动应力和动应变三方面对模型进行验证。研究结果表明,所建模型间接地考虑了空气和轨道不平顺对高速运行列车荷载的影响,考虑了扣件系统多层垫片间接触压力的传递和扩散,能很好地模拟列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基系统的动力响应,与实测结果吻合很好。高速列车荷载作用下基床表层的动应力小于20 kPa,动应变处于10με量级,表明路基处于小应变和弹性变形状态。该模型可用于深入研究高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力学行为,为高速铁路无砟轨道结构及路基设计、优化提供一种有效的计算分析手段。     

高速铁路浸水路基长期稳定性试验分析

研究目的:与一般路基相比,浸水路基在水流冲击、淘刷、侵蚀及水对路基填土的软化、水位升降等不利作用下,经受列车循环荷载的长期作用,其稳定性更易受到威胁.为此,开展了高速铁路无砟轨道路基浸水条件下的循环荷载动态试验,进行了路基动应力、弹性变形、塑性变形、动孔压、自振频率等测试分析,以评价浸水路基的长期稳定性,验证设计方案的可靠性、合理性.研究结论:按时速350 km CRTS Ⅱ型板式无砟轨道浸水路基的受力边界条件,建立了动态试验系统.在试验9 ～13 kPa的动应力条件下,经过550万次的动载作用后,基床内动应力、动孔压、弹性变形处于比较稳定的状态,塑性变形为0.48～0.56 mm.从扫频试验结果来看,路基的自振频率比列车动载作用频率大很多,不会产生共振现象;振后路基的自振频率减小幅度很小,路基性能保持良好.试验设计采用的浸水路基防护、填筑方案是可行的,长期浸水条件下其性能稳定,能够满足无砟轨道对基床强度及变形的要求.     

模拟高铁轨道列车荷载附加沉降的堆载预压试验研究

轨道列车荷载的附加沉降是高速铁路路基工后沉降分析评估的主要难点之一,采用等效堆载来模拟轨道列车荷载开展现场试验,通过实测沉降数据,分析等效结构层荷载作用下软土路基变形特征,及其对工后沉降与年沉降速率的影响规律,在此基础上,对轨道铺设的变形控制条件进行综合评价,该方法为高速铁路轨道列车荷载的附加沉降的分析评估提供了有效参考。     

循环荷载作用下水泥改良黄土路基的变形特性

对水泥改良黄土及重塑黄土在循环荷载作用下进行动三轴试验,研究围压、频率、振动次数、动荷载大小等因素对土样变形特性的影响。试验结果表明:与重塑黄土相比,水泥改良黄土的弹性变形和累积塑性变形较小,并随振动次数的增加而趋于平稳;在相同深度处,随着水泥掺量的增加,改良黄土的弹性变形及累积塑性变形逐渐减小;当埋深较浅时,水泥掺量是路基变形的主要影响因素,而当埋深较深时,埋深深度是路基变形的主要影响因素;得到不同水泥掺量的改良黄土路基累积塑性变形计算公式,为铁路路基的设计和动力稳定性评价提供依据。     

考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析

路基受到的动荷载由列车通过时的连续性周期荷载与列车未通过的荷载间歇组成,大多数对路基填料变形特性的研究中忽略了荷载间歇的存在,无法正确认识列车荷载对路基的作用特征。为了对间歇性循环荷载作用下的重载铁路路基粉土填料变形特性进行研究,开展不同动应力、含水率及围压条件下连续性循环荷载和间歇性循环荷载的动三轴对比试验,探讨荷载间歇对粉土填料累积塑性应变及弹性应变的影响,分析间歇加载下粉土填料的弹性应变变化规律。试验结果表明,荷载间歇显著影响粉土填料的累积塑性应变大小和变形行为;间歇阶段的存在使得粉土填料抵抗弹性变形和破坏的能力得到提升;间歇加载下粉土填料的弹性应变随动应力幅值和含水率的增加而增大,随围压的增大而减小。通过对间歇加载下试样的不同变形行为类型进行分析,得到不同安定状态下的临界弹性应变的取值,试样为最优含水率、天然含水量及饱和含水率时,安定极限弹性应变分别为0.14%,0.11%及0.09%,蠕变极限弹性应变分别为0.30%,0.17%及0.13%。研究结果拓展了安定理论的适用性,为认识和评价重载铁路路基的变形行为提供参考。     

不同弹性扣件下钢轨振动仿真分析

建立一般弹性扣件、粘结板式弹性扣件和轨道减振器扣件下的轨道模型,用有限元法模拟分析列车移动荷载作用下,不同扣件刚度、不同行车速度时钢轨的振动和荷载的传递情况。计算结果表明,随着行车速度提高,钢轨振动加剧,扣件支反力增大;随着扣件刚度减小,钢轨振动增加,扣件支反力减小,冲击荷载传递减小。     

重载铁路路基粗颗粒土循环振动试验与累积动应变研究

重载铁路路基核心层为粗粒土,其直接承受轨道结构传递的列车动载的往复作用,但目前对粗粒土填料在重载列车往复作用下累积动应变的研究较少。为探索粗粒土填料在暴雨等极端恶劣天气或路基浸水时的累积动应变变化规律,利用基于MTS精确控制的动三轴试验系统,进行不同围压、多组动应力幅值下饱和粗颗粒土(铁路路基A级填料)的振动试验。由此获得一系列粗颗粒土累积动应变与振动次数的关系曲线,揭示动应力比对累积动应变发展类型的影响,得出基于围压的临界动应力比表达式以及累积动应变与振动次数的拟合关系式,同时证明一定振动次数时试样动应力与累积动应变关系比较符合双曲线模型。试验结果可供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参考和利用。     

考虑颗粒破碎的高铁路基粗粒土填料循环压密本构模型

基于临界状态土力学基本原理,针对高铁路基粗粒土填料长期承受列车振动荷载特点,推导颗粒破碎与塑性功双曲线型经验关系式;考虑循环振次和应力比的影响,提出循环荷载作用高铁路基粗粒土填料颗粒破碎修正函数;依据经典塑性力学理论,修正得到能够考虑颗粒破碎的高铁路基粗粒土填料剪胀方程,进而建立循环荷载作用下半经验半理论的高铁路基粗粒土填料循环压密本构模型。采用向后欧拉法对本构方程进行离散,建立"弹性预测—塑性修正"数值算法,并进行程序二次开发,实现对循环压密模型的求解。通过与室内高铁路基粗粒土填料循环荷载三轴试验结果的对比,验证所建循环压密模型的准确性和适用性。该模型能够准确预测高速列车长期反复荷载作用下路基粗粒土填料的累积变形特性,且能够考虑颗粒破碎和应力比的影响,可用于计算分析高铁路基结构的应力和变形演化规律。     

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。     

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。     

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。     

气动荷载作用下高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法

基于高速铁路隧道壁面气动荷载特征,考虑气动荷载之间相互作用以及列车通过隧道不同次数之间的影响,提出1种针对高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法;依托京沪高铁德州—枣庄段某隧道工程,研究高速列车单次通过隧道后气动荷载持续周期数以及列车车速对衬砌结构疲劳损伤的影响,分析列车通过隧道次数与衬砌结构疲劳累积损伤及残余寿命之间的关系,判断隧道设计年限内气动荷载长期循环作用下衬砌结构的安全性。结果表明:衬砌结构疲劳累积损伤随气动荷载持续周期数增加而增加,随车速提高先增加后减小;列车多次通过隧道后,衬砌结构疲劳累积损伤随列车通过隧道次数增加而增加,残余寿命则逐渐减小;高速列车单次通过案例隧道诱发的衬砌结构疲劳损伤为25.6×10~(-12),在日开行209对的相同工况下,疲劳累积损伤每天为10.7×10~(-9),每年为3.9×10~(-6),100年(隧道设计年限内)为3.9×10~(-4),气动荷载长期循环作用下,完整衬砌结构在案例隧道设计年限内不会发生损伤破坏。     

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.     

高速铁路振动荷载的模拟研究

高速铁路路基动力响应的分布和变化规律已成为研究和解决路基问题的重要方面,通过确定动荷载来研究路基的动力特性是其中的一种方法。列车荷载是一个很复杂的问题,同时涉及列车轴重、悬挂体系、行车速度、轨道组成、线路平顺等等因素。本文将在充分考虑振动荷载产生机理(车辆因素、轨下基础因素等)的基础上,对已有的列车荷载表达式进行修正和完善。修正后的表达式,既考虑了相邻轮对间轮轨力的相互叠加和轨枕的分散作用,又考虑了由于轨道不平顺所产生的振动激励及其他要素,以期为高速列车动荷载的确定和路基动力响应分析提供借鉴和参考。     

高速列车作用下板式轨道引起的地面振动

根据波数域内分层大地波动方程的求解理论,建立高速列车作用下板式轨道—大地耦合振动分析模型。利用Fourier变换,在频率—波数域内求解振动微分方程,再通过Fourier逆变换得到大地表面的振动位移响应。通过算例分析列车运行速度对板式轨道周围地面振动的影响。结果表明:列车运行速度越高,线路周围地面的振动响应越大。当列车速度大于200 km.h-1时,路基表面位移的幅值随车速提高迅速增大;然而当列车速度增至350 km.h-1时,位移幅值最大值又出现了回落。距离板式轨道中心线越近,行车速度的变化对地面振幅的影响越显著。尤其当列车速度接近地基的Rayleigh波波速时,由于引发共振而使地面振动位移出现峰值。     

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。