铁路碎石道床雷达检测技术研究与应用进展

为促进有砟轨道道床修理由周期修向状态修转变，亟需发展碎石道床状态快速无损检测技术。从碎石道床电磁特征、状态识别方法及检测技术应用状况进行分析总结，选择高频地质雷达方法进行了试验验证，探讨道床雷达检测技术研究现状和发展趋势。结果表明，构建雷达信号时频特性表征指标，采用不同脏污程度样本进行标定可实现道床状态量化评价；雷达信号频域面积、信号扫描面积、信号时间轴交叉点数等3个表征指标敏感性强；收集多场景雷达数据并开展标定试验是建立道床状态量化评价标准的重要手段；开发车载式测试系统、建立状态评价指标体系是我国科学化制定道床修理策略的必经之路。     

基于车载探地雷达的重载铁路道床脏污指数提取研究

车载探地雷达信号响应谱的振幅和包络特征可以间接关联有砟轨道道床脏污状态,路基、桥梁、隧道等3种线路环境下检测信号存在差异,由雷达信号提取道床脏污指数时需要求同存异。针对现有道床脏污率提取算法仅用于路基雷达数据的不足,需根据全线不同线路雷达信号特征改进道床脏污指数计算方法。通过设置合理的铁路路基模型,数值模拟路基、桥梁、隧道3种线路环境上不同脏污程度时的雷达信号响应,并在相应线路下进行现场雷达测试和挖验试验。结果表明：路基、桥梁、隧道3种线路环境下,以功率谱曲线振幅最大值或包络面积构成的道床脏污指数与道床脏污率均呈正相关,且计算桥梁线路下雷达信号功率谱响应时需截断时间窗口中的梁体反射信号,隧道线路下无需截断仰拱反射信号,可类似于路基线路进行计算,该结果为利用探地雷达对全线道床脏污水平评估和预测奠定了重要基础。     

探地雷达在评价道床清筛质量中的应用

朔黄铁路重载综合检测车在国内首次集成了路基道床检测系统。该系统由朔黄铁路公司与英国Zetica公司联合研发,采用美国GSSI公司SIR-30型4通道探地雷达及英国Zarp雷达处理软件,可对道床脏污指数、厚度等指标进行检测,并得出定量化评价指标。朔黄铁路公司探索性地利用该系统对道床清筛质量进行评价,并对清筛后道床脏污发展情况进行跟踪分析,通过对比清筛前后道床状态数据,验证了检测数据的可靠性及道床脏污数学模型的可信度。     

运煤专线车载探地雷达道床不洁率提取算法

运煤专线道床脏污乃细颗粒介质日积月累渐次沉积造成,且脏污道床介电常数与脏污程度呈正相关,这为利用雷达信号提取道床脏污水平提供了物性前提.综合考虑道床脏污程度的渐增特性、轨枕干扰等因素对目标信号的影响,本文通过包容目标信息的一定时域信号的功率谱来提取道床脏污指数.数值模拟及足尺标定线模拟结果表明:利用功率谱响应的频段积分值构成的脏污指数与道床不洁率呈正相关;根据标定线上获取的脏污指数与不洁率转换关系式,可应用于同一车载探地雷达测量参数下沿线道床脏污水平评估.结合实测数据及挖验结果,验证了算法的可靠性.     

GPR检测铁路路基双随机控制性建模研究

探地雷达是检测铁路路基的一种有效方法,正演仿真可以有效揭示其检测特征,但常规均质模型无法模拟出铁路路基中的大空隙率道砟层形态。为精确模拟道床中碎石道砟的形态及控制空隙率,提出双随机控制性建模方法,并对比常规均匀层状介质建模方法和焦柳线检测数据,分析在路基基本结构、道床基床部分混合和基床土侵入道床三种状态下的特征得到:该方法避免了道砟层介电常数的估算,层界面更加精确;该方法显示出大空隙率道砟层会导致层界面上下出现弱振幅的同相轴;基床土侵入道床区域会形成强反射并且下部界面同相轴呈凹形断裂。结果表明该建模方式能精确模拟探地雷达检测铁路路基特征,且优于常规均质建模方式。     

高速铁路有砟道床纵向阻力滞回曲线特征及规律研究

针对有砟轨道道床纵向阻力的强非线性特点,通过足尺试验模型,在不同加载速率和位移极值的周期性纵向荷载作用下,研究散体道床的纵向阻力滞回曲线特性及规律。结果表明:散粒体道床在周期性荷载作用下的卸载曲线与加载曲线不重合,加、卸载曲线形成一条闭合的、呈中心对称的滞回曲线;滞回曲线的形态特征并非理想的滞回状态,滞回环面积随位移幅值的增加线性增大;位移幅值越大道床能量耗散系数越大,道床耗能能力越强,滞回曲线越饱满;道床的动刚度近似随荷载循环周次的增加线性递减;滞回曲线分段刚度值受位移幅值影响明显,不同位移幅值下的滞回曲线分段刚度值不同。有砟道床纵向阻力具有滞回特性说明其正常使用状态存在动态耗能行为,有助于深入研究高速条件下有砟线路的高稳定性、高可靠性和高安全性。     

曲线地段钢弹簧浮置板轨道振动 特性试验研究

为探究曲线地段钢弹簧浮置板轨道结构振动特性,分别在钢弹簧浮置板轨道和普通道床的曲线地段进行现场测试,采用短时傅里叶变换对测试数据进行时-频处理,分析轨道结构振动时频特性。相比普通道床,在钢弹簧浮置板轨道中,钢轨和道床板振动幅值增大,振动频率向高频移动;道床板时频分布的峰值频率与车辆类型和激励原因有关;浮置板轨道中,隧道壁垂向加速度级减小23 dB,横向加速度级则增大6 dB,主要表现在8～50 Hz;隧道壁振动受到轨道板横向振动激励和浮置板轨道振动传递特性两者的影响,通过这个角度解释了曲线地段地段浮置板轨道中隧道壁横向振动放大的原因。     

弹射冲击荷载作用下不同等级铁路承载能力评估

为了从动力学角度评估重载、Ⅰ级和Ⅱ级等不同等级铁路在弹射冲击荷载下的承载能力和作为无依托发射场坪的适应性,运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立3种等级铁路的弹塑性轨道—路基动力有限元模型。通过动力有限元计算,获得弹射冲击荷载作用下轨道和路基的动力响应特征,对比分析其响应幅值沿线路横向、纵向和垂向的分布规律。根据我国《铁路轨道强度检算法》和《铁路路基设计规范》对钢轨动应力、轨枕轨下承压力、道床顶面压应力、基床表层动位移和基床底层动应力等5个指标分别进行校核。研究结果表明,在同一弹射冲击荷载作用下,3种等级铁路同一结构层动力响应幅值沿线路分布规律基本一致,仅幅值不同,Ⅱ级铁路响应幅值最大,Ⅰ级铁路次之,重载铁路最小,道床和路基的动力响应幅值沿横向、纵向和垂向衰减速率亦然。弹射冲击荷载作用下,3种等级铁路钢轨拉应力和压应力、轨枕枕下承压力、道床顶面压应力、基床表层动位移和基床底层动应力最大值均不超过相关规范值,完全卸载后轨道和路基不会出现塑性损伤变形。从动力学角度考虑,重载、Ⅰ级和Ⅱ级等3种等级铁路均满足承载要求,可作为无依托发射场坪使用。     

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。     

基于探地雷达的路桥过渡段病害检测识别方法

由于桥梁护轨与路基的结构差异导致过渡段处探地雷达信号出现边界效应干扰,无法判读该区域路基结构与病害情况。针对这一问题,本文提出了一种探地雷达信号边界效应压制算法。首先定位探地雷达信号中桥梁的里程范围,采用适当的重采样方法,形成滤除桥梁结构的时空过滤筛,再进行常规信号处理,最后将桥梁结构的探地雷达信号移回相应位置,得到最终的处理结果。采用实测数据进行了测试试验。结果表明:经该方法处理后,过渡段处探地雷达图像信噪比显著提高,可以更准确地辨识下沉、含水异常等病害以及道床与基床表层界面。     

路基探地雷达图像层位智能识别与状态评价

针对有砟铁路路基层位探地雷达图像人工追踪效率低、精度低的问题，提出了基于深度学习的路基层位智能识别与状态评价技术。根据多条线路现场实测数据建立样本集，基于YOLO v5和U-Net训练智能识别模型，提出了层位厚度、道床-基床界面平整度评价指标计算方法。结果表明：本文提出的有砟铁路路基层位智能识别方法具有较高精度，且U-Net模型识别效果优于YOLO v5模型，识别、评价结果与人工追踪结果偏差较小，满足铁路路基检测工程的实际需求。     

盾构隧道下穿既有铁路路基及桥梁桩基施工过程影响分析

1 工程概况 北京地铁10号线草桥—樊家村站区间从东往西连续穿越京九铁路路基和京沪高铁桥梁群桩基础,区间隧道为6m直径的盾构隧道,隧道埋深14.9 m,静止水位埋深约25 m,隧道所处地层从上至下依次为杂填土、细中砂、砂质粉土、粉细砂、新近沉积卵石、粉质黏土、第四纪晚更新世冲洪积卵石等,下穿段隧道穿越地层为第四纪晚更新世冲洪积卵石层. 京九铁路为两股道,碎石道床,钢筋混凝土轨枕,轨道类型为60 kg/m,基础形式为路堤,高出正常路面4～5m.区间右线隧道与铁路斜交61°,相交段长约33 m;左线隧道与铁路斜交70 °,相交段长约30 m.     

盾构下穿高速铁路路基与隧道的变形传递机理及特征研究

以5个盾构隧道下穿既有高速铁路隧道或路基工程为依托,通过对既有结构沉降数值模拟计算,研究得到了既有高速铁路工程结构在盾构下穿过程中的变形和传递规律;通过已完工的3个工程案例的结构及轨道现场变形监测数据与理论计算结果对比,验证了模型准确性。研究结果表明：（1）隧道刚度越大,相同条件下轨道与结构的差异变形就越小,盾构隧道与路基U形槽的钢轨差异变形较明挖法隧道增大约25%,最大的差异变形均发生在隧道结构与无砟轨道支承层之间,总差异沉降占比约为60%～85%,而采用碎石道床的计算路基沉降与轨道道床沉降基本一致;（2）不同地层条件对隧道-轨道的变形传导规律无明显影响;（3）在相同结构变形条件下,Ⅱ型板式无砟轨道的轨道变形小于Ⅲ型板式无砟轨道,2种无砟轨道变形传递主要发生在底座板与中间层之间。通过对以上工程的分析以及规律的研究,可为类似盾构下穿高速铁路路基与隧道工程的工前预测准备提供借鉴。     

200 km·h-1提速线路涵洞综合试验研究

在陇海线郑徐段200 km·h-1提速区段上对5座涵顶填方厚度为0.52～0.85 m的涵洞,采用160km·h-1提速列车分别在其上、下行线(上行铺设弹性轨枕,下行铺设普通轨枕)拉锯运行,实测和分析车辆、轨道、涵洞和路基动力响应的各种参数,并仿真分析200 km·h-1提速列车通过涵洞时的动力学性能.结果表明在路基状态良好、道床厚度为30 cm以上时,不管铺设弹性轨枕与否,均能满足200 km·h-1提速列车运行安全性、平稳性和乘坐舒适性的要求;在填方厚度不足1.2 m的涵洞区段,枕下支承刚度存在不均匀现象,其程度受路基状态、涵洞跨度及结构形式的影响,路基状态良好地段的不均匀现象不明显,反之则比较突出;铺设弹性轨枕可调整枕下支承刚度,降低道床振动加速度,但轨枕垂向位移、振动加速度以及钢轨动弯应力有所增大;涵顶的填方厚度能够有效降低涵顶的振动幅值和动力系数,而弹性轨枕对涵顶的振动幅值和动力系数基本没有衰减作用.     

路基阴阳坡冻胀对过渡段无砟轨道受力与变形的影响

铁路路基冻胀受阳光照射角度影响,存在冻胀幅值在线路横向分布不均匀现象,即阴阳坡效应。为研究路基阴阳坡冻胀对路桥过渡段无砟轨道受力与变形的影响,建立无砟轨道-路桥过渡段空间耦合模型,分析路桥过渡段阴阳坡效应比、冻胀幅值、冻胀波长与列车荷载等多种因素下轨道结构受力、层间离缝与钢轨不平顺等特征。研究结果表明：路基冻胀的阴阳坡效应对底座板应力分布及轨道几何不平顺影响较大。阴阳坡效应比从0增至1的过程中,底座板阴坡的应力增幅可达18.6%,钢轨垂向变形量相差可达1.94 mm;冻胀波长10 m,冻胀幅值从5 mm增至10、20 mm时,离缝量增幅可达2.26倍与1.87倍;冻胀幅值10 mm,冻胀波长从10 m增至20 m时,底座板应力减小73.37%,离缝量减小81.66%;路基冻胀导致车辆动力响应大幅增加,路基冻胀的阴阳坡效应导致车辆横向动力指标增大。     

盾构下穿高铁路基沉降控制标准及控制措施分析

为研究盾构隧道下穿高铁路基的沉降控制措施及其效果,以西安地铁 1 号线三期工程盾构下穿徐兰高铁 段工程为背景,通过对现行规范及既有类似工程案例的分析、结合既有无砟轨道的现状,确定了本工程隧道下穿 高铁无砟轨道路基的控制标准,并以此选定了盾构隧道下穿高铁路基的盾构、加固以及辅助控制变形措施,依据 施工方案并结合工程实际情况,理论分析了影响分区的判别准则及判别阈值,进而划分了铁路路基受到不同影响 的分区,通过数值模拟的方法分析拟定施工方案的实施效果。结果表明：采用盾构下穿高铁路基避开 CFG 桩 (水泥粉煤灰碎石桩)且进行地面袖阀管注浆加固的方案能够满足工程要求,道床的最大竖向位移为 4.716 mm, 最大水平位移仅为 0.301 mm;CFG 桩的最大竖向位移为 11.93 mm。     

铁路路基安全系统在线路检测中的应用

路基检测是新线验收、既有线大中修和病害整治的基础性工作。铁路路基安全系统可检查道碴质量、数量、密实度及排水状况,可根据道碴层厚度的变化,确定道碴囊、承载力不足区域和翻浆冒泥病害位置。系统安装在轨检列车上进行检查时,可同时绘制多个剖面,测量速度100km/h,无须封闭线路。该系统基于多通道和多频率雷达技术,用高速雷达对铁路路基进行快速、连续和全面的无损检测。使用专业的数据处理软件,可得出道碴层的厚度、湿度分布、脏污程度,保护层厚度、湿度分布,路基平整度,基层湿度分布以及路基横截面相关信息,并通过专家系统直接给出路基状态的明确判断。     

黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的模拟研究

为探究黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的影响,为工程设计提供理论支持。利用ANSYS建立土体-隧道-道床平面有限元模型,分析在5～25 Hz频率荷载的作用下,整体道床和黏弹阻尼道床在隧道结构中的振动响应,并分析这两种道床下地表距离隧道中心线不同距离的振动加速度的衰减特性。结果表明:荷载频率小于10 Hz时,在地表距离隧道中心25 m左右,振动有明显的放大区域;荷载频率为10～20 Hz,振动加速度随道床阻尼层厚度降低,阻尼层越厚振动衰减越明显;随着黏弹阻尼道床阻尼层厚度增加,隧道衬砌底部振动加速度有效值依次降低,隧道壁竖直方向振动衰减更加明显,阻尼层每增加2 mm,振级降低1～4 d B。     

CFG桩桩-网结构地基抗液化性能数值分析

以京沪高速铁路液化土地基加固为背景,采用数值分析方法,通过各级加载情况下地基路基加固前后液化区域分布及超静孔隙水压力变化规律的分析,对水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)桩-网结构地基加固饱和粉土地基进行抗液化性能研究.研究表明,未加固饱和粉土地基在加载加速度大于0.2g时,几乎全部液化;加固后饱和粉土地基在加速度幅值为0.1g时,加固区以外的饱和粉土地基面附近有小面积的液化,随着加载加速度的增大,加固区以外的饱和粉土地基面积液化进一步加大,并逐渐向桩间土发展,当加速度幅值达到0.4g时,路基发生完全液化;超静孔隙水压力随加载加速度幅值的增加而增大.CFG桩桩-网结构地基能够有效地抑制超静孔隙水压力的上升,从而提高地基的抗液化能力.     

遂渝铁路无碴轨道路隧过渡段路基面动应力测试分析

通过对遂渝铁路无碴轨道综合试验段路隧过渡段路基动力学响应的现场实车测试,分析在CRH2动车组和C80重载货物列车作用下的路基与隧道刚性渐变混凝土过渡段的路基面动应力响应特性。测试数据表明:行车速度的提高对路基面动应力的增加影响显著,路基面动应力沿线路纵向基本呈波浪型台阶变化,轴重对动应力的幅值和速度影响系数、沿线路纵向的动应力变化坡度都有一定的影响。