京沪高速铁路路涵过渡段动态响应特征及影响范围研究

针对高速铁路的桥涵与临近路基由于存在材料和沉降的差异形成的刚度和几何不平顺,对路涵过渡段的动态响应和影响范围进行研究。本文建立"车辆-轨道-过渡段"垂向耦合动力模型,研究过渡段路基的动态响应特征,并与京沪高速铁路廊坊段路涵过渡段现场实测值进行对比。结果表明,当运行速度小于300km/h时,过渡段基床动应力、加速度、垂向位移等随速度增加而增大;在300km/h时动应力、加速度出现最大值,动位移随行车速度呈线性增大;从动应力、加速度的影响范围看,运行速度在300km/h以下时路涵过渡段影响范围为20~25m,300km/h及以上时,过渡段长度达到30~35m。当设计速度超过300km/h时,应适当加长路涵过渡段长度。     

350km/h高速铁路路桥过渡段动力响应分析

利用有限元软件,建立了路桥过渡段三维动力学分析模型,施加350 km/h高速列车荷载,开展数值分析,得出以下结论:第一,路桥过渡段的最大沉降量和最大轨面弯折角均发生在靠桥台部分;第二,基床表层、基床底层、路基本体、地基的竖向动应力在横向分布基本上一致,均呈"马鞍型"分布,最大值发生在钢轨与轨道板接触处,中心线处最小;第三,轨道板处的动应力沿其横向分布极不均匀。这种不均匀将引起轨道结构不均匀变形,甚至造成轨道板开裂,影响铁路交通的正常运行。在铁路路基设计中,可考虑优化轨道结构形式,改善路基面动应力分布不均匀状况。     

有轨电车嵌入式轨道路基结构动应力分布规律

为分析列车荷载作用下有轨电车嵌入式轨道路基结构动应力分布规律,建立现代有轨电车车辆动力学模型和三维精细化的非线性轨道-路基-地基动力学计算模型,获得在不平顺谱激励下的动态轮轨垂向力,研究列车荷载作用下嵌入式轨道路基结构中动应力沿横向、垂向和纵向的分布规律。研究结果表明:在移动列车荷载作用下,轨道路基结构中的动应力沿横向都呈现驼峰形,且应力极值均出现在钢轨下方;同时在距轨道中心线约1.5 m处,基床表层竖向动应力约等于0,表明路基面宽度取为4m是合理的;当取自重应力的20%作为参考标准时,列车荷载在路基中的影响深度为0.75m;当列车速度为70 km/h时,路基基床表层动应力纵向影响范围约为8.8 m;在对轨道结构进行设计时,建议采用单轴双轮加载,而对路基结构进行设计时,建议使用双轴四轮进行加载。     

运营前后高速铁路短间距路涵过渡段振动特性测试研究

针对高速列车反复运行对短间距路涵过渡段的影响,采用动力测试系统测试联调联试期及正式运营期过渡段的动响应。对比分析正式运营前后动响应幅值沿线路纵向的分布规律和沿路基深度的衰减规律,分析振动的峰值频率、振动能量的频带分布及沿深度衰减规律,得到路基综合刚度对过渡段振动特性的影响规律。结果表明:振动峰值频率不随深度变化,中频振动能量对基床表层以下路基存在影响;正式运营2年后,动响应沿线路纵向的分布曲线变平缓,过渡段纵向整体平顺性有所提高,列车动载长期反复作用增加了路基综合刚度,主要表现为基床表层刚度的增加。     

重载铁路路基荷载特征和路基动力响应分析

研究目的:近年来,重载铁路因其经济性较好在我国广泛建设,重载铁路路基基床承受重载列车动荷载作用较大,为了更好地分析重载铁路动荷载对路基病害诱发的影响,进一步优化重载铁路路基基床厚度结构设计,本文利用三维有限元对道砟厚度、基床表层厚度、基床表层模量、轴重等因素对重载铁路路基动应力特征和基床范围内动应力的传递分布影响进行仔细的研究。研究结论:通过数值计算和与既有重载铁路实测动应力比较分析得出以下结论:(1)路基中竖向动应力随着轴重、道床厚度、表层厚度和表层模量的变化规律为:路基基床中的竖向动应力随着轴重的增大而增大,随着道床厚度增大而减小,而基床表层模量和基床表层厚度对竖向动应力影响较小;(2)重载铁路30 t轴重相对于普通铁路23 t轴重增加约30%,而增加道床厚度可显著减小其动应力,50 cm较35 cm道床厚度各部位动应力减小约20%;(3)计算得出重载铁路路基动应力的合理数值模型和相关参数,为重载铁路路基基床厚度结构设计提供了合理的计算方法。     

高铁列车动载作用下路基动力特性及累积变形规律研究

为探索列车动载作用下路基的动力特性及累积变形规律,依托沪宁城际铁路工程背景,首先结合现场测试数据对路基沉降超限的原因进行分析,然后建立列车-轨道-路基耦合振动系统三维数值模型,对影响路基动力特性的影响因素(列车速度、基床厚度和刚度、行车方式)进行分析,最后结合室内足尺模型试验,对振动40万次的基床累积变形规律进行分析。结果表明:列车动载作用是运营期路基沉降超限的主要原因之一;列车速度、基床厚度和刚度、行车方式等因素对基床的动应力和动位移均有影响;路基的累积变形随循环加载次数增加而变大,最初振动5万次累积变形增长迅速,而后近似按照线性缓慢发展,振动40万次时的累积变形值为0.78 mm,影响深度约为5 m。     

重载铁路路基基床不同改良厚度的动力响应研究

重载列车荷载对路基基床的影响较为显著,为探究北方风沙地区选择水泥改良的粉细砂作为基床填料后路基体的变形及动力稳定性。通过动三轴试验对比分析了不同掺入率水泥改良土临界动应力大小及不同围压下回弹模量的变化规律,进一步结合FLAC3D建立三维动力仿真模型,重点探讨了列车激励荷载作用下路基基床换填不同厚度的5%水泥改良土时动应力、沉降变形、振动加速度的变化分布规律。结果表明:5%水泥改良土临界动应力、回弹模量较原状土提高幅度最大;路基体竖向动应力、位移、加速度峰值均随深度增加而逐渐减小;路基基床对动应力的扩散抑制作用较强,动荷载传递经基床后平均衰减约83.5%;路基沉降主要产生在中上部,且随基床底层改良厚度增加路基顶部最大竖向位移逐渐减小,最大减小约45.6%;此外,振动加速度传播经改良后的路基基床衰减幅度较明显,约为69.4%。     

高速铁路路基动力响应特性

结合高速铁路路基基床动力响应现场实测与有限元计算,分析了无砟轨道路基动应力、动变形和振动加速度的幅值特征及变化规律,揭示了列车荷载作用下基床内应力、应变的分布规律。研究结果表明:轨道路基基床动应力范围为11~16 k Pa,随车速变化不明显,随轴重增大而增加,每1 t轴重产生动应力约为1.02 k Pa;无砟轨道路基基床表面动应力分布范围较大且相对均匀,动应力随深度衰减较缓慢;无砟轨道路基动变形较小,随着路基刚度的增大动变形减小且分布较均匀,路基对线路整体刚度影响不大;无砟轨道路基振动加速度一般不大于10 m/s2,振动主频100~500 Hz。     

中低速磁浮交通低置线路结构动力特性分析

为研究中低速磁浮交通低置线路的动力特性,依托株洲车辆厂的试验线开展现场试验,目的是测试在列车荷载作用下基床动应力分布和轨道梁的动力响应。测试结果表明:当列车达到试验最高速度80 km/h时,基床动应力约为静止荷载(无悬浮力)的1.1~1.2倍,最大值约为14 k Pa。其随深度衰减较快,在1 m深度时衰减值约为40%~50%。轨道梁梁端处动位移值较跨中大,最大值为0.066 mm。顶板竖向加速度、腹板横向加速度、腹板纵向加速度均能满足设计要求。3种轨道梁在整体刚度上有所差异,但在不同梁型连接过渡时,对行车没有明显的影响。     

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。     

泥质粉砂岩化学改良土动力特性测试与分析

研究目的:在武广高速铁路设计中,首次将泥质粉砂岩全风化物化学改良土用作高速铁路路基本体填料。高速列车的平稳、安全运营,需要路基结构物提供沉降小、刚度大、动力特性稳定的轨下支撑系统。为研究泥质粉砂岩全风化物化学改良土路基的动力特性,在试验段中预埋设动测元件,CRH3动车以300 km/h以上速度行驶时,测试泥质粉砂岩全风化物化学改良土路基的动力特性。研究结论:试验段动态测试结果表明:在保证泥质粉砂岩全风化物化学改良土的无侧限抗压强度和压实度时,可以填筑高速铁路路基本体。其填筑的路基的动响应参数和A、B组填料填筑路基的动响应参数大小基本相当,整体动力特性稳定,和无砟轨道系统形成良好的动力特性匹配。     

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。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

武广高铁红黏土路堑基床动响应现场测试与分析

研究目的:路基基床承受列车和轨道荷载,必须具有足够的强度和稳定性.随着列车速度不断提高,对路堑基床在高速列车动载作用下的力学响应进行现场测试分析,对于正确的进行高速铁路路基设计具有重要的指导意义.研究结论:通过动响应现场实测,研究了时速300～350 km的机车通过武广高铁红黏土路堑基床时的动响应规律.分析了不同方向列车行驶条件下,振动速度、振动加速度、动应变、动应力沿基床横向、深度方向的分布规律.分析表明:竖向测试断面上振动速度、振动加速度、动应变、动应力等动响应参数均随深度增大而衰减;横向测试断面上,右线车作用下基床动响应近似呈倒“V”字形变化,左线车作用下随水平距离的增大而减小.与有砟轨道基床动响应测试成果对比表明:同等条件下,无砟轨道基床动响应小于有砟轨道,且无砟轨道下动响应衰减速率慢,影响深度大,因此建议高速铁路无砟轨道基床厚度取5.0m左右.研究结果对其它高速铁路的建设有重要的借鉴作用.     

京沪高速铁路石英二长岩全风化物路基原位激振试验研究

采用石英二长岩全风化物填料填筑路基,其结构动态性能需要验证,有必要进行激振试验。利用激振试验系统,对京沪高速铁路石英二长岩全风化物填料路基试验段进行原位激振试验,测定路基各断面的振动响应、结构内力和累积沉降等,分析该路基的振动特性和动力稳定性,以期为高速铁路路基填料的选择提供借鉴。结果表明:石英二长岩全风化物物理改良填料临界动应力在80 k Pa左右,塑性应变主要产生于基床底层中上部,加载150×104次后,基床表面最大弹性变形不足1 mm,满足其变形控制要求。     

路桥过渡段基床填料膨胀诱发无砟轨道上拱规律研究

无砟轨道路基膨胀诱发钢轨上拱是高铁建设运营面临的常见病害之一,路桥过渡段是路基膨胀病害的高发路段,为研究高铁路桥过渡段路基膨胀后钢轨上拱分布及路基结构变形规律。以一处典型过渡段路基膨胀工点为例,通过现场监测和室内试验判别轨道上拱情况及路基膨胀层位,并通过数值模拟计算研究路基基床膨胀对过渡段路基结构的影响规律。研究结果表明:水流下渗与基床填料中的蒙脱石作用是导致填料发生膨胀的主要诱因;桥梁对路基膨胀引起的钢轨上拱具有明显的阻隔效应,临近桥台侧钢轨上拱变化范围明显小于远离桥台侧;路桥过渡段基床填料膨胀率为0.08%时,钢轨上拱量达到无砟轨道钢轨上拱可调节临界值4 mm;临近桥台侧钢轨轴向应力峰值远大于远离桥台侧。     

既有线提速路基动应力分析

通过对既有线提速区段路基的调研和试验,得出结论,动应力与轴重、速度及线路平顺性有关。列车提速时,轴重增加和轨道不平顺对路基动应力影响最大。路基面动应力在横向呈马鞍分布,动应力沿深度方向衰减较快。采用当量折算和Boussinesq公式推算出的提速后路基动应力与实测值接近。在既有线提速改造中,重点应消除路基病害,提高基床特别是基床表层的强度和稳定性。     

高速铁路路基病害成因分析

高速铁路路基受列车荷载及自然条件的影响,易产生病害。根据我国已建高速铁路路基病害情况,分析了路基基床病害中翻浆冒泥、基床下沉、外挤等现象的形成机理;指出了目前高速铁路路堤边坡及路堑边坡在施工方法、防灾措施等方面存在的不足之处;剖析了造成路基过渡段不均匀沉降的主要因素,包括刚度差异、地基基础不良、压实质量不足、施工计划安排等方面,并提出预防及治理路基基床病害、边坡冲刷溜塌、过渡段不均匀沉降的基本原则及主要措施,这些对我国高速铁路路基病害原因分析及整治措施的制定具有一定参考和借鉴意义。     

35~40t轴重铁路泡沫轻质土路桥过渡段力学特性试验研究

依托美国交通技术中心(TTCI)加速试验线(FAST)中的大轴重环线(HTL),通过实尺实车试验,分析泡沫轻质土路桥过渡段在大轴重实载列车动力作用下的应力传递规律和动态响应特性。研究结果表明:泡沫轻质土路桥过渡段动应力水平满足路基结构设计要求;列车轴重和列车行车速度对轻质土路基结构动应力影响较小;泡沫轻质土路桥过渡段动位移对深度较敏感,对列车行车速度相对敏感,对列车轴重较不敏感;泡沫轻质土路桥过渡段动态响应性能良好,整体动态服役性能较好,满足重载铁路各设计参数的要求。