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原文传递高速铁路无碴轨道-软岩路基系统动力特性研究

论文题名：	高速铁路无碴轨道-软岩路基系统动力特性研究
关键词：	路基;软岩填料;无碴轨道;高速铁路;耦合约束;动力学模型;有限元分析
摘要：	广客运专线要求全线铺设无碴轨道，与普通线路的有碴轨道相比，对路基的变形要求更严、更高，工后沉降不能超过3cm，甚至要求地基为“零沉降”，因此，控制无碴轨道路基的沉降是路基设计的关键。从日本、法国等国外资料看，高速铁路对路基基床填料的要求十分严格。对于基床以下部分的填料，除了个别性质不稳定、随时间或其它因素影响使其力学性质发生显著变化的土不能使用以外，其它如易风化岩块等均可用作路基基床以下部分的填筑。然而，目前国内外还没有使用风化软岩作为高速铁路路基填料的成熟技术。本文基于国内外软岩弃碴作为路基填料问题的研究现状，结合铁道部科技攻关课题，通过理论分析、室内试验、模型试验和数值模拟等方法，对软岩填料的路用性能和无碴轨道-路基系统的动力计算模型进行了深入的研究，主要取得了以下几方面的研究成果和结论。 (1)基于Galerkin能量弱变分原理和整体Lagrange格式，建立了半无限三维空间的动力有限元计算模型。该模型视路基、无碴轨道为一个相互作用的整体，包括路基系统和无碴轨道系统。不同的结构采用不同的单元离散，其中，地基层采用无限元，以消除边界效应的影响。不同材料接触面之间相互耦合，无相对位移。该模型充分地考虑了系统的空间、时变、耦合特性及路基的设计断面和设计参数，可提供路基-无碴轨道系统的动态响应时程及路基本体的动态响应场分布等，具有合理选择路基-无碴轨道设计参数、优化设计及预测动力性能等功能，从而为高速铁路无碴轨道-路基系统的设计提供了理论分析依据。 (2)基于Timoshenko梁假设和刚体力学理论，首次建立了各种不同性质的单元耦合约束方程，并使用“罚函数法”或“Lagrange乘子法”对其进行了有效的处理，很好地解决了无碴轨道和轨下结构系统因相互衔接而引起的建模难问题。 (3)材料变形特性的计算模型采用了线性、非线性弹性、Drucker-Prager、粘塑性等本构模型；车辆系统与无碴轨道-路基系统之间的耦合作用，是通过垂向平面内对外力的简化来输入的。整体刚度矩阵方程的求解采用Newmark隐式积分法进行，做模态分析时，因计算模型中包含有大量的耦合约束方程，采用了波前求解器；做瞬态动力学分析时，采用了缩减法求解器。 (4)通过现场调研、勘察，获取了武广客运专线沿线软岩的物理力学性质和基本性状特征；通过大量软岩填料的室内土工试验，获得了软岩填料的物理力学指标和变形特性；根据模型路堤加载期间的沉降变形观测结果，研究了路堤的沉降特点和压缩变化规律，并着重探讨了影响软岩填筑路堤长期沉降变形的主要因素；结合现场条件和相似性原理，建立了模型路堤，并将有限元计算结果和试验结果进行了对比性分析，以指导现场施工和优化设计，减少工后沉降。 (5)基于K30试验，证实了文中所述的软岩填料只要满足一定的压实度，其强度和刚度性能都能满足无碴轨道基床以下部分结构对填土材料的要求或德国高速铁路路基设计标准。 (6)利用高速铁路无碴轨道-路基系统相互作用的动力学模型，研究了轮重、车速、频率、不平顺和材料特性与路基-无碴轨道结构系统相互作用的响应特征，得出了如下一些重要结论，以指导和优化路基结构型式的设计： ①在设计轮重P0=250kN或异常轮重P0=334kN、速度v=350km/h作用下，轨面上的位移、速度、加速度经过轨下胶垫、扣件、轨道板、CA砂浆层和混凝土整体道床等构件后迅速衰减，与基床面上的量值在数量上存在10～12倍的差别。在轮重P0=122kN、车速v=350km/h作用下，轨面上沉降位移和基床面上竖向应力幅值分别为0.74mm和42kPa左右，与实测结果基本一致，证明了本文所建立的计算模型具有较好的可靠性和实用性。 ②车速、轮重、频率不同，动力响应随之不同。车速增加到v=250km/h以后，动态响应几乎与车速无关。轨面上和路基面上的动力响应幅值主要由车轮静载、中频和高频激振力确定，波形由低频激振力控制。荷载相同，动载下(车速v=350km/h)的动力响应幅值是静载下响应值的1.35～1.65倍左右。 ③扣件、轨下胶垫和CA砂浆层的弹性和阻尼特性对轨道及轨下结构动力性能的影响极大。减少扣件或轨下胶垫的刚度、增加CA砂浆层的厚度，则可改善板式轨道的动力学性能。
作者：	卿启湘
专业：	道路与铁道工程
导师：	王永和;杨果林
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文