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原文传递高速铁路板式轨道结构-路基动力相互作用及累积沉降研究

论文题名：	高速铁路板式轨道结构-路基动力相互作用及累积沉降研究
关键词：	高速铁路;板式轨道-路基系统;列车移动荷载;动力响应;累积沉降;相互作用
摘要：	列车移动荷载作用下高速铁路轨道-路基动力响应以及土体的累积沉降是一个非常复杂的土与结构动力相互作用问题。列车动力荷载的长期作用，会引起路基土体的累积变形;列车荷载引起的轨道结构和路基振动不仅会影响结构物自身的服役性能，而且影响周围的环境。目前国内外相关的理论和试验研究均十分有限，相关的铁路设计规范主要以有砟轨道的设计经验为基础，缺乏足够的理论、试验以及现场运营经验的支撑。　　本文根据高速铁路的列车荷载特征和板式无砟轨道-路基系统的结构特征，从全比尺的物理模型试验、数值模型计算和土体累积变形理论三个方面，系统地研究了列车移动荷载作用下轨道-路基的动力相互作用以及路基的长期累积沉降。本文开展的主要工作及相应的研究成果如下: 　　(1)设计并建造了全比尺的板式轨道-路基动力学试验平台（15m宽×5 m长×6 m高），通过数值模型和现场测试，验证了时序式加载系统的模拟列车移动荷载的准确性和轨道-路基物理模型的可靠性。时序式加载系统的加载能力达到:单轴动力激振的最高频率30 Hz，列车移动加载的最高速度360 km/h。　　(2)基于高速铁路板式轨道的车-轨-路耦合分析模型的参数化分析发现，板式轨道路基的扣件荷载分担比主要受扣件系统自身的刚度决定，扣件系统的刚度越大，中间扣件分担到的荷载也就越大，扣件荷载分担比的空间分布曲线越陡。　　(3)通过试验荷载分担比试验，获得了高速铁路板式轨道的扣件荷载分担比;通过与试验结果校核，提出了采用列车-板式轨道-路基耦合振动模型求解扣件荷载的计算方法和计算参数;当轨道平顺时，基于Gauss函数拟合，提出了单个轮轴荷载、单个转向架荷载和整车荷载作用下的扣件荷载时程表达式和空间分布表达式。　　(4)列车移动荷载作用下，轨道-路基系统动应力响应的控制频率由列车车辆结构决定;其控制作用的结构组合为单节车厢、前后车厢相邻两个转向架以及单个列车转向架。其中，位移和动土压力响应以单节车厢控制为主，轨道振动速度响应以前后车厢相邻两个转向架控制为主。　　(5)振动速度随着车速的提高而增大，轨道结构的振动速度要远高于下部路基结构。其中，基床表层的级配碎石层对振动沿路基横断面的传播有很好的减振作用。无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道，仅为后者的1/4～1/5;但无砟轨道系统中动应力沿路基深度的衰减速度要缓于有砟轨道。路基动应力的增长规律与列车速度和土体所处深度有关:低于150 km/h和高于300 km/h时，路基动应力与列车车速无关;当车速介于150～300km/h之间时，路基动应力随车速线性增长;同时，距离路基表面越深，动力放大现象越明显。提出了高速铁路路基内部动应力计算的经验公式，实现了板式轨道-路基不同深度、不同速度条件下动应力的计算。　　(6)水位的上升导致轨道-路基一阶固有频率的降低，由正常路基的16Hz依次下降为饱和地基时的15 Hz、饱和路基时的12 Hz以及水位回落时的15.5 Hz。不论水位位于何处，当激振频率低于0.5倍的共振频率时，轨道位移的动力放大现象均不明显。当激振频率超过0.5倍的共振频率时，轨道的位移动力响应开始显著增长，水位越高，放大现象越明显。路基水位不同，会导致轨道结构下方接触应力的分布型式不同，混凝土底座的接触应力由混凝土底座边缘处逐渐向钢轨和轨道中心位置处转移。水位的上升还会导致路基累积动力变形的发展，对于地基粉土，由于渗透性较小，超静孔压的发展要高于基床底层，累积动力变形与超静孔压的发展相关;对于基床底层，发生较大累积变形的原因在于静水压力引起的有效围压的减小。　　(7)提出了动力荷载作用下饱和土和非饱和土在p'-q'平面上的有效应力路径，完善了土体强度破坏准则;基于交通荷载卸除情况下因变形不协调产生的残余应力，编制了交通荷载作用下路基的累积变形计算程序;基于数值模型，获得了路基内部6个方向的应力分量和列车荷载作用下不同深度处土体的应力路径;基于累积变形理论计算方法，对单轴激振下填料的累积变形和移动荷载作用下全比尺轨道-路基的累积变形进行了计算。　　(8)基于全比尺的物理模型试验，对列车荷载作用下高速铁路轨道-路基系统弹性变形、路基动力稳定性和累积动力变形进行了评估。认为:按照现行高铁规范建造的板式轨道-路基系统，当路基处于正常含水量条件下时，整个系统的弹性变形、路基动力稳定性以及长期累积动力变形均满足规范要求;当地基饱和时，系统的弹性变形和路基的动力稳定性依然满足规范要求，但地基土体的累积动力变形已超出了规范限制;而当路基浸水饱和时，尽管系统弹性变形依然满足规范要求，但是从路基动力稳定性和累积动力变形看，已经远远超出了规范的要求，应该对水位进行控制，做好路基和地基的排水措施。
作者：	蒋红光
专业：	岩土工程
导师：	陈云敏;边学成;蒋建群
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文