双线重载铁路隧道基底结构受力特性现场激振试验研究

依托于张唐线双线重载铁路隧道——付营子隧道现场试验,在Ⅴ级围岩条件下利用大型激振设备不同频率和配重块组合模拟了25、27、30t轴重的重载列车作用。根据光纤光栅传感器采集时程曲线提取的静压力和瞬时动压力幅值,针对基底不同结构层表面上不同测点的接触压力横向和竖向分布规律进行研究。结果表明:双线重载铁路隧道基底结构通车前静压力分布基本对称,重载列车荷载作用下,因仅半幅受到重载荷载影响,其动力响应明显于普通客运线路使基底结构受力不平衡易发生失稳。在重载线路中心、轨道位置和客运线路轨道3条监测线上各结构层表面动压力竖向衰减规律类似,均可拟合为三次多项式用于类似工程的设计和受力预测。     

30 t轴重下重载铁路隧道隧底结构疲劳损伤研究

鉴于重载铁路隧底结构疲劳损伤现象较普通客货共线铁路更加明显,根据现场调查对重载铁路隧底结构病害进行分类,并确定了影响其疲劳损伤的主要因素为重载列车长时间大轴重碾压。依托张唐铁路双线重载铁路隧道大型现场原位激振试验,得到了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下道床结构表面的轴重列车附加动荷载分布规律,利用Ansys Workbench仿真软件对重载铁路隧底结构损伤分布及疲劳损伤进行模拟,并结合试验所得道床和仰拱结构的动应力验证其计算结果的准确性,结果表明:将实测所得动压力时程曲线作为Workbench动力初始条件进行疲劳损伤计算具有客观性,计算得出:随着围岩条件降低,隧底结构损伤范围及损伤程度逐渐增加;在相同围岩级别30 t轴重条件下隧底结构损伤出现的时间由上至下依次递增,且损伤程度逐渐降低。研究成果可为重载铁路隧道运营期长期服役性能研究及疲劳寿命预测提供借鉴和参考。     

重载列车对四心圆隧道结构受力的影响研究

结合我国重载铁路隧道结构特点,利用大型有限元软件ANSYS建立围岩-隧道结构-轨道结构三维动力分析模型,采用移动荷载模拟重载列车竖向动荷载,着重分析了重载列车荷载在隧道基底的分布、传递特性以及隧道结构内力的空间分布特性。     

30t轴重条件下隧道技术标准研究

研究目的:货运重载是铁路发展的趋势之一,目前我国重载列车的轴重是25 t,近期的发展目标是轴重达到30 t.轴重增加将使轨道和轨下基础承受较大的荷载,也将增加隧道基底病害的发生几率.因此需要深入研究轴重增加对隧道基底结构的影响,研究30 t轴重下隧道的技术标准.研究结论:以客货混跑的太行山隧道为基础进行重载铁路隧道的断面设计基本上是可行的;重载铁路隧道应取消单纯的铺底结构,在Ⅲ级以上围岩设置仰拱,且仰拱的矢跨比和厚度应不低于客运专线隧道标准;由于重载列车荷载的复杂性和围岩的千差万别,在制定30 t轴重条件下隧道技术标准时需要结合目前重载线路进行大量现场测试.     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

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。     

既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

采用地质雷达对一既有重载隧道基底混凝土厚度进行了探测,测试断面基底混凝土厚度小于设计值。利用ANSYS建立荷载—结构平面动力分析模型,依据现场取样试验结果并结合实车动态试验结果,分析了30 t轴重重载列车通过时隧道基底混凝土厚度对基底结构受力的影响。分析结果表明,基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0,有一定的安全储备。考虑到隧道结构尺寸要求,示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m,Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。因此,对于隧底出现的混凝土厚度不足情况,应酌情进行加固处理,从而保证列车安全运营。     

重载铁路隧道铺底结构动力响应分析

通过现场实测和数值计算分析了30 t轴重列车荷载作用下,不同铺底厚度和基底不同吊空程度时红岭重载铁路隧道铺底结构的动力响应特征。结果表明:铺底结构能较好地吸收列车振动荷载,并且随着铺底厚度增大,铺底结构的竖向动应力和竖向加速度均减小,因此设计和施工过程中须保证铺底结构具有足够厚度;随着基底吊空程度增大,铺底结构的动力响应逐渐加剧,并且铺底结构底面的竖向位移和竖向加速度变化比顶面更加显著。     

重载铁路隧道基底病害微型桩加固技术研究

结合我国重载铁路隧道基底病害特点,提出了一种隧道基底微型桩加固技术。同时,利用大型有限元软件ANSYS建立隧道基底微型桩加固分析模型,采用30 t列车动压应力实测值模拟重载列车竖向动荷载,着重分析了30 t重载列车通过隧道基底病害区段时微型桩的加固效果,结合某隧道现场测试与混凝土检测结果以及新旧混凝土结合面强度统计分析结果,提出了基底采用微型桩加固基底混凝土厚度要求,为今后采用该法进行基底加固提供借鉴。     

重载铁路隧道基底脱空条件下服役状态影响研究

隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下,将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象.为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响,采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型,探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征,并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到不同脱空状态下...     

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。     

山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方案研究

山西中南部铁路通道将开行30 t轴重列车,荷载计算与有限元数值分析表明,列车轴重增加后位于富水软弱围岩及土质地层段隧道基底应力增大,在列车活载反复作用下隧道底部易形成病害。本文论述了对已先期建成的隧道进行基底加固的必要性,论证了采用隧底注浆方案进行基底加固合理可行。     

重载铁路隧道隧底围岩劣化的CFD-DEM模拟研究

研究目的:重载铁路隧道隧底结构较普通铁路受到更大的动力作用,列车动载-地下水耦合作用下隧底软弱围岩将发生劣化,甚至形成脱空,引发基地下沉、翻浆冒泥等一系列隧底病害。本文采用CFD-DEM耦合分析方法研究列车动载-地下水耦合作用下重载铁路隧道隧底软弱砂性土围岩劣化及脱空规律,为重载铁路隧道设计、施工及病害治理提供参考。研究结论:(1)列车动载-地下水耦合作用下隧底附近围岩细颗粒向两侧迁移流失,仰拱-围岩接触面形成局部脱空;(2)列车动载-地下水耦合作用下仰拱-围岩接触压力逐渐减小,隧底结构受力劣化,轨线位置最为明显;(3)列车轴重和行驶速度的增加将加速隧底围岩脱空及劣化的发展;(4)本研究成果可用于优化重载铁路隧道隧底结构设计,减少隧底病害,提高隧道的耐久性。     

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。     

列车荷载作用下高铁隧道下有小净距地铁隧道穿越时的结构动力响应特性模拟分析

基于某地铁线路以极小净距下穿京张高铁盾构隧道工程,采用人工激振函数模拟列车振动荷载,分析不同工况下的隧道动力响应特性,探讨了高铁隧道结构的振动加速度、振动速度及竖向位移规律。模拟研究结果表明:隧道监测点振动幅值变化不仅与振动强度有关,还与激振源荷载作用位置有关,高铁隧道中心截面前后±15 m范围内的位移响应最大;隧道交叉位置呈现显著的振动放大现象,造成列车动荷载影响下衬砌结构薄弱区;振动响应总体趋势为自仰拱向拱顶逐渐衰减,即仰拱为隧道振动响应的最不利位置;考虑不同工况,高铁隧道结构的最大振动加速度、振动速度和竖向位移分别为110.204 mm/s~2、3.006 mm/s、0.043 4 mm,低于结构安全振动控制标准的限值,满足安全要求。     

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。     

既有重载铁路隧道基底病害置换整治技术研究

利用ANSYS有限元软件建立了隧道护底翻修施工便梁三维有限元分析模型,通过设置施工便梁架设方式,并结合重载列车的荷载特点,分析了2类施工便梁在重载列车作用下的的内力特点。计算结果及施工可行性分析表明:采用下沉式便梁架空方案能够保证25 t轴重货物列车以60 km/h通过时线路轨道的几何尺寸、线路刚度和稳定性,另外,在主梁尺寸以及横梁间距设置合理的情况下,采用下沉式无水平顶丝及横梁混凝土支座方案是隧底翻修的一种理想方案,该方案对重载或普通铁路隧道基底结构的病害处理具有重要的借鉴意义。     

重载铁路隧道底部围岩损伤机理研究

以我国第一条按照30 t重载铁路标准建设的瓦日铁路太行山隧道为工程依托,采用现场长期监测结合数值模拟的方式,将重载铁路隧道底部围岩的损伤过程主要分为3个阶段。研究表明:随着时间的增长和重载列车的作用,底部围岩损伤位置的接触压力和水压力不断增加,这种现象在轨道下方尤为明显;地下水长期冲刷作用下,围岩颗粒逐渐流失,造成脱空范围变大出现贯通,引起相邻位置接触压力集中易造成基底结构失稳;故重载列车大轴重的长期碾压是底部围岩损伤激增的主要原因、且底部围岩在地下水冲刷作用和自身缺陷的相互影响下逐渐劣化,为基底结构病害的产生提供了条件。研究成果可为重载铁路隧道底部围岩损伤的预测和病害处治方法提供思路和借鉴。     

富水角砾岩岩溶隧道综合加固效应及基底稳定性分析

以沪昆铁路麻拉寨隧道为工程背景,采用FLAC3D软件建立隧道三维数值模型,对采用大管棚加小导管综合超前支护、中台阶拱脚纵梁加固及中台阶添加临时仰拱等加固措施进行数值模拟分析。结果表明:中台阶拱脚纵梁的加固能明显增强初期支护拱脚的稳定性;综合加固措施对控制隧道围岩变形效果较好,对改善初期支护受力状态,特别是改善拉应力非常明显。在此基础上,模拟分析不同激振频率下隧道基底有、无桩筏基础情况下列车动荷载对隧道基底工后沉降和振动的动力响应规律。结果表明:激振频率对各测点沉降和振动速度的影响均较小,且高频激振对结构产生的危害要小于低频激振;采用桩筏基础加固隧道基底,对减小隧道基底沉降和振动速度的作用均非常明显,其最大沉降和最大振动速度比无桩筏基础时减小40.7%和74.4%,从而满足了相关要求,为隧道后期运营安全提供了保障。