道床填料循环累积变形与铁路沉降修复试验研究

摘要

目前高速铁路在全世界范围内快速发展，随着列车提速和货车载重的提高，对轨道线下结构提出了更高的要求。铁路的线下结构主要由道碴和底碴构成，在列车荷载作用下线路长期强度和变形性能与道碴和底碴两种填筑材料的自身性能直接相关。组成路基的散体材料是整个线路结构中最薄弱、最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。在大周次的列车轮轴运动荷载作用下，高速铁路板式轨道下的道床颗粒料会发生破碎及动力沉陷，有水进入时还可能造成翻浆冒泥，严重时导致轨枕下沉、轨道板翘曲和开裂。高速铁路路基产生过大的沉降，会影响轨道结构的耐久性和列车运行的舒适性和安全性，因此，有必要采取合理的工程措施抬升路基，恢复轨道线路的平顺性。
　　本文对底碴和道碴试样开展了大直径三轴静力加载试验，通过试验总结了级配特性、试样压实度和围压等关键因素对试样强度、变形特性的影响规律。建立了凸多面体离散颗粒单元的离散元分析模型，并通过静力三轴试验验证了该分析模型的合理性。本文还对道碴、底碴以及两者界面区试样进行三轴循环动力加载试验，分析了界面效应对试样动弹性模量和永久累积应变及动力循环加载试验后强度的影响规律。试验发现，与理想的道碴和底碴界面相比，实际界面区在循环荷载作用下的弹性模量偏小，同时永久累积应变也偏小，而且偏小的程度随着围压和压实度增大而减小;动力循环后的静载试验表明界面区试样的强度和道碴试样比较接近，但是低于底碴试样。
　　本文对聚氨酯注浆材料及聚氨酯-级配碎石结合体进行了单轴循环加载和静力破坏试验，得到了两种试样在大周次循环加载作用下变形和力学特性的演化过程，也得出了聚氨酯-级配碎石结合体的静力强度特性。通过全比尺高速铁路无碴轨道路基物理模型试验装置，进行加卸载试验、单点激振试验、模拟列车运行的行车试验和模拟大周次列车运行的疲劳试验，结果表明聚氨酯注浆技术应用到高速铁路无碴轨道路基沉陷的修复（路基抬升）中是可行的，修复后轨道-基床系统的动力稳定性及耐久性基本能满足无碴轨道路基的技术要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 底碴和道碴的强度和变形特性研究

1．2．2 铁路路基沉降注浆修复研究

1．3 存在的问题

1．4 论文主要的研究内容

2 底碴与道碴的静力三轴试验研究

2．1 试验仪器

2．2 试验材料及方法

2．3 静力三轴试验结果及分析

2．3．1 围压对试验结果的影响

2．3．2 压实度对试验结果的影响

2．3．3 底碴的模量和强度

2．3．4 颗粒破碎对试样体积变化的影响

2．3．5 体积应变模型

2．4 本章小结

3 静力三轴试验的离散元模拟

3．1 引言

3．2 BLOKS3D离散元程序

3．2．1 运动方程和刚性质点的转动惯量

3．2．2 颗粒的接触判断

3．2．3 接触点和接触力的计算

3．3 道碴静力三轴试验的离散元模拟

3．3．2 颗粒尺寸和形状

3．3．3 试样制备

3．3．4 剪切过程

3．3．5 模型参数的选取

3．4 模拟结果的验证

3．5 本章小结

4 底碴与道碴的动力三轴试验研究

4．1 循环荷载作用下的轴向应变和体积应变

4．2 动弹性模量

4．3 试验结果分析颗粒破碎

4．4 动力循环后静载试验

4．5 本章小结

5 注浆抬升技术在路基沉降修复中的应用

5．1 引言

5．2 注浆材料力学特性单轴加载试验

5．2．1 试样情况

5．2．2 加载情况

5．2．3 累积变形结果

5．2．4 回弹模量结果

5．2．5 静力加载试验

5．3 无碴轨道路基抬升试验

5．3．1 浙江大学垒比尺高速铁路无碴轨道路基物理模型试验装置

5．3．2 注浆抬升过程

5．3．3 注浆抬升试验过程中轨道高程变化的检测及施工控制

5．3．4 聚氨酯注浆抬升前后轨道-路基系统力学特性比较

5．3．5 长期循环荷载作用下注浆基床力学特性的变化

5．3．6 长期循环加载疲劳试验前后基床动力特性的比较

5．3．7 试验完成后轨道-基床系统内注浆填料展示

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 问题和展望

参考文献

作者简历