纤维增强泡沫轻质混凝土基床表层结构的力学性能分析

摘要

对于高速铁路来说，控制基床表层的变形、路基的整体沉降以及防御外界各种不利因素对路基产生的破坏是路基上铺设无砟轨道设计的关键技术问题。目前，国内外常用的高速铁路基床表层填料主要有级配碎石和沥青混凝土强化结构，本文参照基床填料的主要功能要求，以及近几年纤维增强泡沫轻质混凝土在土木工程中应用的成功经验，将纤维增强泡沫轻质混凝土这种新型土工材料引入高速铁路路基基床表层结构。但目前尚缺乏其应用于高速铁路基床表层结构的研究，故本文采用室内试验和数值分析相结合的方法，开展了纤维改性后的泡沫轻质混凝土应用于基床表层的适用性研究。本文主要研究工作及结论如下:
　　(1)通过压缩试验、劈裂抗拉试验和抗折强度试验等室内试验，得出改性泡沫轻质混凝土的基本力学参数，分析了不同长度和掺量的纤维对其力学性能的改善作用。研究结果发现:经纤维改性后的泡沫轻质混凝土各项力学性能均高于普通泡沫轻质混凝土，其抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度和抗折强度均随掺量的增加表现出先增加后降低的趋势，纤维掺量存在最优值:纤维长度6mm、掺量为0.4％时，泡沫轻质混凝土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均达最大，与基准值（未掺纤维时）相比，提高了50％以上;纤维长度3mm、掺量为1.0％时，材料抗折强度达到峰值1.01MPa，比基准值提高了108.5％。经纤维改性后，泡沫轻质混凝土的弹性模量最大值为364.94～401.81MPa，大于基床底层的弹性模量值，符合路基刚度匹配原则。
　　(2)将纤维增强泡沫轻质混凝土引入高速铁路基床表层结构，使用ANSYS有限元分析软件建立轨道-路基系统的数值仿真分析模型，对基床结构进行静力、动力特性分析。静力分析结果表明:纤维增强泡沫轻质混凝土的抗变形能力满足规范对基床表层填料的要求，并且四组掺加长度中，以纤维长度6mm、掺量为0.4％(D6)的组分抵抗变形和抗裂性最佳;动力分析结果显示:对比四组纤维增强基床结构在路基中心、钢轨下方和底座板边缘处路基动应力与动位移的竖向变化规律，D6基床的抵抗变形和降低列车通过时路基中产生的动应力和动位移能力最强。
　　(3)将D6纤维增强泡沫轻质混凝土和现有的级配碎石与沥青强化基床表层填料进行对比，结果发现三种填料的材料特性各有优缺点，纤维增强泡沫轻质混凝土具有某些其他两种材料不具备的特性，比如轻质性和良好的施工特性;静、动力响应方面，D6基床抵抗变形和降低列车通过时路基中产生的动应力和动位移能力最强，其抗裂性稍次于沥青混凝土强化基床结构;对比三种基床表层填料的预估造价，纤维增强泡沫轻质混凝土在经济上不具有直接优势，约为沥青混凝土强化基床造价的108.2％～118.3％，为级配碎石基床造价的226.6％～247.7％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基床表层填料研究现状

1．2．2 轨道-路基动力系统研究现状

1．2．3 泡沫轻质混凝土研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

第2章 纤维增强泡沫轻质混凝土材料分析

2．1 泡沫轻质混凝土的材料特性

2．1．1 制备原理

2．1．2 基本特性

2．2 泡沫轻质混凝土纤维改性试验

2．2．1 试验方案

2．2．2 试验分析

2．3 土工材料发展趋势

2．4 本章小结

第3章 建立数值仿真模型

3．1 基床表层设计要求

3．2 建模原则说明

3．3 实体简化力学模型

3．3．1 几何尺寸

3．3．2 地基处理

3．3．3 简化力学模型

3．4 基本力学参数

3．4．1 钢轨及扣件

3．4．2 轨道板

3．4．3 基床表层

3．4．4 基床底层、路堤填土和地基

3．5 三维轨道-路基系统模型

3．5．1 边界条件

3．5．2 模型建立及网格划分

第4章 数值分析

4．1 静力分析

4．1．1 分析荷载

4．1．2 位移分析

4．1．3 抗裂性分析

4．2 动力分析

4．2．1 列车动荷载模拟

4．2．2 路基内动力响应分布

4．2．3 动力响应与速度的关系

4．3 本章小结

第5章 基床表层填料方案比选

5．1 材料性能差异

5．2 静力分析差异

5．2．1 位移分析

5．2．2 抗裂性分析

5．3 动力特性差异

5．3．1 动位移分析

5．3．2 动应力分析

5．4 经济技术差异

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及主要科研工作