350km/h高速铁路有砟轨道基床结构设计技术探讨

摘要

世界铁路发展已进入高速时代，其轨道结构型式主要包括有砟轨道结构和无砟轨道结构。凭借高稳定性、高平顺性等特点，无砟轨道成为我国高铁的主要结构型式，在世界范围内也被广泛运用。但无砟轨道对路基沉降变形要求极高，相应提高了建设费用和轨道施工难度，且运行时会产生较大的噪声和振动。而有砟轨道碎石道床能够缓和列车动力冲击作用，与混凝土轨道板相比弹性更好，且具有诸如造价低、维修方便、建设周期短、噪声传播范围小等特点。因此在高寒、地震带等特殊区域，有砟轨道结构是更为经济的选择。 为保证高铁路基基床结构的安全性及稳定性，我国采用了表层强化的双层基床结构型式，并根据理论分析、工程试验及建设经验制定了相应的填料选用及技术标准。但仍存在诸如基床结构技术标准单一，未能体现出不同速度、不同环境下的功能要求区别、填料性质要求偏严格且经验化，导致基床结构设计的技术与经济性未能统一等问题。路基基床的设计标准直接影响线路整体质量，且恰逢我国正在建设按 350km/h 实际运行的北京至张家口有砟高铁，国内针对此类项目缺乏设计经验，因此对 350km/h 高铁有砟轨道路基基床结构设计方法及技术标准的研究具有现实指导意义。 通过理论分析，数值仿真计算等研究手段，根据列车荷载下高铁有砟轨道路基基床动力响应特征，以高铁动车组轴列间距技术参数为基础，结合粗粒土典型填料随时间的累积变形特性，基于基床结构设计的三参数控制原则，开展了针对 350km/h 高速铁路有砟轨道路基基床结构设计方法的研究，提出了相应的技术标准建议。主要研究内容如下： 1）有砟轨道路基承受列车荷载效应分析 基于列车荷载作用下，路基承受的动荷载幅值与轴载作用相对应，且在同一转向架两轴间有明显的荷载叠加现象，根据当前典型高速动车组转向架固定轴距远小于相邻转向架轴距的特点，提出了能准确反映有砟轨道路基动力响应特性的列车荷载作用模式-2Z2400动车组荷载作用模式；采用准静态法计算列车动力荷载，分析了基床结构设计各检算原则应使用的设计荷载效应，以此将列车荷载作用效应区分为两类，即动强度检算采用的路基可能承受的最大荷载pdj ，对应极限荷载动力影响系数φ1；长期稳定性检算及循环变形检算采用的路基承受频率最高，概率最大的常遇荷载pdc ，对应常遇荷载动力影响系数φ2。 2）轨道不平顺条件下的路基动力响应分析 基于CRH380A型动车组及有砟轨道结构技术参数特点，建立了车辆-轨道-路基垂向耦合动力学模型；结合德国低干扰轨道高低不平顺谱，采用Matlab软件模拟在轨道不平顺条件下，上述模型以不同速度直线运行 80m，并收集分析其中 134 个扣件节点下路基承受的荷载。计算表明：在轨道高低不平顺条件下，路基承受的荷载沿线路纵向经检验服从正态分布特征；若以动力影响系数φk~N(μ,σ2)表征路基承受的动力效应，当运行速度 v=350km/h 时，路基面φk~N（1.436，0.2532)，即对应极限荷载动力影响系数φ1=μ+2σ=1.94；常遇荷载动力影响系数φ2=μ=1.44。 3）高速铁路有砟轨道基床结构设计方法及350km/h下的技术标准建议 基于粗粒土典型填料在循环荷载下反映的时间效应变形特征与荷载水平的关系，考虑围压对填料强度的影响，建立了表征填料变形状态的荷载阈值与地基系数K30的数学表达式；阐明了基床范围为明显的时间效应累积变形区的概念，即基床以下填料处于快速稳定的无时间效应区域；针对高速铁路有砟轨道路基功能需求，明确了基床填料应处于缓慢稳定状态中微弱时间效应区域的设计要求；以满足填料动强度和长期稳定性、且路基面循环变形不超过限制为基床结构设计要求，建立了适用于高速有砟轨道路基基床结构的设计方法，并针对 350km/h 下的基床结构设计提出了具有一定安全储备的技术标准建议：基床各结构层厚度随填料性质变化；基床以下填料为K30≥110MPa/m的A、B、C组填料，基床厚度取2.6m；基床底层采用K30≥130MPa/m的A、B组填料时，对应基床表层采用K30≥190MPa/m级配碎石仅需0.45m。

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