高速铁路无砟轨道路基动力特性及参数研究

摘要

随着高速铁路的发展，无砟轨道结构在我国应用越来越普遍。但目前无砟轨道路基结构的设计大多借鉴国外经验以及大型模拟试验结果，在高速列车荷载作用下路基的动力特性及其影响参数的研究还远不够。本文在总结和吸取前人研究的基础上，结合原铁道部专项科研基金项目，采用理论分析、数值模拟和模型试验对无砟轨道路基的动力特性进行了研究，采用大型动三轴试验对高速铁路路基粗粒土B组填料的动弹模和阻尼比进行了研究，主要取得了以下成果:
　　(1)将钢轨和无砟轨道结构视为Euler梁，扣件和CA砂浆视为有阻尼的弹簧，路基视为各向同性粘弹性半空间体，建立了无砟轨道-路基系统动力分析模型。通过移动坐标和Fourier积分变换得到了系统的稳态响应在波数域内的积分表达式。利用自适应数值积分算法和IFFT算法对积分表达式进行了数值计算，分析了列车荷载频率、速度以及路基弹性模量对板式无砟轨道路基表面竖向位移的影响，结果表明当速度小于200km/h时，路基表面的竖向动位移主要发生在轨道结构宽度范围内，且位移幅值随频率增加而减小;当速度大于250km/h时，路基的表面的竖向位移振动逐渐扩大至轨道结构范围以外，且位移幅值随频率增加而增大。列车速度接近路基瑞利波速时，路基表面竖向位移急剧增加。
　　(2)大型动三轴试验结果表明动应变是影响粗粒土B组填料动弹模和阻尼比的最主要因素。当动应变小于0.075％时，动弹模随动应变的增加而急剧减小;当动应变大于0.075％时，动弹模随动应变的增加而缓慢减小。当动应变小于0.015％时，阻尼比随动应变的增加而急剧增加;当动应变大于0.015％时，阻尼比随动应变的增加而缓慢增加并逐渐趋于稳定。随着固结围压或加载频率的增加，动弹模和阻尼比均增大。随着振动次数的增加，动弹模减小，且应力水平越高衰减越快。
　　(3)利用无砟轨道-路基系统的三维有限元模型研究了路基动力特性的时空分布规律，分析了轨道结构型式、材料特性、列车速度、轴重、轨道不平顺等因素对系统动力特性的影响，并在此基础上对这些参数进行了评价。此外，利用有限元模型探讨了路基局部(长宽高约为1.3m×1.6m×0.6m)填料不密实、不均匀沉降等路基病害对系统动力特性的影响，分析表明局部填料不密实导致无砟轨道-路基系统的动力响应幅值变化率在10％以下;当不均匀沉降导致路基与轨道局部脱空时，路基内的动应力幅值增加达3倍以上。
　　(4)建立了无砟轨道路基模型试验系统，该系统由无砟轨道路基实尺模型、反力及动力加载系统、数据测试及采集系统三部分组成。根据试验模型和列车载荷的传递路径，设计了列车荷载的分配体系和加载方案，并在此基础上采用有限元法建立了能考虑转向架荷载叠加效应的加载时程曲线;根据模型路基在填筑阶段和静置期的沉降观测结果，探讨了无砟轨道路基沉降的发展规律，采用开尔文流变模型对路基各结构层在静置期内的变形进行了预测。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 高速铁路路基结构形式

1．3 无砟轨道路基动力特性研究现状

1．3．1 粗粒土填料动力参数研究

1．3．2 无砟轨道路基动力学理论研究

1．3．3 无砟轨道路基动力数值模拟研究

1．3．4 无砟轨道路基动力试验研究

1．4 目前研究中存在的问题

1．5 课题来源

1．6 研究内容

2 无砟轨道路基结构动力响应分析

2．1 引言

2．2 无砟轨道结构的动力方程及解

2．2．1 基本假设

2．2．2 无砟轨道路基结构的力学模型

2．2．3 无砟轨道结构动力方程与解

2．3 路基的动力方程及求解

2．4 路基与无砟轨道结构的耦合

2．5 数值计算

2．6 小结

3 高速铁路路基粗粒土填料动力参数试验研究

3．1 引言

3．2 填料基本性质

3．3 试验方案

3．3．1 试验仪器

3．3．2 试验参数与内容

3．3．3 试验步骤

3．4 试验结果分析

3．4．1 加载时程曲线

3．4．2 动应力-动应变曲线

3．4．3 等效弹性模量

3．4．4 等效阻尼比

3．5 动弹性模量与阻尼比影响因素分析

3．5．1 应变水平

3．5．2 固结围压

3．5．3 加载频率

3．5．4 摄动次数

3．6 小结

4 无砟轨道-路基系统动力特性有限元分析

4．1 引言

4．2 无砟轨道路基有限元模型建立

4．2．1 模型建立与求解

4．2．2 结构单元类型

4．2．3 边界单元及实现

4．2．4 本构模型及材料参数

4．3 无砟轨道路基模型验证

4．4 有限元模型列车荷载施加

4．5 无砟轨道路基动力响应分布规律

4．5．1 竖向动应力的分布及衰减规律

4．5．2 竖向位移的分布及衰减规律

4．5．3 加速度的分布及衰减规律

4．6 小结

5 无砟轨道-路基系统动力特性影响参数分析

5．1 引言

5．2 无砟轨道-路基系统的动力响应指标

5．2．1 轨道结构的动力响应指标

5．2．2 路基结构的动力响应指标

5．3 轨道路基结构参数对系统动力特性的影响

5．3．1 扣件刚度

5．3．2 CA砂浆弹性模量

5．3．3 支承层弹性模量

5．3．4 基床表层弹性模量

5．3．5 基床底层弹性模量

5．3．6 路基本体弹性模量

5．4 荷载参数对系统动力特性的影响

5．4．1 运行速度

5．4．2 车辆轴重

5．4．3 轨道不平顺

5．5 路基病害对系统动力特性的影响

5．6 小结

6 无砟轨道路基试验模型建立与沉降分析

6．1 引言

6．2 无砟轨道路基模型动力相似设计

6．2．1 基本原则

6．2．2 相似关系

6．2．3 相似常数

6．3 无砟轨道路基模型试验系统的建立

6．3．1 无砟轨道-路基模型

6．3．2 加载及反力系统

6．3．3 测试及采集系统

6．4 动力加载方案

6．4．1 作动器布置与加载方案

6．4．2 加载步骤及注意事项

6．5 无砟轨道路基模型加载函数

6．6 无砟轨道路基沉降分析

6．6．1 沉降观测分析

6．6．2 路基静置期沉降预测

6．7 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢