高速铁路无砟轨道路基填料动力试验荷载分析

为获得高速铁路无砟轨道路基填料的动力试验参数,建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8辆编组的动车运行过程,结合实测数据分析轨道不平顺、列车速度、轴重、深度等因素对竖向动应力的影响。结果表明:路基动应力的一次加卸载过程,由同一转向架的两对轮载或相邻转向架的两对轮载共同完成;车速对动应力幅值影响较小,但引起路基承受荷载的作用频率呈线性增大;列车车轴重每增加10 kN,路基表面的动应力增加约0.97 kPa;无砟轨道路基承受荷载的作用频率为车长频率的1~4倍,且轨道不平顺没有改变荷载主频。依据动应力时程曲线特征及其频谱特征,采用全压正弦函数建立路基填料动力试验荷载表达式,加载频率可取车长频率的1~3倍。     

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。     

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。     

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。     

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。     

有轨电车嵌入式轨道路基结构动应力分布规律

为分析列车荷载作用下有轨电车嵌入式轨道路基结构动应力分布规律,建立现代有轨电车车辆动力学模型和三维精细化的非线性轨道-路基-地基动力学计算模型,获得在不平顺谱激励下的动态轮轨垂向力,研究列车荷载作用下嵌入式轨道路基结构中动应力沿横向、垂向和纵向的分布规律。研究结果表明:在移动列车荷载作用下,轨道路基结构中的动应力沿横向都呈现驼峰形,且应力极值均出现在钢轨下方;同时在距轨道中心线约1.5 m处,基床表层竖向动应力约等于0,表明路基面宽度取为4m是合理的;当取自重应力的20%作为参考标准时,列车荷载在路基中的影响深度为0.75m;当列车速度为70 km/h时,路基基床表层动应力纵向影响范围约为8.8 m;在对轨道结构进行设计时,建议采用单轴双轮加载,而对路基结构进行设计时,建议使用双轴四轮进行加载。     

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。     

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.     

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。     

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.     

不同激振频率下云桂铁路路堑基床振动特性现场试验

利用大型激振设备对铺设柔性复合防排水板的云桂铁路膨胀土路堑基床进行扫频试验,研究该基床的共振频率及不同基床位置动应力和加速度随激振频率的变化规律。试验结果表明:膨胀土路堑基床的共振频率约为17Hz;路基面以下1.2m深度范围内,动应力沿深度的实际衰减速度明显高于布氏理论计算结果;动应力和加速度沿深度方向的衰减规律与激振频率大小有关,激振频率小于15Hz时,二者均呈指数型衰减,随着激振频率的进一步增加,动应力衰减规律向ε型转变,加速度衰减规律向线性衰减转变;在基床表层底面水平方向上,激振荷载的显著影响范围小于轨道中线两侧1.76m。     

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%。     

350km/h高速铁路路桥过渡段动力响应分析

利用有限元软件,建立了路桥过渡段三维动力学分析模型,施加350 km/h高速列车荷载,开展数值分析,得出以下结论:第一,路桥过渡段的最大沉降量和最大轨面弯折角均发生在靠桥台部分;第二,基床表层、基床底层、路基本体、地基的竖向动应力在横向分布基本上一致,均呈"马鞍型"分布,最大值发生在钢轨与轨道板接触处,中心线处最小;第三,轨道板处的动应力沿其横向分布极不均匀。这种不均匀将引起轨道结构不均匀变形,甚至造成轨道板开裂,影响铁路交通的正常运行。在铁路路基设计中,可考虑优化轨道结构形式,改善路基面动应力分布不均匀状况。     

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.     

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构缝对路基应力分布特征影响

无砟轨道结构缝位置的路基面动应力存在集中效应，是产生底座/支承层-路基离缝，进而引发路基翻浆的重要因素。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点及层间接触条件，建立设有混凝土结构缝的轨道-路基空间有限元模型，分析转向架双轴荷载作用于无砟轨道结构连续、轨道板缝、底座缝三种位置下路基面列车荷载分布特征，结合现场实测数据，提出考虑结构缝影响的路基面简化荷载模式。研究表明：路基面列车荷载纵向分布范围与混凝土层间接触条件相关，随摩擦系数增加呈非线性增大趋势，实测摩擦系数对应的纵向计算长度与测试值吻合；结构缝对路基面列车荷载沿纵向分布形态有显著影响，转向架双轴荷载作用于底座结构缝正上方为最不利位置，路基面应力分布模式由连续结构位置的梯形转化为应力较为集中的三角形；底座缝断面的基床应力大于结构连续位置，应力增幅由路基面的33%随深度逐渐衰减至基床底面的8%。     

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.     

列车速度对车辆—轨道—路基系统动力特性的影响

根据列车运行的实际情况,将轨道一路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立车辆、钢轨、轨枕、道床、路基和地基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度变化对车辆运行品质、动位移以及路基动应力的影响.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;具有二系悬挂的高速列车通过有砟轨道路基结构时,列车的安全性及舒适度均能满足要求;系统动位移受速度影响较小;路基面动应力随速度的提高而增大,并在横向呈马鞍形分布,在纵向呈抛物线形分布;路基动应力沿路基深度方向衰减较快,在基床表面下3m处,动应力只有基面的16%左右.研究结果与已有部分研究结论吻合较好,表明模型具有较高的可靠性.     

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。     

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。