铁路道床振动特性的三维离散元分析

研究目的:铁路碎石道床是一种典型的散粒体结构,为突出考虑道砟颗粒的散体特性,运用离散元法建立轨枕-道床空间耦合的颗粒流模型.通过加载高速列车动荷载时域谱,研究铁路道床在高速行车条件下的振动特性和道砟颗粒的动态响应.研究结论:通过建模和计算,将计算结果与已有试验结果相对比,验证了模型的正确性;在此基础上对铁路道床的振动特性进行分析,结果表明:动荷载作用下道砟之间的接触力按近似45°角的规律传递;相邻轨枕下方道砟颗粒的振动加速度和道砟接触力存在振动叠加作用,道砟颗粒的振动加速度、道砟接触力及道砟颗粒动位移随道床深度的增加而递减.     

刚性与柔性边界下砂离散元三轴试验力学特性对比分析

为更好地从细观角度探究砂的变形破坏规律,对比不同围压加载方式下离散元三轴试验模型的有效性。采用颗粒流软件(PFC),考虑刚性和柔性两种围压加载方式,对不同密实度的HST95砂土试样建立离散元三轴试验,并结合相关室内三轴试验结果,讨论两种围压加载方式下砂土试样的力学特性、变形特性和剪切破坏过程。研究结果表明：柔性围压加载条件下模拟效果更好,且对于相对密实度越大的试样,柔性围压加载方式优于刚性围压加载方式：与室内试验结果相比,柔性围压加载下的应力应变结果误差均在10%以内,刚性围压加载结果误差在7%～53%范围内;30%密实度与70%密实度试样在刚性围压加载下,20%轴向应变时体积应变分别约为室内试验结果的0.6倍和1.1倍,且大剪切应变下试样体积缩小与实际不符。柔性围压加载下两种密实度试样的体积应变误差在1%以内;柔性围压加载下的试样可以更好地还原侧向鼓胀变形下的剪切破坏特征,并揭示剪切带的形成发展过程。     

散体道床流变力学特性的研究

针对铁路散体道床在轨道平面中存在的特性，通过系统地实验研究和理论分析，提示道床的弹、粘、塑性等流变力学性质，建立合理的道床流变理论模型的本构关系，为进一步探讨无缝线路的受力变形特性打下基础。     

城际铁路有砟道床力学特性研究

为研究城际铁路有砟道床的力学特性,采用现场试验及PFC3D数值模拟进行研究,明确了道床横向阻力、纵向阻力、支撑刚度之间的相互影响规律,阐明了边坡坡度、轨枕埋深、砟肩宽度对道床横向阻力的影响规律,主要得到了以下结论：道床横向阻力随纵向阻力的增加呈线性增大的趋势,且横向阻力仅为纵向阻力的58%;道床横向阻力检测试验操作简单,对轨道干扰小,可以采用检测道床横向阻力来代替支承刚度的检测,再通过道床横向阻力与支撑刚度之间的线性关系进行换算;道床边坡越缓,轨枕埋深越大,砟肩宽度越宽,道床的横向阻力越大。研究成果可为后续有砟轨道的修建和养护提供参考。     

胶济客运专线道床质量状态参数试验研究

对胶济客运专线建设过程中不同施工阶段道床质量状态进行了试验研究.基于现场测试结果,通过多项式回归分析得出回归方程式,并进行绘图对比.试验研究表明:在施工不同阶段,道床状态参数达到验收标准的要求;不同施工阶段、不同机具、不同作业条件对道床状态参数的影响有所不同.试验结果可供客运专线跨区间无缝线路铺设及安全开通运营提供借鉴.     

直线电机运载系统整体道床力学特性研究

利用ANSYS有限元分析软件,建立直线电机运载系统无碴轨道的空间计算模型,将整体道床的受力变形结果与不考虑磁吸力的结果进行对比分析,得出磁吸力对整体道床的影响规律.理论分析表明,在考虑直线电机的磁吸力后,将增加整体道床的内力和位移值,据此对整体道床的设计提出建议.     

基于离散元法的有砟道床阻力特性研究

研究目的:为探究道床纵横向阻力变化特征,本文通过进行现场原位试验并采用离散单元法建立道床-轨枕三维离散元模型,研究道砟级配、轨枕埋深、边坡坡度、道床肩宽对道床纵横向阻力的影响。研究结论:(1)道床纵横向阻力随着道砟级配变宽而增大,当道砟颗粒级配为包络线上下限中间插值及包络线上限时,道床纵横向阻力满足规范要求;(2)道床纵横向阻力随着轨枕埋深增大而增大,当轨枕埋深大于150 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(3)随着道床边坡坡度变缓,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,坡度为1∶1.75或更缓时,道床纵横向阻力满足规范要求;(4)随着道床肩宽增大,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,当肩宽大于400 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(5)本研究成果对于指导有砟道床设计、施工以及提高有砟道床力学性能具有参考价值。     

双块式轨枕道床横向阻力试验与力学分析

研究目的:道床横向阻力是保持轨道几何形位及无缝线路横向稳定性的重要参数。随着有砟轨道运营技术条件复杂化,对轨枕设计和选型提出更多挑战,发展更加安全、可靠、经济、可用轨枕技术方案成为研究热点。针对国内有砟道床上铺设双块式轨枕及其横向阻力研究较少的情况,本文通过进行一系列工况下双块式轨枕和Ⅲc型轨枕横向阻力试验,研究双块式轨枕横向阻力基本特性与影响规律。研究结论:(1)在相同道床断面条件下,双块式轨枕横向阻力高于Ⅲc型轨枕,前者较后者提高幅度13.6%~25.5%;(2)砟肩宽度增加,双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力均提高,但增长效果无明显差异;(3)砟肩堆高能显著提高双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力,如当砟肩堆高从0 mm增加到150 mm时,道床横向阻力分别增加4.2 kN(51.9%)、2.7 kN(38.0%),即砟肩堆高对双块式轨枕更有效;(4)本研究结论可为双块式轨枕在我国轨道工程上的应用奠定理论和试验基础。     

黄原胶和瓜尔胶改良膨胀土力学特性试验研究

膨胀土地区铁路路基优质填料匮乏,可采用环保的生物聚合物对膨胀土进行改良。通过开展室内力学性能及微观分析试验,研究黄原胶和瓜尔胶2种生物聚合物对膨胀土力学性能的影响规律及微观机理。结果表明：黄原胶和瓜尔胶与土中矿物反应生成的胶结物能有效改善土颗粒之间的黏结强度、提高土体黏聚力,进而降低膨胀土胀缩性,提高抗剪强度和无侧限抗压强度;瓜尔胶改良土强度提升效果优于黄原胶改良土,综合考虑路基填料强度和变形,胶土比为1.0%时瓜尔胶的改良效果最优;掺入黄原胶和瓜尔胶可有效限制裂隙发展,干湿循环次数相同时,黄原胶和瓜尔胶改良土的裂隙数量和宽度显著低于膨胀土,且破坏类型从脆性破坏转化为塑性破坏;随着干湿循环次数的增加,改良土和膨胀土强度均呈衰减趋势,但相比于膨胀土,瓜尔胶改良土抗剪强度有较大提升,而黄原胶改良土稳定性更好。     

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。     

不同含泥量与含水率下铁路板结道床的冻胀特性

洁净的道床不产生冻胀,但如果道床中混入粉黏土颗粒大于12％～15％时也能产生冻胀.本文通过室内板结道床道砟中粉黏粒含量的测试,以及对不同含泥量、不同含水率下室内冻胀试验的分析,找出板结道床的冻胀特征.研究结论:通过室内板结道床道砟中粉黏粒含量的测试,以及不同含泥量、不同含水率下室内冻胀试验分析,指出了道砟中由于粉黏粒含量超标引起的冻胀率一般小于4％,道床冻胀是道砟含泥量和道床内含水率共同作用的结果,在做好防排水的同时还要注意到含泥量对道床冻胀的影响,道床的弱冻胀性对铁路线性工程措施危害性大于普通建筑物,应引起足够的重视.     

沙粒内禀尺度对道床宏细观力学特性影响研究

从数学领域的随机填充法入手,建立不同沙粒尺寸自组织轨道结构离散元分析模型,并借助"胞分法"保证沙粒粒径改变前后颗粒体系质量守恒.开展风沙区铁路轨道结构动测试验,标定接触模型的微观参数,验证离散元模型的正确性.在此基础上,利用不同沙粒粒径的数值试验,进行系统的道床宏细观力学特性分析.结果表明:沙粒内禀尺度愈小,道砟平均接...     

高速列车作用下道床表面风场特性研究

道砟飞溅严重威胁高速铁路行车安全,其受道床表面风场特性影响明显。本文采用计算流体动力学方法,建立精确考虑轨道和车底外形的精细化仿真模型。基于验证后的模型,研究道床表面风速/风压空间分布规律,拟合分析行车速度、道床面高度和砟肩堆高对流场特性的影响,给出飞砟防治建议。研究结果表明:轨枕顶面和道心处风速/风压值较大,易发生道砟飞溅;轨道表面风压幅值与车速的平方成正比,与道床面高度、砟肩堆高成线性关系;若道床面高度、砟肩堆高均降低50mm,道床表面风压幅值将分别降低29.4Pa和9.7Pa,降低道床高度的效果更明显;道砟颗粒上、下表面压差是道砟飞溅发生的根本原因,可通过控制道床表面风压幅值、提高表层道砟稳定性等措施避免道砟飞溅。     

不同pH值下水泥土力学与渗透特性试验研究

为了更加全面地研究水泥土处于不同酸碱环境时的力学与渗透特性,针对湖南地区特有的红黏土,综合考虑含水率、水灰比和水泥掺入量等因素的影响,并基于正交设计方法进行一系列试验研究,得到龄期分别为3,7和28 d时水泥土的无侧限抗压强度和渗透系数,掌握了不同酸碱环境及各个试验因素对其影响规律,并利用SPSS软件对它们之间的关系进行拟合。试验结果表明:在不同酸碱环境下,水泥土均可较好地改善红黏土的力学与渗透特性;碱性环境下水泥土的无侧限抗压强度更高、渗透系数更低,酸性环境则呈相反趋势;这3种因素对水泥土无侧限抗压强度和渗透系数影响的主次顺序均是含水率→水泥掺量→水灰比,含水率是最主要的影响因素,随含水率增加试样的强度近似呈线性降低、渗透系数则明显变大;当含水率较低、水灰比较低或水泥掺入量较大时,红黏土的pH值对水泥土渗透特性影响很弱,这些因素发生改变后,水泥土渗透特性的变化规律则各不相同。     

往复荷载下铁路道砟沉降特性的扩展多面体离散元分析

基于Minkowski Sum方法,采用扩展多面体单元构造非规则的道砟颗粒,对道砟材料在往复荷载作用下的动力特性进行离散元分析,研究其沉降量和形变刚度的演变过程。结果表明,在往复荷载作用下道砟材料的累计沉降量在变形初期增加显著,随着往复荷载次数的增加趋于稳定,其有效刚度在累计变形过程中不断增大并最终趋于平稳。本文研究表明,扩展多面体单元可有效模拟道砟材料的力学行为,研究其在列车往复荷载下的动力特性。     

不同固结度下软土的力学特性

在软土路基上修筑路堤的过程中,路基土抗剪强度指标的变化与路堤填筑时间和方式相关,考虑其间关系可以获得更安全、经济的填筑方法.通过一系列的三轴试验、直剪试验、固结试验,探讨了软土的抗剪强度随固结度的变化规律,对软土路基的安全填筑有一定指导价值.     

风积沙—土工格栅界面特性离散元研究

风积沙作为路基基床底层填料,已应用于沙漠铁路建设中,但国内外鲜有针对风积沙-土工格栅加筋结构的研究。为了研究风积沙-土工格栅界面宏细观特性演化过程及筋材的力学特性,基于三维空间模型,对土工格栅加筋风积沙拉拔试验展开数值模拟,并与室内试验对比分析。通过观测试样状态,分析拉拔阻力、格栅分段应变、配位数、局部孔隙率、应力链演化、组构各向异性演化等宏细观特性。研究结果表明：采用抗转动接触模型模拟风积沙颗粒间接触,所得拉拔力—拉拔位移曲线比较平顺,相比之前的研究更接近实际情况。拉拔结束后,越靠近拉拔端,格栅应变越大,格栅后端几乎没有应变。在筋土界面内,配位数明显降低,孔隙率明显升高,呈负相关,在界面外,两者变化则不明显。剪切带整体厚度为模拟颗粒中值粒径的4.93～5.79倍,界面内发生的剪胀程度不同,上界面剪切带厚度大于下界面剪切带厚度。上覆荷载对剪切带的分布有明显影响,当法向压力低于30 kPa,随着法向压力的上升,剪切带上下界面的不对称性减弱,最大平均水平位移和剪切带整体厚度迅速减小。当法向压力在30～90 kPa内,随着法向压力的上升,上下界面剪切带厚度差值、最大平均水平位移逐渐减小,剪切...     

不同边界条件下道砟沉降及受力状态的离散元模拟研究

为研究边界条件对循环荷载作用下道砟的力学特性的影响,采用三维扫描技术生成真实形状的道砟颗粒,通过离散元方法模拟单轨枕道砟箱试验。引入侧向周期边界与底部文克勒弹性路基边界以更好地模拟道床的真实受力状态,并与刚性边界道砟箱模拟结果进行对比,探讨侧、竖向边界条件对道床沉降的影响。此外,从细观上分析各边界条件及组合下的道床受力状态,对比周期边界与刚性边界下侧边区域颗粒运动的趋势。研究结果表明：相较于刚性墙边界,周期边界与文克勒弹性路基边界下的道砟沉降量增大、道床弹性模量减小。不同于刚性边界的位移约束,周期边界侧边区域颗粒的位移增大,运动方向更分散,局部孔隙率减小,颗粒平均接触数增大,且平均侧向接触力减少了约41%,表明侧向周期边界处道砟颗粒存在咬合作用且运动方向不受限。在刚性墙模型中引入底部文克勒路基边界后,平均侧向接触力增加了19%,但分布范围没有发生明显变化。针对单轨枕试验的边界条件,考虑侧、竖向边界条件可以更好地模拟道砟的真实受力状态。     

温度循环下CA砂浆力学特性与微观结构试验研究

对-20～80℃环境温度循环下的CA砂浆试件开展单轴压缩试验,分析其力学性能与循环次数的关系,并应用CT扫描技术分析循环过程中砂浆各组分的变化,进而从微观结构解释其力学性能变化机理。试验结果表明:砂浆力学性能在循环初期较为稳定,35次循环后弹性模量开始增大,120次循环后砂浆已基本失去塑性。CT扫描结果表明:温度循环下砂浆中乳化沥青不仅发生了老化作用,还发生了软化迁移,这种微观结构的物理化学变化导致砂浆弹性模量快速增长。     

水泥改良土的物理力学特性试验研究

介绍了水泥改良土的作用机理,通过室内和现场试验,分析了水泥改良土击实性、水稳性、强度特性、刚度特性等物理力学特性。研究结果表明:水泥掺量对水泥改良土水稳性的影响及养护龄期对其强度的影响显著,检测时间对其地基系数K30测试结果影响最大。从水稳性角度考虑,建议高速铁路路基水泥改良土的水泥掺量不宜小于3%。