无砟轨道路基动力参数反求与过渡段优化设计研究

摘要

室内试验、模型试验均不能真实反映路基的动剪应变，现场试验难以提出合理的路基技术条件及合理结构体系，诸如此类复杂问题必须通过数值计算来解决，但“参数给不准”及“模型给不准”已成为数值计算应用难以突破技术“瓶颈”。由反问题精确求得路基动力计算参数，再由正问题分析路基动力特性和状态，是解决路基技术条件及合理结构体系问题的最佳解决途径，但反问题不适定性、极度非线性和大计算量等特点，对其稳定近似解的计算方法选择带来了巨大挑战。
　　实际上，路基长期稳定性及变形取决于路基服役状态，而路基服役状态与密实程度、围压、加载频率、含水率等因素密切相关，但当前缺乏路基尤其是过渡段路基满足行车舒适性要求的结构设计参数、技术条件与评判标准以及保持长期动力稳定性的技术参数、研究方法与评判指标等。
　　因此，本文针对于上述诸多问题，并依托现有的高速铁路路基测试数据，展开进一步的室内外试验、建立数值仿真模型，对基床底层填料力学特性和构筑物间短路基过渡段的结构形式与设计参数进行了较全面的研究，取得了块石类A、B组填料以及线路服役状态、路基残余变形预测、路基面动力设计参数、构筑物过渡段短路基设计参数等一系列成果，具体如下：
　　（1）通过现场动响应测试，分析并评价了高速铁路无砟轨道路基的服役状态，揭示了运营后的高速铁路路基动力性状。
　　（2）基于现有的岩土动强度理论，构建了以“临塑动强度”为控制指标的无砟轨道路基结构“应变增量控制设计方法”。在室内外试验与数值模型分析的基础上，揭示了高速铁路路基“临塑动强度”的影响因素，即路基填筑体的“临塑动强度”与压实程度、围压、加载频率、含水率等因素密切相关，提出了无砟轨道路基不同压实标准下的“临塑动强度”建议值。在设计允许的行车速度范围内，运营列车的密度以及编组的增加，对既有无砟轨道路基的服役状态不会产生不良影响，而运行速度的增加，即意味着轴重作用频率的增加，将会使路基“临塑动强度”的降低，进而导致路基病害增加，线路平顺性变差。
　　（3）通过块石类A、B组填料的动三轴试验，建立小变形的前提下的路基填料的动剪切模量比 maxGd/Gd和阻尼比D随动剪应变γ变化的曲线关系，以及大变形的动荷载-变形特性曲线，完成适合于既有线无砟轨道基床底层、路基本体的累积塑性应变与动偏应力及振次关系；通过建立车-轨-路仿真模型，分析并评价高速铁路各类路基的服役状态以基床底层土体和路基本体的累积塑性应变，并验证其有效性。
　　（4）基于高速铁路的动车轨检实测得到的轨面不平顺数据，结合动三轴试验与车-轨-路的动力有限元数值分析成果，研究提出了采用基于混合模型与多参数相互影响的连续域组合优化蚁群算法，利用动车轨检不平顺数据，优选高速铁路路基的动力计算参数，解决了高速铁路路基服役状态评估参数难以确定的难题，同时根据优选确定的参数，可以进一步预测分析高速铁路的服役状态，以及对路基变形病害的分析与评估。采用多参数相互影响的连续域组合优化蚁群算法求得路基参数，并结合Chai和Miura修正指数模型计算高速铁路路基累计塑性变形，实测值验证此方法的有效性和精确性。
　　（5）基于混合模型与多参数相互影响的连续域组合优化蚁群算法，高速铁路车-轨-路的动力有限元数值模型，以车辆垂向加速度az为目标函数，优化了密集过渡段路基设计参数和控制指标。结合现场实测（路基面动应力≦15.0kPa，动位移≦0.125mm）研究和仿真计算，提出了高速铁路无砟轨道路基面的设计动应力限值取60.0kPa，动位移设计限值为0.50mm，高速铁路无砟轨道路基面最小支承刚度不小于200 MPa/m。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究及技术路线

第二章 路基的动力特性及控制变形设计方法

2.1 引言

2.2 路基动力特性

2.3 路基土体的动强度及破坏标准

2.4 基床临界塑性变形限值控制

2.5 块石类A、B组填料的临塑动强度的影响因素分析

2.6 临界体积效应应变与临塑强度的控制变形设计之比较

2.7 本章小结

第三章 无砟轨道基床的优化设计

3.1 引言

3.2 基床结构的控制变形设计值

3.3 基床表层厚度及填料的控制参数

3.4 路堑换填设计

3.5下蜀黏土、软土地区低矮路基基床的处理

3.6 本章小结

第四章 既有线路基长期沉降变形分析

4.1 引言

4.2 既有线高速铁路无砟轨道路基沉降变形的计算模型

4.3 循环荷载作用下路基土体沉降变形特性的分析

4.4 计算条件

4.5 路基的长期稳定性数值分析

4.6 本章小结

第五章 基于混合模型与蚁群算法的既有线路基参数识别

5.1 引言

5.2 用于连续空间优化问题的蚁群算法

5.3 基于混合近似模型与蚁群算法的参数反求

5.4 路基动力参数反求数学模型的建立

5.5 路基动力参数识别的验证

5.6 本章小结

第六章 无砟轨道构筑物短路基过渡段结构优化设计

6.1 引言

6.2 车辆动力学仿真模型

6.3 高速铁路无砟轨道系统的动力学仿真模型

6.4 轨道不平顺的计算模型

6.5 轮轨接触作用的数学模型

6.6无砟轨道两构筑物过渡段路基的有限元模型

6.7 车-轨-路的空间耦合计算模型的验证

6.8 基于乘车舒适性的构筑物间刚性短路基长度控制限值

6.9 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

附录（攻读博士学位期间主要的研究成果）