基于高速铁路路基冻胀的无砟轨道受力特征

研究目的:季冻区高速铁路路基冻胀变形较为普遍,局部冻胀变形会给无砟轨道受力带来较大影响,甚至有可能带来结构层开裂。为此,本文建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型,以路基冻胀变形曲线作为冻胀变形的输入条件,分析路基冻胀变形波长和幅值对不同类型无砟轨道结构受力的影响,同时对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板凹槽限位优化为凸台限位方案以及下部设置沥青混凝土封闭层的影响进行分析。研究结论:(1)路基冻胀变形幅值越大,冻胀波长越小,无砟轨道结构层应力均越大;(2)双块式无砟轨道在路基冻胀下道床板和支承层应力较大,易产生开裂,不宜应用于季冻区;(3)底座板限位凹槽是CRTSⅢ型板式无砟轨道在基础冻胀变形下的受力薄弱环节,将其优化为凸台后,能够较大程度降低结构在基础变形下受力;(4)在CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板下设置沥青混凝土层时,轨道板及底座板应力均有降低趋势,沥青混凝土层弹模越低,应力降低幅度越大;(5)本研究结论可为基础冻胀变形控制标准的制定和季冻区高速铁路无砟轨道的选型提供参考。     

严寒地区高速铁路路基地段无砟轨道设计

严寒地区铺设无砟轨道面临极端气温低、年温差大、季节性冻害和雪害等不利条件。本文结合环境气候特点和工程特征,通过轨道结构选型研究、无砟轨道试验段铺设试验、轨道结构优化设计,提出了适应严寒地区路基地段无砟轨道的结构形式、设计方案及关键材料的技术指标。     

无砟轨道铁路路基冻胀问题探讨

由于无砟轨道对路基变形和差异变形要求严格,在冻土地区建设无砟轨道高速铁路,需要对路基的冻胀问题加深研究。既要研究适用于无砟轨道路基的不冻胀土填筑材料的标准,又要研究冻胀的预防或治理。无砟轨道路基防冻胀应采取地表水防渗、疏排地下水和严格控制填料及其压实后的细颗粒含量等工程措施,确保冻结深度内路基土的含水量在其不冻胀的范围内。需要研究切实有效的路基防渗结构,并采取疏排地下水的工程措施。尤其是路堑地段,除了基床表面防渗外,还需要采取侧向防渗结构,并与盲沟结合。     

季节性冻土区高速铁路新型防冻胀路基力学特性研究

着眼于季节性冻土区高铁路基防冻胀填料改良及路基保温措施,提出纤维泡沫混凝土作为基床表层填料或保温强化层材料的防冻胀路基结构形式。对纤维泡沫混凝土进行物理力学特性及抗冻融耐久性试验,在此基础上采用有限元仿真分析级配碎石基床、纤维泡沫混凝土基床、保温强化层基床3种路基结构的层间剪切应力、竖向应力、竖向位移等力学参数。结果表明:纤维泡沫混凝土具有良好的保温特性及冻融耐久性,其作为基床表层填料与级配碎石相比,路基结构力学参数均得到改善;其作为保温强化层材料可有效降低级配碎石基床表层剪切应力的最大值,提高路基结构整体稳定性。在一定程度上证明了纤维泡沫混凝土作为季节性冻土区高铁路基防冻胀材料的可行性。     

高速铁路无砟轨道路基冒浆整治技术

立足于排、堵、注一体化设计理念,提出无砟轨道路基冒浆成套整治技术。首先采用聚合物混凝土在线间封闭层上浇筑排水明沟,然后采用硅酮嵌缝材料替换接缝处失效的嵌缝材料,最后采用灌浆材料注浆填充道床与路基层间的离缝。对于道床与路基层间小于10 mm的离缝,采用低黏度聚氨酯灌浆材料垂直注浆填充;对于道床与路基层间大于10 mm的离缝和空洞,采用聚合物改性水泥基灌浆材料侧向注浆填充。细化了排水强化、防水修复和注浆填充的具体施工工艺,对无砟轨道路基冒浆整治提供了有效指导。     

季节性冻土地区高速铁路路基保温技术试验研究

合理的防冻胀基床结构是季节性冻土地区高速铁路防冻胀的关键。本文通过开展哈大高速铁路正线与线外现场足尺试验,对局部保温措施与全断面保温措施的有效性进行了研究。试验结果表明:路肩和线间局部保温措施只能减小保温部位的冻结深度和冻胀,不能抑制轨道结构处的冻胀,不适用于季节性冻土地区高速铁路防冻胀设计;全断面保温措施能够降低轨道结构处的冻结深度和冻胀,有较好的防冻胀效果,季节性冻土地区高速铁路路基可采用全断面保温基床结构进行防冻胀设计。     

高速铁路无砟轨道路基面支承刚度研究

研究目的:为描述高速铁路结构设计中路基和地基的整体结构性能,提出并解释了路基面支承刚度概念,并对其工程意义及设计检测方法进行探讨.研究结论:路基面支承刚度是无砟轨道结构分析的重要参数,也是实现无砟轨道线下基础纵向刚度匹配的关键指标,可用于描述基床表层顶面对轨道结构地面的结构支承性能,同时也可作为轨道结构对路基结构性能的要求.通过对路基层状体系竖向刚度组合优化设计,可以实现路基面支承刚度的控制;通过不同断面的路基竖向刚度组合设计,可以实现线路纵向刚度调整,实现路基与其它构筑物刚度匹配.路基面支承刚度可通过承载板试验进行测试,承载板面积宜为1.0×1.0 m2～1.5×1.5 m2.     

高速铁路无砟轨道路基沉降监测和研究

研究目的:高速铁路对路基工程工后沉降控制十分严格,路基工程工后沉降主要为铁路铺轨完成后地基的残余沉降。石家庄—武汉高速铁路设计标准为时速350 km,全线无砟轨道。为研究地基加固措施的科学性,在建设过程中,选取代表性试验工点对复合地基沉降进行监测和研究。研究结论:采用桩+板结构和CFG桩复合地基联合堆载预压措施加固深厚松软土地基,施工期沉降约占最终总沉降的72%～85%,有效地控制了路基工后沉降,整个区段内纵向沉降较为均匀,符合区段路基铺设无砟轨道要求,加固措施有效可行。     

高速铁路无砟轨道路基动应力频谱特性研究

通过建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8列编组的CRH380A型动车组运行过程,计算揭示高速列车荷载作用下路基内部动应力时空分布规律及其频谱特性。研究结果表明:路基竖向动应力时程呈现驼峰或波浪型周期性变化。动应力在基床范围内迅速衰减达60%,且基床表层或轨道边缘下方路基中衰减较为剧烈。路基承受的动应力作用频率为车长对应频率1-4的整数倍,主要受车辆长度、转向架间距及列车速度等因素控制,轨道不平顺没有改变路基承受荷载的主频率。依据动应力时程曲线及其频响特征,建立轴重为140 k N的高速列车在CRTSⅡ型轨道板上运行时路基各结构层所受荷载的函数实用表达式,为路基填料的动力试验与路基结构设计提供荷载参考依据。     

高速铁路无砟轨道路基质量控制指标研究

研究目的：高速铁路无砟轨道对路基的耐久性和刚度提出了更高的要求，为确保质量控制，中德都建立了一套相应的质量控制标准，这两种标准之间既有联系也有区别，开展中德路基质量控制指标对应关系的研究，可以借鉴国外比较成熟的经验，尽快完善适合中国国情的路基质量控制标准。研究方法：首先从理论上对中德高速铁路无砟轨道路基填筑质量控制标准的指标进行了对比和分析，指出了2种标准之间的联系以及不同之处；再结合路基填筑实例，分别采用中德两种规范进行相关试验，建立了该试验条件下的中德规范指标之间的对应关系。研究结果：中国标准中用统一的孔隙率值来控制中、粗粒土的压实质量有待进一步研究。研究结论：对具体的填料，应通过相应的击实试验确定与密实度控制指标对应的孔隙率值；采用Ev2／Ev1比值可用于间接验证填料达到的密实度；如和Ev1之间存在良好的相关关系。     

寒冷地区高速铁路路基上无砟轨道伸缩缝防渗水优化设计

针对严寒地区路基段板式无砟轨道伸缩缝封闭不严及裂缝过大引起的渗水问题,通过对不同密封材料的对比,提出了采用新型聚氨酯密封胶的封堵方案,并介绍伸缩缝整修的施工工艺。实践证明,使用聚氨酯密封胶对无砟轨道伸缩缝进行整修,施工操作简便,防水效果较好。     

高速铁路无砟轨道监测技术

总结我国高速铁路无砟轨道结构形式,分析运营过程中可能存在无砟轨道上拱、梁端凸台或底座开裂、扣件失效、砂浆层离缝、轨道结构开裂、线下基础沉降等问题,提出采用电阻应变片式、振弦式、光纤光栅、电涡流非接触式、无线传输、远程监控、预警机制等测试和监控方法以及道岔区板式无砟轨道综合监测、桥上42号道岔区及临时端刺区受力和变形监测、隧道内CRTS I型减振型板式无砟轨道减振测试、CRTSⅡ型板式无砟轨道温度及变形监测等应用实例。并探讨采用高清摄像头图像识别、利用红外热成像、利用光纤的振动和声学传感等新技术在无砟轨道安全监控中应用。     

路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

纵连式无砟轨道在路基冻胀区域极易产生轨道结构断裂破坏及结构层离缝等病害。为研究纵连式无砟轨道在路基冻胀状态下的损伤机理,文章建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型,对路基冻胀状态下轮轨动力响应特征、轨道结构动力响应特征及影响因素进行分析。结果表明:路基冻胀波长为10 m时,双块式无砟轨道各动力特征达到最大值;冻胀波长大于20 m时,各动力特征逐渐趋于稳定;列车荷载在层间离缝位置处使得轨道结构反弯,轨道结构层顶部纵向拉应力增大;20 m以下冻胀波时,拉应力超过或接近设计强度值;无砟轨道各动力响应特征最大值随冻胀幅值的增加显著增大,季冻区施工及运营期间应控制冻胀幅值增加。     

高速铁路无砟轨道路基上拱变形整治研究

研究目的:随着国内高速铁路飞速发展,高速铁路网覆盖范围越来越大,遇到的地质条件趋于多样化与复杂化,运营过程中病害类型较多,其中无砟轨道路基上拱变形问题在近年陆续显现,严重影响轨道的平顺性与行车安全,因此有必要深入研究其上拱变形的机理和整治方案,以确保高铁高速运行的安全。研究结论:(1)高速铁路路基填料应特别警惕硫铁矿伴生的硫酸钙盐矿物含量,其与水结合吸收结晶水发生水化反应形成二水硫酸钙,导致体积竖向膨胀上拱2.68%～6%,具有遇水膨胀但失水不收缩的特性;(2)上拱变形规律是冬春季细雨低温下填料含水量不断上升导致上拱膨胀量持续增大;夏秋季升温蒸发后失水,含水量减小,膨胀上拱趋势减弱;大气降水影响填料膨胀变形的深度在1～2.3 m;(3)轨道板下膨胀填料单元整体受力处于非刚性有限约束,基床表层及基床底层的折减经验系数宜分别按0.45与0.55取值;(4)在不同的限制条件下宜采用不同的整治方案,开通前或有单线封锁条件的情况下可采用揭板明挖法,在限速运行及天窗条件下宜采用暗挖置换方案;(5)本文所述各方案整治效果明显,整治经验可为今后类似工程提供借鉴与参考。     

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。     

高速铁路无砟轨道区段路基上拱整治技术

高速铁路桥涵过渡段路基上拱造成无砟轨道高程异常,超出扣件调整范围,成为高速铁路运营维护的一大难题。为恢复上拱段无砟轨道结构的稳定性、平顺性和线路允许速度,开展了路基上拱整治技术研究,提出合理整治措施,并予以实施。通过安装分层自动监测系统和钻芯取样,分析上拱原因。采用切割、减薄支承层、注浆植筋、落道整治等措施解决了无砟轨道高程超限问题。并制定了防排水措施。上述探索初步给出了一套完善、切实可行的高速铁路无砟轨道区段路基上拱整治技术和方法。     

高速铁路无砟轨道振动分析

研究目的:通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续双层梁模型,提出分析高速铁路弹性支承块式无砟轨道结构振动的数值方法,为无砟轨道结构设计提供指导.研究结论:对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应.线路随机不平顺是根据实测的功率谱函数在计算机上生成的.相对于其它复杂的车辆-轨道耦合动力学模型,该方法简单可行,借助于Matlab软件使得程序编制容易实现,且能反映轨道振动的基本规律和特点,尤其适合于整趟列车通过时轨道结构振动分析的情况.作为应用实例,对高速铁路弹性支承块式无砟轨道进行了振动分析,分析了线路不平顺等级、轨枕垫板和弹性扣件刚度、轨道基础刚度和列车速度对轨道振动的影响,得到了轨枕块橡胶垫板静刚度和橡胶套靴静刚度的合理设计值范围分别为60～90 MN/m和120～150 MN/m.     

高速铁路无砟轨道—路基变形计算模型的研究

基于高速铁路路基工后沉降产生于地基沉降变形的机理及无砟轨道各结构层间关系的处理,研究高速铁路无砟轨道—路基变形计算模型。以双块式无砟轨道为例,以下部边界分别为地基面和路基面,道床板与支承层间的关系分别按层间接触和层间结合良好考虑,构建不同条件下的无砟轨道—路基变形计算模型。采用ABAQUS软件进行模型的计算,结果表明,下部边界为地基面和层间关系按接触考虑的计算模型能够反映轨道长波不平顺产生于路基变形的机理,计算结果符合双块式无砟轨道实际的结构特点和受力特征;而下部边界为路基面和按层间结合良好构建的无砟轨道—路基变形计算模型,由于支承层直接承受输入的"强制性"变形荷载,改变了无砟轨道适应路基变形的协调关系,从而导致路基变形引起的无砟轨道层间离缝及支承层产生的拉应力计算值过大,不符合双块式无砟轨道的结构设计原理。由此验证了下部边界为地基面及无砟轨道各结构层按层间接触构建无砟轨道—路基变形计算模型的合理性和可靠性。