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原文传递基于长期累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计方法研究

论文题名：	基于长期累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计方法研究
关键词：	高速铁路;基床结构;设计方法;动荷载作用模式
摘要：	高速铁路对轨道结构提出了高平顺性、高稳定性的要求。严格控制路基工后沉降，为轨道结构提供一个坚实、稳固的基础，是实现轨道结构长久保持高平顺性和高稳定性的先决条件，也是高速铁路保持其长期服役性能的关键问题之一。作为路基结构上部的基床部分，直接承受列车长期动荷载作用和气候环境变化的影响。在高周循环荷载作用下基床结构的累积塑性变形是线路结构长期变形的重要组成部分，以控制长期累积塑性变形为出发点，建立基于力学分析和满足功能要求的基床结构设计方法不仅是对现有基床结构设计理论的完善与发展，对已建高速铁路基床结构在未来数十年内是否能保持其长期良好服役性能的评价也具有重要意义。　　在吸取、总结和分析已有研究成果基础上，以构建基于长期累积变形演化状态控制的基床结构设计方法为核心，开展了列车荷载经轨道结构传递至路基面的动应力作用模式、土工填料在循环荷载作用下的长期累积变形演化状态特征及关键控制参数、基床结构的室内大型动态模型试验、路基压实质量检测中的小型平板载荷试验技术等方面研究。主要工作和结论如下: 　　1、基床结构承受的列车荷载作用特性分析　　无砟轨道具有刚度大、稳定性好、传递扩散荷载能力强等特点，固定轴距的两个轴载之间存在明显的叠加效应，实测路基面动应力时程曲线表明，无砟轨道路基面动应力一次加卸载过程由一个转向架的两个轴载共同作用完成，而有砟轨道路面承受列车荷载一次加卸载作用由单个轴载完成。　　基于实测的无砟轨道路基面动应力时程曲线，建立了动应力随时间变化规律与列车轴载移动的空间位置关系，确定了列车荷载经轨道结构传递扩散至路基面纵向影响范围的计算方法，得到的纵向影响距离在9～10m之间，与Winkler弹簧地基上叠合梁的理论计算结果吻合。在此基础上，提出了无砟轨道路基面纵向梯形、横向均匀荷载作用模式。针对目前有砟轨道路基面荷载作用模式采用2.8m纵向影响距离未能考虑轨枕间距、道床厚度等因素的不足，以单轮载力由5根轨枕分担为基础，假定列车荷载在道床中沿线路纵向按“折线型”扩散的模式下，建立了有砟轨道路基面动应力纵向影响范围与轨枕间距、道床厚度之间的关系式，进一步完善了有砟轨道路基面动应力影响范围的确定方法。通过建立列车轴载与传递扩散至路基面动应力的力学平衡关系，分析综合动力影响系数的取值及考虑有砟轨道路基面动应力横向不均匀影响修正的基础上，得到路基面动应力计算方法及用于基床结构设计中承载力和耐久性检算的荷载水平。　　通过对无砟轨道路基面实测动应力时程曲线进行幅频特性分析表明，无砟轨道对车辆荷载的良好扩散作用已致使转向架轴距对应的频响特征不明显，大幅降低了路基承受的动荷载作用频率，主要作用频率分别是以车长为基本扰动波长计算频率值的1、2、3、4倍。　　2、循环荷载作用下土工填料长期累积变形演化状态特征及填土单元模型循环加载试验研究　　基于循环荷载作用下土工填料变形规律分析及有关累积塑性变形发展状态的已有研究成果，以累积塑性变形演化呈现出收敛与否、收敛发散快慢的现象特征为出发点，提出了循环荷载作用下土工填料累积塑性变形的演化呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四个状态类别，建立了基于累积塑性变形速率发展趋势，以负幂函数f(N)=CN-p表达的数学判别准则（p值判别法），当p≥2时为快速稳定状态、1＜p＜2时为长期稳定状态、0＜p≤1时为长期破坏状态、p≤0为快速破坏状态。　　构筑了压实系数分别为0.9、0.95和1.0条件下的级配碎石填料模型，进行了直径为30cm的刚性承载板循环加载试验及地基系数K30测试，基于“p值判别法”得到了级配碎石填料对应快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏四个状态的三个循环应变阈值。试验表明:压实系数0.9、0.95和1.0状态所对应的级配碎石填料K30值分别为137MPa/m、214MPa/m、380MPa/m;由快速稳定过渡为长期稳定状态的循环应变阈值εt1≈140～202με、均值(ε)t1约为164με，由长期稳定转化为长期破坏状态的εt2≈443～650με、(ε)t2约为526με，由长期破坏发展至快速破坏状态的εt3≈1339～2172με、(ε)t3约为1734με;建立了循环应变阈值和动承载力阈值与K30值之间的经验关系式。　　3、基于长期累积变形演化状态控制的基床结构设计方法及其关键技术指标　　基于建立的基床结构设计荷载作用模式及获得的基床填料长期累积变形演化状态控制参数，以满足不同轨道结构对基床变形状态控制要求为目标，采用循环应变为核心控制指标、K30值为核心设计指标，运用力学分析原理，构建了基于长期累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计方法及设计流程，提出了与有砟轨道和无砟轨道基床结构循环应变水平状态相适应的填料参数取值原则。　　运用基床结构长期累积变形演化状态控制设计方法，探讨了不同基床表层厚度条件下，无砟和有砟轨道结构基床底层的最小K30控制值。对于无砟轨道结构，设计K30值为190MPa/m的基床表层厚度在0.2m～1.2m时，基床底层最小K30控制值约为108MPa/m～102MPa/m;相同基床表层条件下的有砟轨道结构，基床底层的最小K30控制值约为100MPa/m～68MPa/m。由此可见，无砟轨道结构需要较高基床底层填筑压实标准以满足长期累积变形快速稳定的控制要求，而有砟轨道结构的基床底层K30控制标准受基床表层厚度的影响明显。　　4、基床结构室内大型动态模型试验分析　　在室内构筑大型填土模型，进行了基床结构的大型动态模型试验。模型填土平面选取3m×3m的单元结构，厚度为2.2m，砖墙和砂袋堆砌组成的边界约束，模拟半无限空间体中局部结构在循环荷载作用下的力学响应。对模型结构施加了荷载水平为20kPa、40kPa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa，共计260万次的循环加载试验。试验过程中，测试了模型结构不同深度出的弹性变形、累积塑性变形、动应力、以及距顶面40cm的侧向弹性和累积塑性变形。当荷载水平小于60kPa时，最大循环应变为166με，沿深度范围内的循环应变均小于模型填土压实状态所对应的循环应变阈值εt1，处于快速稳定状态;当荷载水平为100kPa和120kPa时，模型表层约50cm厚度范围内的循环应变超过了应变阈值εt1，推断该结构层范围内累积塑性变形演化处于长期稳定状态，实测的累积塑性变形的演化趋势很好的映证了这一结论。试验结果验证了基于长期累积变形演化状态控制的基床结构设计理念的合理性及以循环应变为关键控制技术指标的可行性。　　5、铁路路基压实质量检测中的地基系数K30、变形模量Ev2试验技术分析　　基于室内填土模型试验，对比分析了变形模量、地基系数K30两种小型平板载荷试验的特点，重点讨论了“沉降稳定控制法”和“等时间间隔控制法”两种加载控制方式对试验结果和试验效率的影响。结果表明: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6min，可缩短30％～50％试验时间，K30值误差在10％以内;对两种加载控制方式试验结果分析基础上，提出了基于荷载与沉降稳定时间呈正相关性的“荷载-时间控制法”试验加载方式，即每级荷载保持时间Δti(min)与加载级数i(i≥2)相等且Δt1=2min。该方法可提高试验效率近50％、且具有可操作性强、误差小等优点，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。
作者：	刘钢
专业：	道路与铁道工程
导师：	罗强
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