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。     

隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条件下冻胀率为1.31%。根据哈齐客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值方法分别对季节冻土区既有和新建的客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,计算结果表明:对于新建路基,在路基面铺设10 cm厚隔热层和保温护坡措施后路基的保温效果良好,可以起到对路基冻害的预防作用;对于既有路基,采用在路基面(轨道板处除外)和边坡位置铺设隔热层措施,路基的保温效果不明显。     

路基冻胀对CRTSⅢ型板式轨道变形的影响研究

研究目的:严寒地区高速铁路路基冻胀变形时常出现,局部冻胀变形不仅影响无砟轨道的平顺性,还可能导致层间离缝发生。为此,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统有限元模型,以分析不同路基冻胀波长和路基冻胀幅值下轨道结构的变形特征。研究结论:(1)路基冻胀作用下轨道结构各层的上拱变形与路基冻胀波形基本一致,轨道结构各层的变形受路基冻胀位置影响较大;(2)轨道结构各层的变形、轨道结构层间离缝以及轨道结构各层的上拱波长均随路基冻胀幅值的增大而增大,且底座板与路基表层的离缝远大于自密实混凝土与底座板间的离缝;(3)随着冻胀波长的增加,轨道结构各层的位移、轨道结构层间离缝随之减小,但轨道结构各层的上拱波长逐渐增大;(4)冻胀波长增大对轨道结构变形和减小层间离缝有利,路基冻胀幅值限值应根据冻胀波长来确定;(5)本研究成果可为路基冻胀变形控制提供参考。     

高速铁路路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,开展高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对高速轮轨系统的动力学影响研究,分析不同程度的路基不均匀冻胀变形对高速车辆-轨道耦合系统振动响应的影响规律。研究结果表明:路基的不均匀冻胀变形会加剧轮轨动态相互作用,对行车安全性和乘车舒适性产生不良影响,同时易引起较强的轨道结构振动,进而影响轨道结构的长期服役性能;随着路基不均匀冻胀变形波长的减小和冻胀变形幅值的增大,高速车辆-轨道耦合系统的垂向振动动力学指标均出现增大趋势,研究发现应重点关注波长20 m以内的路基不均匀冻胀变形及其幅值的增大;对于路基不均匀冻胀变形较严重地段,可通过适当降低车辆的运行速度,以有效降低轮轨系统的动态相互作用,从而减小路基不均匀冻胀变形对高速行车安全性的影响,但是,限速措施对于改善高速乘车舒适性的效果并不明显。     

无砟轨通路基翻浆病害整治措施探讨

无砟轨道路基翻浆病害会影响线路稳定,造成安全隐患.介绍了某无砟轨道线路存在的路基翻浆病害,分析了病害成因,并提出了注胶、疏排和封堵相结合的整治措施,整治后效果良好,措施对类似工程有借鉴作用.     

路基冻胀-融化-沉降循环作用下高速铁路板式无砟轨道伤损演化与变形分析

为研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下,无砟轨道结构的伤损演化规律和变形特性,基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型。计算结果表明:(1)小波长条件下,底座板在冻胀过程中易在幅值两侧对应第一块轨道板的板端萌生损伤,但随波长的增加,轨道结构塑性损伤得以缓解;(2)路基冻胀-融化-沉降循环作用引起轨道不平顺,其幅值呈增加-减小-反向增加的变化趋势,但波长较小时,反向增加的幅度极小;(3)路基回落过程中,轨道结构存在部分残余变形;(4)底座板与基床表层间的离缝呈张开-闭合-张开的循环性变化规律,离缝宽度随路基变形幅值的增大而增大;(5)路基变形波长对离缝宽度及纵向分布有极大影响。     

路基不均匀沉降对双块式无砟轨道结构受力影响分析

路基不均匀沉降分为正（余）弦型、错台型和折角型,对无砟轨道的影响主要考虑线路纵向正（余）弦型不平顺。应用有限元法计算路基不均匀沉降对轨道结构的影响,采用弹性地基上的梁板计算模型和叠合梁计算模型计算基础变形的无砟轨道荷载弯矩,并进行比较分析,两种模型的计算结果吻合较好。路基不均匀沉降对双块式无砟轨道结构的受力影响较大,建议对双块式无砟轨道变形特别是因线下工程沉降引起的永久变形制定控制标准,设计和检算考虑路基不均匀沉降对轨道结构的影响。     

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。     

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。     

季节性冻土地区路基冻结深度试验研究

在季节性冻土地区修建无砟轨道铁路,路基冻胀变形控制是突出技术难题。通过对填筑粗颗粒填料的路基、天然地基与保温路基的温度及变形测试,确定不同土质冻结指数与冻结深度的关系,证明设置保温层可以降低冻结深度,是路基冻胀变形控制的一种有效措施。     

襄阳地区膨胀土胀缩变形分析与加固措施设计

襄阳地区广泛分布膨胀土,既有铁路汉丹线多处地段因膨胀土变形造成路基翻浆冒泥、路基鼓胀下陷、边坡开裂失稳等病害。以襄阳地区某在建无砟轨道高速铁路工程为例,研究分析膨胀土地基膨胀变形对不同断面形式路基的工程影响,根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013),采用大气影响深度法,在50 k Pa荷载条件下,试验得出有荷膨胀率并预测地基膨胀变形量。对不同挖深、不同断面形式的膨胀土路堑,研究其地基土最大膨胀变形量并有针对性地提出地基加固处理措施;结合地下水发育特征,给出膨胀土地基的防水保湿措施建议。     

京津城际铁路板式无砟轨道路基变形与最大剪应变数值分析

京津城际轨道交通工程是我国第一条铺设无砟轨道的客运专线,采用以板式无砟轨道结构为主,设计时速达350 km.路基形式主要有挡墙和边坡两种形式,采用ABAQUS有限元软件,对京津城际板式无砟轨道系统在静荷栽和300 knl/h动车组作用下的路基变形与剪应变特性进行数值分析,以期有助于无砟轨道结构路基变形机理的研究.     

哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析

根据哈大高速铁路路基冻胀的测量和普查结果,进行系统分析和对比,提出严寒地区无砟轨道路基冻胀的特点和基本规律,分析路基冻胀的水分、温度及细颗粒含量等影响因素,从结构设计角度提出预防和减弱冻胀的设计优化建议,对严寒地区无砟轨道路基冻胀处理及结构优化设计具有重要的指导意义。     

季节冻土区铁路路基冻胀研究进展

研究目的:冻胀问题是深季节冻土区高速铁路路基面变形控制难点之一。高速铁路对路基变形要求极高,特别是无砟轨道,冻胀变形更增加了其控制难度。鉴于加深高速铁路路基冻胀研究的必要性和紧迫性,本文系统总结近年来季节冻土区铁路路基冻胀的研究进展。研究结论:(1)季节冻土区铁路路基的防冻胀设计方法:德国、法国、日本等国都是通过冻结指数确定冻结深度,在冻结深度范围内填筑非冻胀填料,我国的不同之处在于采用标准冻深计算设计冻深;(2)季节性冻土冻胀形成机理包括水分迁移和成冰作用,冻胀发生三要素是:负温、细粒土和水,控制冻胀的措施主要为三类:保温、改良填料和改良水分,并分别总结介绍其研究成果及进展;(3)展望了未来的研究方向:加强现场监测和仿真分析;(4)本研究结论可为进一步研究高速铁路路基冻胀提供参考。     

疏排下渗措施在铁路路基防冻胀技术中的应用研究

我国东北地区已经进入大规模的铁路建设时期,但由于东北地区广泛分布的冻胀敏感性土及丰富的地下水都为铁路路基防冻胀设计造成更大的难度。在已有研究的基础上,通过对东北地区铁路路基完成段监测,系统提出"疏排下渗"的路基冻胀控制措施,建立了现场试验段并开展了长期冻胀监测。经过三个冬季的现场监测与结果分析,渗水盲沟措施对降低路基冻胀量起到了一定的效果,与未采用渗水盲沟措施时相比,最大冻胀量与平均冻胀量均有所下降。     

季节冻土地区高速铁路路基设计

哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程,本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍,阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识:(1)混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案,一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段;(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形,防冻层填料满足一定要求前提下,冻胀变形不会影响线路平顺性,可以保证高速铁路安全平稳运营;(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点,说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间;(4)反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。     

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。     

某客专路基变形病害整治技术研究

研究目的:为保证高速行车安全。高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制要求极为严格。某客专建成通车后,某车站部分路基出现近80衄的水平变形,大大超过规范允许值,严重影响高速列车安全运营,在没有工程经验可供借鉴的条件下,需要采取合理措施对该段路基水平变形异常段落进行整治。研究结论:针对路基横向变形病害进行了整治,取得了良好的效果,得出以下结论:(1)以高压旋喷桩进行路基横向变形病害治理是可行的,通过施工时产生的侧向推力可以缓慢而有效的挤压及推动地基土进行纠偏;(2)采用的以水准测量为主、轨道检测和土层深部位移监测及孔隙水压力监测为辅的监测系统,切实有效地保证了施工安全;(3)建立的系统的预警预报程序和管理体系是保证治理工程顺利实施的管理措施;(4)该研究成果可在无砟轨道路基变形病害治理领域推广应用。     

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。     

西北戈壁地区无砟轨道路基施工质量控制研究

我国西北地区多为戈壁地貌,戈壁土构成成份复杂多变,目前在此地区设计及修筑无砟轨道铁路路基尚缺乏成熟的工程经验。文章结合兰新第二双线戈壁地区路基先导试验工程,对采取强夯、重夯加CFG桩等工程措施处理的戈壁地区松软土地基进行现场沉降观测及评估。分析结果表明：重夯结合CFG桩进行地基处理后,路基工后沉降均＜15 mm,可满足无砟轨道工后沉降标准,而强夯措施存在不确定性。试验成果为西北戈壁地区无砟轨道路基设计及工程实践提供了宝贵经验。