地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析

地铁行车荷载经轨道-道床-隧道结构传至地基,在土体内部产生循环动应力以及超孔隙水压力是引起盾构隧道沉降的重要原因。通过车-轨-隧道-地基竖向耦合动力模型分析隧道差异沉降对列车运行荷载的影响,以上海地铁一号线体育馆站附近区间隧道为工程背景建立三维数值模型,结合塑性累积应变及累积孔压经验公式进行计算,对比分析软土盾构隧道下卧土层有、无纵向差异沉降两种情况下,地铁行车速度对隧道运营沉降的影响。结果表明：列车运行速度越快,下卧土体波动越大,但衰减越快。地基差异沉降对其长期运营存在明显不利影响,随着列车速度增大,这种影响也愈加明显。当地基差异沉降小,轨道平顺条件好时,隧道长期沉降随地铁行车速度的增大而减小;当地基差异沉降突出,轨道存在明显不平顺时,隧道运营沉降随行车速度增大而显著增加。     

压重顶进框构下穿高铁引起桥墩变形及控制技术

以某高速公路下穿京沪高铁工程为例,提出一种基于"卸载-加载平衡"理念的压重顶进框构方案,并对高铁桥墩变形及控制技术进行研究。结果表明,高速公路在高铁桥下开挖10 m深,开挖体量近10万方。采用压重顶进框构方案,施工中边顶进、边监测、边通过框顶堆土、桥下堆土、框内留土等措施加载压重,可有效控制高铁的隆起变形。在通车运营3个月后,高铁相邻桥墩累计最大差异沉降为2.7mm,距离规范限值留有46%的余量,满足规范要求。轨检表明,无砟轨道平顺性满足运营要求。对比分析表明,数值模型中粉质黏土压缩模量可采用P0~P0+100 kPa(P0为土体自重应力)应力区间对应的模量值,卸载模量可取为压缩模量的3~5倍。     

I型轨道-路基系统动力荷载放大系数模型试验研究

高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响,以列车运行速度的影响尤为关键。由于车辆-轨道-路基结构的复杂性,要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准,建成室内1: 1无砟轨道路基模型,通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律,在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式,提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法,并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律,可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。     

重载铁路路基面动应力峰值随机分布特征研究

掌握列车移动荷载作用下路基的动应力响应特性可为路基沉降预测、状态评估提供依据。建立重载铁路车辆-轨道-路基三维动力有限元模型,并在钢轨轨面引入中国三大干线不平顺轨道谱以实现轨道不平顺的模拟。通过数值计算,分析了轨道高低不平顺对路基面动应力分布的影响,统计了4种列车轴重下路基面3个位置（钢轨下方,线路中心）处的动应力峰值沿线路纵向的分布,对路基面动应力峰值的随机分布形式进行了正态性检验,对动应力峰值的最大值进行了预测。结果表明：轨道不平顺导致路基面动应力沿路基面中心不对称,路基面动应力峰值沿线路纵向服从正态分布。随着轴重的增大,动应力峰值离散程度增大,动应力峰值分布曲线变陡。动应力峰值的预测值和现场实测值相吻合,证明了有限元模型及统计分析方法的正确性。研究结果对路基动变形及累积沉降的可靠性分析提供依据。     

重复列车荷载作用下季节性冻土区桥墩-基础场地振动特性及长期变形分析

基于高速列车运行引起的轨道-桥梁-桥墩-季节性冻土区场地的地面振动和沉降问题, 选取哈大高速铁路铁岭至四平段某桥墩及周围基础场地为测试段, 对实测数据从时域和频域两方面进行分析, 研究了桥墩及周围不同场地的振动特性, 结果表明:桥墩和基础场地的振动特性存在很大的差异, 基础场地对振动有放大效应, 且不同基础场地对振动的放大效果也明显不同。结合实测概况建立了桥墩-基础场地有限元数值模型, 分析桥墩及基础场地在不同季节的振动传播特性, 以及基础场地土体内部的应力分布情况, 并利用累积塑性应变模型对重复列车荷载作用下季节性冻土区基础场地的沉降变形进行分析, 发现场地振动加速度峰值随与桥墩距离R的增大而衰减, 且在冻结季的振动衰减速度明显小于非冻结季的; 基础场地地表的累积沉降在距桥墩R=0.5 m处最大, 且随着列车荷载作用次数的增加而增加, 最后逐步趋于稳定。     

某高速铁路斜坡路堤变形整治研究

正由于高速铁路运行速度快,对线路的平顺性要求高,为保证高速铁路正常运行以及旅客的人身财产安全,我国高速铁路对建成后的路基工程变形提出了相当苛刻的要求,允许的工后沉降及水平变形量极小,需达到近乎于零变形的控制标准~([1]-[5])。但由于地质条件的不确定性以及设计、施工、运营等环节复杂因素的影响,高速铁路通车运营后局部路基段落可能发生竖向沉降和水平位移等变形~([6]-[7])。这些变形不仅将会威胁行车安全,而且给运营高铁铁路的整治带来极大难度。     

高速铁路不同路基结构防冻胀试验研究

为减小季节性冻土区路基冻胀对高速铁路无砟轨道平顺度的影响,采用对不同封闭型式的路基结构进行降雨条件下路基渗流模拟,分析路基土体内压力水头与含水量变化情况。数值模拟结果显示,路基表层无封闭型式能够在降雨时及时排出路基表面水量,基床底层顶面的排水板有效阻隔了地表水进入基床底层,降低了降雨入渗对底座板下部基床含水量的影响。在两种不同封闭型式的路基试验段,选择代表性断面埋设位移传感器与温度传感器,监测路基冻胀变形与冻结深度。现场监测结果表明,当路基主要为浅层冻胀,地下水对路基本体含水量影响较小的情况下,路基表层无封闭型式的冻胀量较小。     

冻融粉质黏土的剪切波速与动态回弹模量及其转换关系

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数,受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变,亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象,开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验,获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关,二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降,随压实度的增加而有所提升;土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响,随围压增大而增大,随循环偏应力增大而减小,应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能;采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型,并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型;据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系,为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。     

列车荷载作用下高铁路基速度传递规律模型试验研究

列车运行速度的提高会加剧轨道路基结构的振动,削弱其动力稳定性,并可能产生过大的附加沉降,严重时可导致轨道路基结构失稳破坏,因此,在列车荷载作用下高铁路基结构的动力响应是世界各国高速铁路建设及运营过程中亟待解决的课题。依托典型高速铁路路基工程,利用自主研制的伺服激振控制系统,开展了大比例尺的高铁路基激振模型试验研究,通过激振器模拟列车轮轴循环加载,得到了不同频率激振力作用下路基不同层位的速度的时程变化曲线及幅值空间分布特征;揭示了列车荷载作用下路基速度幅值传递及衰减规律。研究表明,不同频率的激振力作用下路基土体的速度曲线具有明显的周期性峰值;同一频率作用下路基土体中速度幅值沿深度方向不断减小,呈指数衰减趋势,随着深度的增加。研究成果为相应实际工程的设计、施工及运营提供了一定的参考及借鉴。     

土体应力-应变关系转型问题分析

通过对土体应力应变试验结果的分析,明确指出了土体普遍存在的应力-应变关系转型现象。提出了按后破坏模量和临界围压两个参数判别土体应力-应变关系转型的方法,对影响土体应力-应变关系转型的因素包括土的类型、围压、初始密度或含水率、排水条件及应力路径等进行了简要分析。最后,对砂土初步提出了一个能反映转型现象的组合应力-应变关系模型的理论框架。     

全风化花岗岩改良土路基的长期稳定性试验研究

全风化花岗岩用于高速公路填料已有成功的案例,但由于高速铁路路基变形控制更为严格,能否用于高速铁路路基填料还没有得到实体工程的验证。基于全风化花岗岩及其改良土的工程力学性质和变形特性,使用PMS-500型循环加载设备对全风化花岗岩改良土路基实体工程进行了现场循环加载试验研究,模拟分析了不同轴重列车荷载长期循环作用下浸水前后全风化花岗岩改良土路基的动态特性及沉降规律和其下雨前后路基性状变化。试验结果表明,全风化花岗岩改良土路基经过500万次列车模拟动荷载作用后,即使经历了如雨水长期浸饱路基的最为恶劣工况,最终沉降量不超过7.0 mm,证实了全风化花岗岩经过改良后能满足高速铁路变形控制的设计要求,可用于高速铁路的基床底层及路堤本体填料     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

改良膨胀土填筑路基动力响应研究试验

结合合肥-南京高速客货共线铁路试验段进行路基原位动载试验,通过模拟测试路基在相同机车轴重不同通过车速情况下的弹性变形及振动加速度,对路基在不同行车速度条件下的动力响应加以研究。通过对循环荷载下沿线路横向不同距离路基弹性变形、加速度以及轨下不同深度动应力测试,获得路基弹性变形、加速度以及动应力衰减规律。研究表明,现有规范对弹性变形的建议值不尽合理。提出时速200 km/h及以上客运专线铁路弹性变形合理建议值,为新建铁路客运专线设计及规范提供依据。     

云桂高速铁路新型全封闭路堑基床动响应特性研究

膨胀土地区路堑基床病害是高速铁路建设中倍受关注的问题。结合云桂高速铁路工程实际,以典型膨胀土新型路堑基床为基础,借助有限差分软件FLAC3D,建立了三维路堑基床动力分析模型,探讨了列车荷载作用下新型全封闭路堑基床动力特性,并结合现场试验进行了分析。分析结果表明：数值模拟结果可较好地反映基床动响应变化规律,且与现场实测变化趋势相同;基床竖向动应力随深度呈指数型衰减,基床竖向动位移随深度呈幂函数型衰减;路基面动位移值为0.95 mm,满足高速铁路规范要求;基床动响应特征受服役环境影响显著,浸水条件下会引起基床表层动应力及振动速度增大;铺设防排水结构层可改善基床内的动应力分布,并减小路基面的动位移及增强基床抗振性能。研究成果可为膨胀土地区高速铁路工程实践及理论研究提供参考。     

浸水环境下重载铁路改良土路基动力特性研究

浸水入渗与重载列车动载耦合作用下路基的动力响应程度更突出,对行车安全及路基长期稳定提出更严要求。为揭示重载列车动载作用下干燥与浸水路基的动力特性,依托浩吉（浩勒报吉－吉安）重载铁路工程背景,开展循环加载400万的现场激振试验,利用激振设备和配重块组合模拟了轴重25～30 t、速度120 km/h列车动载作用。试验结果表明：路基干燥与浸水状态下,动应力与加速度沿路基深度变化趋势吻合,传至基床底层底面衰减量可达80%;浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处,相同荷载条件下,衔接处浸水路基的动应力最大可提高28%;相较而言,加速度受浸水环境影响的敏感性远低于动应力;对比可知,沿路基深度范围内动应力水平远小于同位置填料的临界动应力,试验结束路基面累积变形小于5 mm,且呈收敛趋势,说明无论从动强度还是动变形角度来评估,水泥掺量3%～5%改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料时均能满足稳定需求。该研究成果能够对重载铁路改良膨胀土路基的精细化建设养修提供理论参考。     

哈大高铁路基面冻胀变形特征及工程意义

路基面冻胀量是影响寒区高铁路基在冬季安全运营的关键性指标之一,也是协调轨面变形和判断扣件系统安全储备量的直观因素之一。根据哈大高铁沈阳至哈尔滨段开通运营后的前两个冻融期路肩冻胀量数据及其评估结果,认为现有的冻胀观测结果评估和预测方法对路基面整体冻胀量估计不足,在长期变形预测中并未考虑到一旦地基和基床固结完成时产生的冻胀量对路基和轨面变形的影响。结合哈大线实测路基面冻胀量数据,探讨了观测结果的合理性及应用的方法。分析表明：现在所测得的路肩处路基面的冻胀量只是名义冻胀量,较实际冻胀量要小,简单应用此数据从长远来看偏于危险;考虑到路基面上不同构件在环境条件下的组合效应,单独使用路肩处冻胀量来评估整体路基变形特征存在不足。因此在预测和评估长期路基面冻胀变形时,需结合观测数据和实际工况进行全面合理的分析,以提高路基工后变形和季节性变形预测的可靠度。     

高铁荷载下桩承式路基动力响应及土拱效应研究

土拱效应的作用机制是桩承式路堤荷载传递的关键性技术问题,然而高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的研究尚不充分。基于高铁设计规范的相关内容,建立了高铁荷载作用下桩承式路堤三维有限元分析模型,并采用已有研究结论验证了数值模型的正确性。根据该数值分析模型,首先分析了高铁荷载作用下路基的动力响应,研究了高铁荷载作用下道床和路堤不同位置处的竖向位移随时间的变化规律,以及路基中速度与加速度沿深度的分布规律。研究发现：道床和路堤表面处的竖向位移随时间变化呈倒“M”型周期变化,而路堤底部处呈“V”型周期变化;速度与加速度在路基深度范围内衰减了80%。通过变化桩间距、路堤高度以及路堤材料参数,分析其对高铁荷载作用下路堤应力和沉降发展规律的影响,进而分析其对土拱效应的影响。研究结果表明：动载作用下土拱效应依然存在,但有所减弱,动载峰值作用下减弱程度最大,谷值情况下有所恢复;桩间距和路堤高度对高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的影响较为明显,而路堤填料内摩擦角和剪胀角的影响则相对较小。     

武广高速铁路路基振动现场测试与分析

为研究武广高速铁路无砟轨道路基的振动特性,对武昌－咸宁综合试验段路基进行了现场实车测试。获得了各测点在不同列车荷载作用下的竖向振动加速度和动应力幅值,总结了试验段路基动力响应的分布规律,获得了试验段路基的固有频率,并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析。结果表明,车速的提升加剧了基床表层顶面路基的振动,在260～320 km/h车速段尤为明显。经过2.7 m高路堤的衰减,路基的动力响应幅值和振动能量已基本不受车速影响。级配碎石层能有效抑制振动沿路基深度的传递。随着车速的提升,转向架固定轴距作用率、轨道不平顺成为引起路基振动的主要原因。轴重对动力响应幅值和振动能量的影响较车速更为显著,轴重的增加使得振动能量在频域内更为集中。     

铁路路基压实质量检测中的小型平板载荷试验分析

合理高效地进行路基填土压实质量检测对保证工程质量、提高施工效率具有重要意义。通过在室内开展精细的地基系数K30与变形模量Ev2、Ev1试验,对比分析了两种小型平板载荷试验的特点,重点讨论了变形稳定和等时间隔两种加载方式对试验效率和试验误差的影响规律,得到以下结论：K30较Ev2更能直接反映路基的压密程度,每级荷载的保持时间对试验结果有显著影响,满足1%沉降稳定控制标准需较长的试验历时;K30试验的沉降稳定控制标准由1%改为2%、或加载时间间隔为6 min,可缩短30%～50%试验时间,K30值误差在10%以内;提出了K30试验加载的荷载-时间控制法（P-t法）,用于铁路路基砾石类填料压实质量的K30检测具有良好适应性。     

基于直剪试验的土体变形时间效应及状态类别分析

开展了不同剪应力水平下土体剪切位移的时间效应特征分析,提出了随剪应力水平增加,土体变形状态对应呈现快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏4种演化类别。通过粉质黏土蠕变直剪试验,对不同压实度下与剪应力水平相对应的土体剪切位移时间效应的4种状态类别进行了研究。采用幂函数拟合剪切位移时间历程试验数据,将幂次值作为划分变形状态类别的理论判据,基于幂次值与剪应力水平对应关系的曲线形态特征,得到了土体4种变形状态对应的3个剪应力水平阈值,提出了基于Coulomb强度公式表达的相应变形状态强度参数及其与极限状态强度参数的关系式。针对高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制须满足毫米级变形的特殊要求,明确了应将土体变形时间效应控制于快速稳定状态作为路堤填料选择及压实标准的设计原则和技术条件。所得成果对构建高速铁路路基土工结构变形状态控制设计技术提供了理论和试验依据。