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。     

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。     

运营前后高速铁路短间距路涵过渡段振动特性测试研究

针对高速列车反复运行对短间距路涵过渡段的影响,采用动力测试系统测试联调联试期及正式运营期过渡段的动响应。对比分析正式运营前后动响应幅值沿线路纵向的分布规律和沿路基深度的衰减规律,分析振动的峰值频率、振动能量的频带分布及沿深度衰减规律,得到路基综合刚度对过渡段振动特性的影响规律。结果表明:振动峰值频率不随深度变化,中频振动能量对基床表层以下路基存在影响;正式运营2年后,动响应沿线路纵向的分布曲线变平缓,过渡段纵向整体平顺性有所提高,列车动载长期反复作用增加了路基综合刚度,主要表现为基床表层刚度的增加。     

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。     

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%。     

动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法

高铁循环列车动荷载作用下,基床累积变形不仅与列车安全运营密切相关,同时对指导线路服役期精细化维修管理意义重大,而目前基床累积变形分析存在途径偏少、精度偏低等问题。为探索适合高铁基床累积变形分析方法,依托沪宁城际铁路路基工程背景,基于动、静荷载引起动变形(沉降)的新思路,将运营期沉降数据推算工后沉降与建设期沉降数据推算工后沉降差值(推算法),以及运营期沉降与静载计算固结沉降差值(估算法)作为列车动载引起的累积变形,由此提出一种由实测数据推算与估算基床累积变形的新途径,并将该方法用到实例分析中。结果表明:推算与估算获取累积变形随时间发展规律吻合,均呈快速-缓慢-稳定3阶段特征,估算结果一致性好于推算;基床累积变形在铁路运营前3年基本达到稳定,量值控制在3.5 mm以内;数值模型验证了"推算与估算"方法可行。     

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。     

动荷载下软土路基变形规律研究

研究目的:为研究列车循环荷载下的路基变形特性,找出路基中土的动力特性.本文首先介绍了胶新线试验段的基本情况,从理论上分析计算了路基沉降与时间的关系,给出了路基计算模型与路基土本构方程.进而通过研究列车动荷载下的路基弹性变形与塑性变形特性,得到路基动应力衰减曲线.研究结论:(1)实际中应变波是在有限深度内传播的,一般在路基面以下5 m弹性变形很小.弹性动应变所占比例很小,不足0.06%,而且随着深度逐渐减小,所以弹性动应变对松软土路基工后沉降的贡献很小;(2)在动载试验150万次后,测得路基的塑性变形值为:级配碎石基床表层塑性变形为27.35 mm,松软土地基塑性变形为2.67 mm.动荷载对工后沉降的贡献主要体现在路基基床部分,工后沉降在列车运行1年后趋于稳定.     

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。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路路基基床结构分析及设计方法

基于实测资料,分析路基动荷载、动应力和动变形的特点。按照分担比,将列车荷载分配到轨枕上,再利用Boussinesq弹性理论公式和Odemark的模量与层厚当量假定进行设计计算。当计算选取的介质模量值考虑应变水平影响时,计算与实测结果有较好的一致性,从而建立一种路基基床的分析计算模式。结合临界体积效应应变的概念,以控制重复荷载作用下路基不发生累积变形和累积孔压等累积效应为目的,提出路基基床结构的应变控制设计方法。     

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。     

昌赣客运专线CFG桩复合地基沉降控制

以昌赣(南昌—赣州)客运专线试验段CFG桩复合地基为例,建立了三维动力响应分析模型,分析列车运行速度、桩长等多个影响复合地基沉降的因素,得出各因素对其沉降的影响程度和规律,确定控制沉降的关键因素.研究结果表明:在列车移动荷载作用下,路基沉降主要集中在路基表层,且路基各结构层沉降沿深度方向和线路横向有明显的衰减;增大桩身长度、垫层厚度或桩身弹性模量,均可减小复合地基各结构层的沉降.     

循环载荷作用下基床力学特性对道床影响的动态模型试验研究

针对既有线提速改造及高速客运专线设计与施工中遇到的轨道与路基参数的合理匹配问题,以室内动载模型试验研究为依托,配制6组不同密实度的土样,对轨道与路基结构进行了动应力、弹性变形、塑性变形、反应模量等项目的测试,并通过不同压实系数下模型试验测试结果的对比分析,得出基床、道床弹塑性变形以及反应模量的变化趋势,探讨了轨道与路基结构地基系数、压实系数及动静刚度等参数之间的发展规律,提出基床对道床影响的临界值,即:基床压实度为0.93时,基床临界动刚度值为75 MPa/m,基床临界动弹性变形为1.5mm,道床的临界动刚度值为110 kN/mm。对基床与道床参数匹配及相互动力作用的规律研究,为既有线提速改造及新线轨道与路基结构参数设计具有重要意义。     

高速铁路路基结构时变系统耦合动力分析

在车辆的走行过程中,上部与下部是相互作用和影响的,因此,轨道交通问题实际上就是线路上下部结构和车辆系统的体系匹配问题。本文针对列车走行的实际情况,将轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立了包含车辆、钢轨、轨枕、道床和路基作为一体的二系垂向耦合动力分析模型。作为模型的验证,结合京秦线提速改造工程进行了列车-路基动力仿真计算,得出在不同行车速度条件下,机车车辆通过路基段加固前后状态下的车体加速度、动轮载、轮重减载率及道床和路基主要动力性能指标,并与实车试验进行对比。试验测试结果验证了理论模型和分析方法的有效性,为高速铁路路基的动力特性分析和设计提供一些参考。