俄罗斯莫喀高铁抗冻胀基床结构研究

研究目的:针对沿线低达-48℃的严寒环境和高达400 km的超高时速,俄罗斯莫喀高铁初步设计采用"0.12 m沥青混凝土+0.28 m级配碎石表层+2.3 m底层"的新型防冻胀基床结构。该基床结构在国内尚无大规模应用经验,为确保其安全性和适用性,本文从防冻胀、列车荷载影响以及沥青混凝土封闭层耐久性三个方面展开全面研究。研究结论:(1)依据俄罗斯相关规范进行的冻深计算结果表明:沿线设计冻深为2.1～2.6 m,初步设计所采用的2.7 m基床厚度满足要求;(2)在验算列车荷载影响时,应考虑强度准则、变形准则以及长期动力稳定性准则;计算结果表明莫喀高铁所采用的基床结构安全可靠;与防冻胀准则相比,列车荷载影响并不控制基床厚度;(3)在长期动荷载作用下,0.12 m沥青混凝土封闭层的使用寿命可超过100年,满足莫喀高铁耐久性要求;(4)该研究成果对于其他严寒地区高速铁路基床结构设计具有借鉴意义。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道层间离缝原因分析

针对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构轨道板与自密实混凝土层之间的离缝问题,建立有限元模型,分析在温度、自密实混凝土收缩、列车荷载和基础变形作用下的层间受力情况。结果表明:自密实混凝土收缩是引起层间离缝的主要因素,在其收缩率达到4.5×10-4时,可能引起裂纹产生;在列车高频荷载和温度循环荷载作用下层间离缝由外向内扩展。同时,对可能造成离缝的自密实混凝土原材料配比及施工中的养护流程进行了分析。     

沪宁城际铁路路基翻浆原因分析及整治措施研究

沪宁城际铁路数十公里的路基地段发生路基翻浆,影响轨道平顺性。从路基基床表层填料设计、防排水设计、高速列车的高频振动作用三方面分析路基翻浆的原因。结果表明:由于无砟轨道混凝土底座板间伸缩缝未有效封闭,在较低温度时产生缝隙,雨水沿缝隙渗入路基表层,表层中级配碎石层透水性较差,加之路肩上混凝土封闭层的阻挡,导致在级配碎石层表层形成水囊,在列车振动作用下产生翻浆现象。采取了排水、封堵和注胶的综合整治方案,实践证明,治理方案有效率达86%。提出了从设计上防止多雨地区无砟轨道路基翻浆的建议。     

客运专线土质路基无砟轨道基床动态特性的模型试验研究

结合遂渝铁路客运专线工程实践,进行了以级配碎石为基床表层,以A、B组填料为基床底层的室内大比例基床模型试验.详细介绍了建模过程和试验条件,分析了在列车动荷载作用下基床的动应力、动变形、加速度的变化规律及累计沉降规律,获得了有关无砟轨道基床动力特性的数据资料,为进一步改进基床结构设计提供依据.     

沥青混凝土底砟层的工程应用及其设计方法

总结沥青混凝土底砟层在轨道结构中的功能和优势,以及世界范围内沥青混凝土底砟层在实际工程中的应用情况,重点介绍并对比讨论各国沥青混凝土底砟层厚度设计方法及结构和材料设计中的关键指标控制。欧美国家及日本的研究和应用经验均表明,沥青混凝土底砟层能够满足有砟轨道的性能要求,且在防水、减振和降噪等方面具有优势,能够有效降低无砟轨道养护费用,延长使用寿命。目前,沥青混凝土底砟层普遍采用密级配沥青混合料,厚度设计主要参考沥青路面设计方法,以疲劳开裂破坏和永久变形量为主要验算指标。本文所述的应用经验和设计方法,能够为沥青混凝土道砟层在我国的推广和应用提供技术参考。     

高速重载有砟轨道路基动变形特性的数值分析

运用ABAQUS有限元软件建立有砟轨道—路基系统三维动态有限元模型,分析高速和重载列车荷载作用下的路基空间动应力、路基面横纵向动变形和剪应变特性。基于现场条件,选择砟脚内30cm和砟脚处作为路肩横向和纵向的动变形分析参考点,研究动变形引起的路肩倾斜角度随列车速度、道砟厚度、表层厚度和表层模量变化的规律。结果表明,路肩横向和纵向倾斜角随车速增大而增大,随道砟厚度、基床表层厚度和表层模量的增大而减小,基床表层和底层的最大剪应变较为接近,最大剪应变与路肩最大倾角大致呈线性关系。     

翻浆状态下无砟轨道路基动力响应特征模型试验研究

高速铁路无砟轨道基床翻浆是一种特殊的路基新型病害,影响高速铁路运营的舒适性和安全性,为分析无砟轨道路基基床翻浆对路基动力响应特征的影响,开展无砟轨道-路基基床大比例模型试验。试验结果表明:基床翻浆状态时,在动荷载下底座板对基床表层产生瞬态碰撞,使得基床表层土动压力随动荷载加载次数的增大而逐渐增大,沿深度衰减速率变快;基床翻浆改变了基床表层与底座板之间的动力传递特性,竖向振动加速度比值增大了1. 95倍以上,动位移比值增大了4. 56倍以上,振动响应从底座板传递至基床表层衰减梯度增大;基床表层翻浆不断恶化,会降低基床表层对底座板的支承能力,致使无砟轨道-路基基床动力响应加剧。     

组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道疲劳特性

基于列车—轨道—桥梁耦合动力学理论、无砟轨道与桥梁间纵向相互作用理论及无砟轨道温度场和温度效应理论,建立考虑服役期间无砟轨道钢筋与混凝土的相互作用、无砟轨道混凝土的开裂与闭合效应、无砟轨道荷载时变特性共同作用的桥上纵连板式无砟轨道疲劳寿命预测方法。以高速铁路32m多跨简支箱梁桥上无砟轨道为例,运用该方法研究组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道的疲劳特性。结果表明:为了较准确地预测服役期间桥上纵连板式无砟轨道的疲劳特性,必须同时考虑列车荷载、温度荷载及温度梯度荷载的共同作用;桥上纵连板式无砟轨道的疲劳寿命由梁端处的轨道控制,梁端处轨道板底面混凝土和底座板顶面混凝土更易发生疲劳破坏;气候环境和无砟轨道裂缝间距对桥上纵连板式无砟轨道各部件的疲劳特性有很大影响,武汉地区无砟轨道的轨道板混凝土、底座板钢筋、底座板混凝土的疲劳寿命分别是哈尔滨地区的2.5,3.9和222.6倍,当裂缝间距由2倍扣件间距变为1倍时,无砟轨道钢筋的疲劳寿命增加10倍以上。     

提速铁路基床长期累积沉降及等效循环荷载试验研究

我国铁路大范围的列车提速对既有线和新线路基的刚度和变形提出了较高的要求.本文基于实测的路基动应力波形,通过室内动三轴试验研究铁路基床C组填料压实土分别在列车荷载和正弦荷载作用下的长期变形规律,并采用Monismith模型进行拟合,得到基床表层和底层土的长期累积沉降计算公式.试验结果表明,由于基床表层土承受的围压较低、动荷载较大,表层相对底层产生的长期变形大、持续时间也长.通过加载一系列不同幅值、不同形式的正弦荷载,提出基于基床土长期变形等效的提速列车荷载的正弦荷载等效方法,即一个半正弦波代表一个转向架的列车动荷载,荷载幅值折减系数在0.45～0.65之间;并通过能量法得到验证.     

CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究

基于列车—轨道耦合动力学理论,考虑无砟轨道各部件间及无砟轨道与路基间接触状态非线性,建立列车—板式无砟轨道—路基三维非线性有限元耦合动力学模型,进行自重荷载、轨道中长波随机不平顺、轨道短波随机不平顺、路基不均匀沉降荷载、无砟轨道板温度梯度荷载共同作用下,高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基不均匀沉降限值研究。结果表明:无砟轨道板温度梯度荷载对无砟轨道各部件受力均有较明显的影响,因此在进行无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究时有必要同时考虑无砟轨道板温度梯度荷载的影响;路基上CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路的路基不均匀沉降限值由底座板疲劳破坏控制,路基不均匀沉降幅值达到7mm时无砟轨道底座板的最大拉力达到疲劳破坏限值1.674MPa,因此建议高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基的不均匀沉降限值为7mm/20m。     

城市轨道交通路基沉降与无砟轨道轨面不平顺映射关系

路基沉降会影响轨面不平顺,为了分析路基沉降与无砟轨道轨面不平顺间的映射关系,基于温克尔弹性地基耦合梁理论和有限元方法,建立考虑层间接触非线性整体道床轨道梁-体空间有限元模型,对轨道自重荷载和设计列车动荷载作用下轨面不平顺与路基沉降间映射关系展开研究,并在此基础上,提出城市轨道交通无砟轨道线路路基不均匀沉降的安全限值。分析结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在自重荷载和列车动荷载作用下发生跟随性沉降变形,且各层沉降幅值从上到下依次增大;路基沉降幅值越大轨面不平顺越明显,20 m沉降波长条件下,沉降幅值超过25 mm时轨道结构与路基间易形成脱空;轨面不平顺对路基沉降波长也极为敏感,20 mm沉降幅值条件下,当沉降波长超过25 m时路基与轨道结构间脱空现象明显缓解,此时轨面不平顺基本可与路基变形保持一致。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

列车荷载对CRTSⅠ型板式轨道疲劳损伤的影响研究

为研究CRTSI型轨道板及CA砂浆层在列车疲劳荷载作用下的疲劳损伤,按照轮轨力的正态分布规律及疲劳荷载编谱方法中的单参数计数法将列车荷载简化为2种疲劳荷载谱,通过建立的弹性地基梁-体模型计算了列车疲劳荷载作用下轨道板及CA砂浆应力值,采用Miner线性准则及以应力为基础的疲劳寿命计算方法,分别计算了轨道板混凝土及CA砂浆在60年服役期内的疲劳损伤。理论分析结果表明:仅考虑列车疲劳荷载作用时,轨道板混凝土及CA砂浆材料在60年服役期不会发生疲劳破坏;不同的疲劳荷载谱对轨道板及CA砂浆的疲劳损伤几乎没有影响。     

无砟轨道沥青混凝土支承层准静态设计方法

沥青混凝土铺装轨道结构中,沥青混凝土支承层的厚度设计目前以经验为主。本文建立了轨道板在均布荷载作用下的层状弹性体系理论模型,应用有限元分析和实测数据验证了理论模型的有效性,提出以沥青混凝土层层底拉应变、路基面竖向应力、路基面竖向位移为关键设计指标的沥青混凝土支承层厚度准静态设计方法,并进行了实例设计。结果表明:理论分析结果相比有限元计算结果偏于保守,两者都在实测数据取值范围内;理论模型修正后可用于无砟轨道沥青混凝土支承层的厚度设计;设计指标的阈值可控制设计层的最小适宜厚度。     

高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构

提出1种高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构,基于该结构工作状态,分析其主要功能特性,设计碾压密实高模量沥青混凝土。将全断面沥青混凝土防水封闭结构应用于工程试验段,跟踪监测其服役特性。结果表明:试验段轨道结构及路堤基床动力性能均满足规范限值要求;试验段基床含水量维持在8%~18%,受天气影响小,而邻近的纤维混凝土对照段基床含水量为10%~35%,随天气波动显著;试验段沥青混凝土的吸热作用,使得路肩处基床温度较对照段大;试验段路基竖向变形监测值较对照段稍大,但均满足限值要求;试验段沥青混凝土与底座等接触情况良好,无松散剥落等病害,仅在底座板接缝处有数条裂缝,而对照段出现较多的纵横向裂缝,严重影响其防水封闭效果;沥青混凝土修补方便,可维护性高。