有砟轨道沥青混凝土底砟层动力特性及其应用的研究

摘要

传统的钢轨-轨枕-道砟-路基有砟轨道结构在列车动荷载的长期作用下，易发生道床、路基变形等病害，导致轨道不平顺和振动加剧，影响列车运行平稳性。沥青混凝土作为粘弹性材料，应用于轨下基础，可以改善结构的承载能力和稳定性。目前国内沥青混凝土在有砟轨道中的应用研究较为缺乏，本文基于动力特性分析，利用理论研究和有限元数值模拟的手段，研究沥青混凝土作为底砟层对有砟轨道结构力学响应的改善，并提出设计方法，为沥青混凝土在有砟轨道轨下基础结构优化中的推广提供理论支持。 首先，本文总结了轨道-路基相互作用及沥青混凝土轨下基础研究理论。确定沥青混凝土材料本构模型选择广义Maxwell模型，并利用动态模量试验结果拟合得到材料的粘弹性参数；列车竖向荷载采用沿钢轨方向移动的集中激振力荷载形式模拟。动力特性分析时采用的力学指标为竖向动应力、竖向加速度、竖向动变形、沥青层底拉应变。通过ABAQUS软件建立有砟轨道结构模型，动力响应与相关文献中实测结果对比，验证了模型的可靠性。 其次，分析一个基准模型的动力响应时程变化及分布规律，发现各动力响应分析指标都随列车荷载的接近而增大，力学响应达到最大值的时间滞后于列车荷载达到指标提取点位置的时间。竖向动变形及竖向动应力均呈对称分布，并在钢轨正下方沥青层表面有最大值；沥青混凝土层是主要的应力承受层，基床表层的动应力仅为沥青混凝土层顶面的12%；列车运行过程中，沥青混凝土层底始保持为拉应变。与传统有砟轨道动力响应结果比较，轨下基础各动力响应指标有明显降低，降幅比例在30%以上，证明沥青混凝土应用的优势。 各影响因素分析结果表明，各项动力响应分析指标随沥青混凝土厚度增大而减小，当沥青混凝土层厚度大于16cm时，减小速率明显减缓；道砟层厚度的增加有利于结构动力响应的减小；高模量沥青混凝土层力学性能表现较好；基床模量对于动力响应的影响较小，建议取值为120MPa~160MPa；列车速度越大，各项动力响应指标也越大。比较不同厚度组合下整体结构的动力响应结果，考虑经济成本，沥青混凝土的厚度建议不大于20cm。 最后，提出了沥青混凝土底砟层结构的设计方法，主要控制沥青混凝土底砟层疲劳开裂和变形，建立沥青混凝土层层底拉应变为控制指标的疲劳寿命标准计算公式。结合设计算例，得出沥青混凝土层等厚替换基床表层厚度大于14cm时，结构的使用寿命能达到60年以上的要求。综合动力特性分析和满足使用寿命要求，建议沥青混凝土底砟层厚度取值14~16cm。

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