车辆循环动载下高速铁路路基累积变形预测研究

高速铁路路基在车辆荷载反复作用下不可避免地产生累积变形,影响铁路轨道-路基结构服役性能和车辆运行品质。为探明高铁路基在循环车辆动载下的累积变形空间分布特性和长期发展规律,建立车致路基累积变形预测模型,其主要由2个子模块组成：1)基于多体动力学和有限单元法建立的高速铁路车辆-轨道-路基耦合时变动力学模型;2)基于建立的车辆-轨道-路基动力相互作用模型,引入路基累积变形预测模型,利用循环跳跃的方式预测不同车辆荷载累积次数下路基的累积变形及其空间分布规律。2个模块的交互方面,在每次循环跳跃后,将路基累积变形空间映射至轨道,形成轨面附加几何不平顺,并同步更新迭代系统动力矩阵,建立了车致路基累积变形与系统动力响应之间的关联关系。研究结果表明：本文提出的计算模型可较好地揭示路基土体累积变形在循环车辆动载下的演化规律;采用循环跳跃的方法可更为真实准确地预测路基的累积变形,其计算的路基累积变形最大值为2.606 9 mm,而未采用循环跳跃方法计算出的累积变形最大值则为1.7 mm,低估了34.8%。路基累积变形在前期发展较快,后期由于土体被不断夯实,累积变形的演化呈现减缓趋势,累积变形速率从1次加载0...     

货运列车作用下无砟轨道路基动力特性及评判参数研究

通过现场实车试验、与既有数据对比等方法,对无砟轨道路基在货物列车作用下的动变形和振动加速度进行了分析.结果表明:路基动变形随车速变化趋势不明显,随轴重增加而增大,通过实测数据拟合,轴重每增加1 t路基动变形增加约0.003～0.006 mm;振动加速度随轴重提高而增大,随车速提高而增大;支承层与路基的相对动变形反映了两...     

列车荷载作用下岩溶段连拱隧道基底累积变形研究

研究目的:岩溶的存在会使连拱隧道周围岩土体结构发生变化,以致岩土体强度降低,在列车荷载反复作用下可能导致基底累积变形超限,影响运营安全。针对无碴轨道线路要求,开展隧道溶洞区段处理后基底变形沉降规律研究,避免在长期运营过程中产生较大沉降,影响线路平顺性和无碴轨道板结构,具有重要的现实意义。研究结论:列车单次交汇条件下,隧道支护结构各部位沉降值均小于2 mm,监测点的拉、压应力峰值均小于结构的抗拉、抗压强度设计值,支护结构的位移和变形满足使用要求;列车长期荷载作用下,典型断面基底累积塑性变形小于20 mm,满足相关要求,不会对列车的长期运营造成破坏性影响。     

湿化作用下重载铁路改良膨胀土动力响应与累积变形试验研究

以蒙华重载铁路改良膨胀土路基试验段为依托,针对水泥改良土路堤、石灰改良土路堑两种形式路基开展不同轴重、不同干湿状态下现场激振试验,分析动应力、动加速度分布特征及振动累积变形发展规律;通过室内动三轴开展素膨胀土、水泥改良土、石灰改良土分别在4个不同含水率和4种不同应力水平下动力湿化变形试验,研究湿化幅度、动应力幅值对膨胀土及改良土累积应变特性的影响规律。研究结果表明,动应力和动加速在基床底部衰减率可达80%,且路基刚度越大,动应力、加速度沿路基深度衰减越快;同一深度下动力响应浸水状态大于干燥状态,且轴重越大,影响更为显著,湿化作用显著削弱路基对动应力与动加速度的衰减能力,水泥改良土抗浸水能力相对石灰改良土更强;路基面累积变形在浸水后随轴重和振动次数增加而增加,且在相同振次情况下,素膨胀土及其改良土累积应变均在湿化幅度超过2%后急剧增加,且动应力越大,应变增长速率越快,改良土累积变形速度仅为素膨胀土的1/8～1/5,石灰与水泥改良后均可有效抑制膨胀土的湿化变形;基于动三轴试验数据,建立累积应变的预估模型,得出素膨胀土及改良土模型参数与湿化幅度之间的经验关系。     

循环动载作用下改良土路基累积塑性变形的数值模拟与试验研究

为了研究循环荷载作用下高速铁路花岗岩全风化物改良土路基的累积塑性变形特性,引入路基变形的弹塑性循环蠕变模型,进行了有限元分析并与现场试验实测值对比。研究结果表明:循环蠕变模型可以较好地模拟路基的累积塑性变形;在200万次的循环动载作用下,花岗岩全风化物改良土路基的累积塑性变形很小,所以,花岗岩全风化物经过改良以后可以用作高速铁路的路基填料,从而可以解决工程中常常遇到的弃方、借土、占地和生态、环保等方面的难题。     

邻近高铁深基坑开挖坑外变形规律研究

上海市轨道交通机场联络线 1 号风井深基坑边缘距沪杭高铁路基坡脚最近仅为10.6 m,如何保证基坑本体变形及坑外沪杭高铁变形在控制标准范围内,属于工程的技术难点和关键。文章采用三维有限元软件及现场监测对 1 号风井基坑开挖和回筑施工过程进行数值计算、监测分析,得出基坑开挖引起邻近沪杭高铁变形计算值和监测值,并将计算值与监测值进行对比,分析计算值与监测值存在差异原因。结合施工工况将基坑地连墙顶部水平位移和深层水平位移、墙外土体深层水平位移、隔离桩顶位移、隔离桩外土体深层水平位移、沪杭高铁路基和支承层水平位移值进行对比分析,研究基坑开挖引起的坑外土体位移变化及传递规律,以便为类似工程提供借鉴。     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

高速铁路板式轨道动力特性研究

板式轨道是现代高速铁路轨道的结构形式之一。本文动用车辆－轨道耦合动力学理论，通过建立高速车辆与板式轨道相互作用的动力学模型，采用计算机仿真手段，研究了高速铁路板式轨道动力特性，并探讨了板式轨道ＣＡ砂桨垫层弹性与阻尼对系统轮轨动力性能的影响规律。     

道床累积变形模型的改进及荷载作用顺序对累积变形的影响

基于道碴动三轴试验结果，针对现有的道床累积变形模型的不足，提出了一种改进的道床累积变形模型，并用最小二乘法确定其参数，通过对试验结果的处理，对改进前后的模型进行了对比分析。基于不同荷载作用顺序下的道床累积变形结果，研究了荷载作用顺序对累积变形的影响，为新建线路或清筛大修后的捣固程序及运营编组原则提供参考。     

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。     

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。     

高速试验列车牵引试验的仿真研究

为配合Z型动车组的高速试验,进行列车牵引能力校核和试验方案的仿真研究,以帮助确定列车编组和试验方案。研究选用成熟的牵引计算仿真平台,建立描述Z型动车组性能的机车车辆数据库,以及试验区段的线路数据库。进行仿真研究时,考虑了两动九拖、两动五拖、两动四拖、两动三拖、两动两拖5种编组方案。认为在确保安全的情况下,利用现有条件,试验可能实现的最高速度为330km·h-1,具体的编组方案选为二动三拖较为适宜,并应遵循确保安全、秩序渐近的原则逐步提高速度目标值。     

基坑开挖对邻近高铁路基变形影响的预测方法研究

依托软土地区某典型基坑工程,研究基坑开挖对邻近高铁路基变形影响的预测方法。结合该工程土体修正摩尔–库伦模型参数,建立96个不同工况下的有限元模型。通过对有限元计算结果的分析和拟合,推导能够综合考虑基坑开挖深度、支撑系统刚度和基坑距路基坡脚距离3个因素的高铁路基最大水平位移和最大沉降的简化计算公式,提出受基坑开挖影响的路基水平位移、沉降的预测曲线,并给出相应的预测流程。结果表明:在双对数坐标中,当基坑距路基坡脚距离相同时,路基最大水平位移与开挖深度的比值(δhmax/H)、路基最大沉降与开挖深度的比值(δvmax/H)均与支撑系统刚度ρ基本呈线性关系;可用图10中的折线ABC、图13中的折线DEFG分别预测路基水平位移、路基沉降;简化分析方法能较好地预测软土地区类似依托工程土层条件下受基坑开挖影响的高铁路基变形。     

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。     

列车振动荷载作用下高速铁路近距地铁平行隧道的动力响应特性分析

为研究高铁列车和地铁列车同向以不同速度行驶时的振动对高铁隧道衬砌结构的影响,采用模拟的列车振动荷载,在铁轨上施加对轮轴的模拟振动荷载并考虑列车速度来研究同向列车振动荷载下高铁隧道衬砌的动力响应特性。结果表明:在同向行驶的列车振动荷载作用下,对于隧道特定监测点而言,存在一个列车行驶振动响应的影响区,列车行驶至该监测点时,其振动响应最大;高铁隧道中部横断面衬砌振动响应从上到下逐渐增大,拱脚、拱底竖向应力幅值分别为拱腰的1.63、2.26倍,加速度最大幅值分别为拱腰的1.21、1.29倍。     

高速铁路强夯地基沉降的离心模型试验研究

为准确掌握中等压缩性土地基在路堤荷载下的沉降变形规律,应用TLJ-2型土工离心试验机模拟强夯加固地基,研究高速铁路中等压缩性土地基的附加应力和分层沉降特征。通过与现场填筑试验对比,分析离心模型试验预测原型地基分层沉降的精度,提出沉降修正系数取值范围,为今后中等压缩性土地基加固技术优化提供借鉴。结果表明:路基基底中心应力比路肩下大,符合柔性基底应力分布形式;附加应力随地基深度增加而减小,强夯影响深度内附加应力衰减较快,而影响范围以下衰减减缓;铺轨运营550d后,地基工后沉降逐渐趋于稳定,工后沉降值远小于施工阶段地基的总沉降;离心模型试验预测地基单位分层压缩量的精度较高,而对于不同施工阶段离心模型试验预测地基沉降的精度存在差异,沉降修正系数的引入能够较为真实地反映现场地基沉降特性。     

墩台基坑开挖过程中列车动载对路堤的动变形分析

大量新建桥梁桥墩基坑工程位于铁路路基保护范围以内,使得铁路不可避免地受到基坑开挖的影响,既有铁路的列车动载加剧这种不良影响。在基坑开挖过程中,为了确保邻近铁路的安全,以孙渡特大桥上跨丰洛铁路桥墩施工为背景,通过建立三维有限元数值模型,分析在客车和货车不同速度下邻近既有线的基坑开挖过程中路堤的动变形规律:随着基坑不断向下开挖,路基中心处的竖向动位移和水平向动位移均增大,且水平动位移增长率大于竖向动位移增长率。60 km/h客车和40 km/h货车动荷载下路基中心的竖向最大动位移分别为3.32 mm和3.42 mm,其他情况均大于3.5 mm。最后基于铁路路基动变形3.5 mm的控制标准,提出在基坑开挖过程中客车限速60 km/h和货车限速40 km/h的控制措施可行。     

某高速铁路路基帮宽段沉降控制方案研究

沉降控制一直是高速铁路路基设计施工考虑的重要部分,然而国内外对高速铁路路基帮宽段的沉降影响研究较少。依托实际工程,研究高速铁路无砟轨道帮宽后既有路基的沉降控制方案,运用有限元软件Midas GTS-NX模拟路基填筑普通填料和轻质混凝土情况下旋喷桩、钢管微型桩的加固效果。结合施工技术的合理性,最后确定该工程条件下钢管微型桩+轻质混凝土更为合适。同时,考虑到施工影响,建议在既有线旁施工过程中放慢压桩速度,对此段高铁实行限速处理及实时监测的措施以保证安全。     

高铁滨海北站路基段环境振动试验研究与数值分析

为了研究高速铁路列车在路基段运行时引起的周边环境地面上的竖向振动特性和传播规律,进行现场试验和数值分析。实测结果表明:高速铁路路基段周边环境地面不同距离测点的Z振级均小于78 d B,振动并没有随距离衰减,只是在距离外轨30~60 m范围内有减弱;距离线路外轨30 m外的环境振动的频谱主峰频率以小于10 Hz的低频为主;振动频谱中并没有显现出高频振动衰减快、低频振动衰减慢的规律。基于FLAC3D的数值分析结果与实测值吻合良好,验证了模型的合理性,并分析群桩加固区对振动的影响,结果表明:在路基段采用群桩基础对地基进行加固,可有效降低高速铁路列车运行对路基段周边环境振动的影响。     

高速铁路大跨度桥梁温度作用下轨道静态平顺性能分析

以南广铁路主跨450 m的西江特大桥为工程背景,结合工务部门的轨道实测高程数据,对西江桥的轨面静态不平顺进行分析。结果表明,较大的温度变形并不是造成轨道静态尺寸不达标的原因,只要在轨道精调阶段摸清桥面温度变形特点,控制好轨道调整精度,就可以满足轨道高低偏差管理值要求。