详情

原文传递高速铁路红层泥岩路基动态响应及动力变形特性的综合研究

论文题名：	高速铁路红层泥岩路基动态响应及动力变形特性的综合研究
关键词：	高速铁路路基;红层泥岩;变形特性;动态响应
摘要：	随着高速铁路的发展，铁路线路结构已经突破了传统的轨道-道床-土路基结构形式，既有有砟轨道，又有无砟轨道。对于有砟轨道，已经抛弃了将道砟层直接铺设在土质路基上的方法，而是采用多层结构系统。列车轴重和速度的提高，以及线路结构的变化，不仅使列车与线路系统的动力作用大幅加剧，而且也使二者之间的动力特性变得异常复杂，从而对线路系统提出了更高的要求。尤其是作为线路基础的路基结构，其动力特性更是决定了铁路整体系统的稳定和安全，路基的动态响应（动应力、动位移以及加速度等）自然应该成为研究的关键。　　路基动态响应的分析因受列车类型、轴重、运行情况、线路结构和下部基础等诸多因素的影响而显得特别复杂，国内外许多学者就轨道、地基模型和振动响应特征等方面进行了大量的研究工作，并取得了一些重要的理论研究成果。但对路基的动力特性研究还不够深入，常常对其简化处理，导致计算模型不完善，理论计算和实测值有较大出入。　　采用试验手段，尤其是现场测试，是分析路基动力学特性一种很直接也是最有效的方法，但事实表明试验测试也有自身的弊端，如模型试验对路基无限边界模拟困难以及存在尺寸效应，而现场试验造价又很高昂，并且受测试环境及测试仪器的影响等。目前采用数值仿真计算进行结构-路基系统的动力分析得到广泛应用，该方法能快速的进行不同条件下的动力计算，但仿真计算结果的好坏完全取决于模型所取参数，一旦参数选取不合理，则得到的结果与实际情况有很大的差异。如果能将试验测试和仿真计算有机的结合起来，比如通过试验手段为数值仿真计算提供关键的参数，尽量避免二者的缺陷，无疑是一种分析线路系统动力特性的新途径。　　路基填料的动力特性关系到路基强度、疲劳特性、累积变形及其动力稳定性，并直接影响高速铁路路基设计、使用和维修。为了满足高速铁路的要求，现有路基都是采用高标准的路基填料，如级配碎石，A、B组填料等，工程造价不菲，为了节省工程投资和保护环境，有必要开发新的填料，以扩大路基填料的选用范围。　　本文依托达成线红层泥岩路基循环加载试验和无砟轨道室内大比例模型试验，分别对有砟轨道、无砟轨道路基基床的动态特性进行分析;针对红层泥岩土在我国分布较广泛，研究其在循环荷载作用下的动力特性及路用性能，为红层泥岩路基设计提供参考，以试验所提供的参数为依据，开展两种轨道结构的动力仿真计算方法研究;在此基础上，引进正交试验设计方法和统计学理论，对影响线路动态响应的因素进行系统评价。主要研究内容和结论如下: 　　(1)有砟轨道现场循环加载试验　　在达成线红层泥岩路基试验段，采用ZSS50循环加载设备模拟不同轴重列车的动力作用，进行有砟轨道路基基床现场循环加载试验。由试验可得出: 　　①路基面动应力在横断面上呈马鞍形分布，轨下位置处动应力值最大，靠近轨枕端部次之，路基中线下最小;动应力沿基床深度是逐渐减小的，在基床表层内衰减较快，在基床底层内衰减相对慢一些;动应力在路基基床底部已经衰减了80％，可见基床承担了绝大部分的动力作用;动位移、加速度的分布规律与动应力相似。　　②轴重18T激振300万次后，路基面总变形为3.22cm，前100万次变形发展较快，占总变形的70％左右，后逐渐趋于稳定;红层泥岩基床底层变形为0.48cm，基床表层变形为0.12cm。轴重增加到25T，激振100万次后，路基面总沉降量发展到4.07cm，其中红层泥岩基床底层变形增加到1.0cm，基床表层变形增加到0.22cm。可见列车轴重对路基变形有较大影响。　　(2)无砟轨道动态特性模型试验　　开展无砟轨道路基基床室内大比例模型动态加载试验，模型以级配碎石为基床表层，以A、B组填料为基床底层。试验表明: 　　①路基表面动应力在横断面上呈马鞍形分布，钢轨下方动应力值较大，中间和两端其值较小;动应力沿基床深度逐渐减小，在路基基床底部已经衰减了70％，与有砟轨道一样，基床部分承担了大部分的动力作用。动位移、加速度的分布规律与动应力相似。　　②随着加载频率的提高，动应力、动位移和加速度的值都是增大的;加速度受频率影响最大，其次为动位移，受加载频率影响最小的是动应力，其沿路基深度的衰减规律基本不变。　　③在基床横断面方向，随着动荷载的增大，基床表面动态参数的马鞍形分布越来越明显;而外加动荷载对动参数沿基床深度的衰减规律影响甚小。　　(3)红层泥岩路基土的动态特性研究　　红层泥岩颗粒易破碎、强度低、遇水后易崩解与软化，目前工程界对红层泥岩能否用作高速铁路路基填料仍存在争议，但红层泥岩在我国西南、西北、中南及东南地区均有广泛分布，如果能使之用于高速铁路路基填筑，则可节省大量工程投资。　　①对于侏罗系遂宁组红层泥岩土（达成线工点），在掌握其基本物理力学性质的基础上，采用英国GDS三轴试验系统，研究了红层泥岩填料在循环荷载作用下动态参数（模量、阻尼比）、临界动应力、动强度及累积变形的发展规律，为红层泥岩路基设计提供必要的参考依据。　　②考虑土的应力状态、土的类型、物理性质以及循环荷载作用次数等主要因素，提出一个适合于红层泥岩路基土的累积变形计算方法，并用红层泥岩路基基床现场循环加载试验的结果对其检验和修正。　　③考虑红层泥岩土的临界动应力以及遇水容易软化的特点，认为红层泥岩压实土不能作为路基基床表层，但可以满足作为达成线铁路路基基床底层填料的要求，在列车轴重不超过25T的情况下，其上的基床表层厚度要保证为0.6m。同时，现场循环加载试验表明红层泥岩路基的累积变形也能满足高速铁路路基的要求。　　(4)轨道，路基系统动力仿真分析　　通过有限元软件ABAQUS建模，并联合FLAC3D中的滞后阻尼反映土的非线性，采用合理的边界条件（粘弹性人工边界），对两种轨道结构形式进行仿真计算。　　①以达成线现场激振试验段为原型，进行有砟轨道-路基系统的动力仿真计算，主要研究了车速、轴重、各结构层的刚度和厚度对土质路基受力和变形的影响特性，为有砟轨道路基的设计和力学参数的选择提供参考。　　②以遂渝线无砟轨道铁路为原型，进行无砟轨道-路基系统的动力仿真计算，主要研究土质路基上板式轨道的受力特性，计算系统各层结构的动态响应以及车速、轴重和材料特性等对轨道-路基结构系统相互作用的影响特性，为板式轨道-路基的设计和力学参数的选择提供参考。　　③由计算结果可知，路基表面动应力沿线路的纵向分布，有砟轨道的受力范围约为7根轨枕的间距(约3.6m)，无砟轨道的受力范围为一个轨道单元（约5m）;在路基表面的横断面方向，有砟轨道的动应力为马鞍形分布，而无砟轨道路基表面的动应力分布较均匀，在底座边缘处产生最大动应力，底座范围以内的动应力变化不大;动应力沿路基深度的衰减，有砟轨道要快于无砟轨道。　　(5)线路动力响应自身影响参数的综合评价　　以上述试验结果为基础，引进正交试验设计方法和统计学理论，分别对有砟轨道和无砟轨道的动态响应结果进行分析，系统评价线路各组成部分的结构尺寸和力学性质对轨道、路基动力响应影响的敏感性。由分析可得: 　　①对于有砟轨道，道床刚度、基床表层刚度对道床动应力的影响很大;而道床厚度对路基面动应力有很大影响。　　②对于无砟轨道，CA砂浆刚度、底座厚度对CA砂浆层动应力的影响很大;同时底座厚度对路基面动应力的影响也很大;扣件刚度是影响钢轨动位移的主要因素。
作者：	孔祥辉
专业：	道路与铁道工程
导师：	蒋关鲁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文