循环荷载作用下改良黄土路基变形特性室内动态模型试验研究

摘要

随着高速铁路在我国西部地区的大力兴建以及中长期铁路建设规划网的逐步实施，我国对高速铁路建设也提出了新的要求。若要保证高速列车安全平稳地运营，铁路路基结构在循环动荷载下线路的平顺性和路基的长期动力稳定性至关重要。因此，本文依托国家自然基金项目《循环荷载下高速铁路改良黄土路基累积塑性变形及长期动力稳定性研究》，结合基金项目前期研究成果，通过室内动态模型试验，对兰州地区重塑黄土和5％掺量的水泥改良黄土填料路基，进行了不同工况下路基结构长期累积变形随循环加载作用次数的变化规律研究。最后，通过UM软件建立车辆-轨道耦合模型，得到轮轨相互作用力，采用Midas/GTS-NX软件，对高速铁路无砟轨道水泥改良黄土路基的动力响应进行了分析，得到了相关结论。本文主要内容和结论有:
　　(1)在查阅大量文献资料的基础上，归纳总结了有关水泥改良黄土的研究现状，制定了水泥改良土的室内模型试验的相关方案，提出了本文的研究内容。
　　(2)对重塑黄土及掺量5％的水泥改良黄土的静、动力学特性进行了研究，结果表明:黄土中掺加水泥改良后无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角、动强度等特性均有所增大。
　　(3)依据规范中对改良土路基的拌和、填筑和压实要求，分层填筑了不同压实度条件下重塑黄土和5％改良黄土路基模型，模型试验边界采用厚3cm的泡沫模拟实际柔性边界，加载方式采用2台振动电机组合加载，数据采集采用INV3018-USB动态测试仪采集。对不同工况下路基不同位置处竖向及横向累积塑性变形、弹性变形以及动应力等特性随荷载作用次数变化规律进行了研究分析。
　　(4)通过对不同工况下路基模型动力特性随荷载作用次数的变化规律研究可知:重塑黄土填料路基呈现快速破环形态，随着荷载作用次数的增加变形快速增长;而5％的水泥改良黄土在150万次重复荷载作用下变形很快趋于稳定。
　　(5)建立了循环荷载作用下5％水泥改良黄土路基的长期累积塑性变形预测模型，并将预测结果与修正的Power模型计算结果进行对比，得到了不同试验工况下5％水泥改良黄土路基长期累积塑性变形计算的经验公式。
　　(6)通过UM软件建立了高速铁路车辆-轨道耦合动力分析模型，轨道不平顺采用中国谱，计算了不同速度工况下的轮轨力时程分布。然后，采用MIDAS GTS-NX对无砟轨道单线铁路路基进行建模分析，在钢轨上施加一个转向架两个轮对的轮轨力时程，分析了路基不同部位的动位移、动加速度和动应力的分布情况。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土的动力特性及循环荷载作用下填料的累积变形特性

1．2．2 水泥改良土动力学特性研究现状

1．2．3 路基循环加载室内模型试验研究

1．2．4 路基动力特性数值模拟研究

1．3 本文研究内容技术线路

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术线路

2 黄土及改良黄土填料力学特性研究

2．1 物理性质试验

2．1．1 原状黄土各项物理指标

2．1．2 击实特性试验

2．1．3 水泥各项物理指标

2．1．4 级配碎石的物理指标

2．2 无侧限抗压强度试验

2．3 静三轴试验

2．3．1 试验仪器

2．3．2 试验步骤

2．3．3 试验结果分析

2．4 动三轴试验

2．4．1 试验仪器及操作

2．4．2 试验结果分析

2．5 小结

3 室内动态模型试验方案制定

3．1 概述

3．1．1 模型试验

3．1．2 试验目的

3．2 模型试验方案的制定

3．2．1 模型箱的制作

3．2．2 加载板的加工

3．2．3 微型沉降板的制作与布设

3．2．4 横向位移观测装置的制作与布设

3．2．5 模型试验测试系统

3．3 模型的加载

3．3．1 加载装置简介

3．3．2 加载方式概述

3．3．3 激振力大小的调整

3．4 试验步骤

3．4．1 试验工况

3．4．2 试验步骤

3．4．3 试验过程

3．5 试验说明

4 循环荷载下室内动态模型试验结果分析

4．1 K30平载板试验结果分析

4．2 循环荷载作用下路基动变形和动应力的变化规律

4．2．1 竖向弹性变形与累积塑性变形

4．2．2 横向弹性变形与累积塑性变形

4．2．3 动应力

4．3 弹性应变及累积塑性应变

4．4 高速铁路路基累积变形预测

4．4．1 理论预测模型的表达式

4．4．2 预测模型的表达式

4．4．3 长期累积塑性变形预测

4．5 小结

5 列车荷载作用下改良黄土路基动力响应

5．1 多体动力学软件UM简介

5．1．1 车辆-轨道系统模型

5．1．2 中国高速铁路轨道不平顺谱

5．1．3 轮轨力分析

5．2 MIDAS／GTS-NX简介

5．3 高速铁路水泥改良黄土路基动力响应有限元分析

5．3．1 几何模型的建立

5．3．2 边界条件的确定

5．3．3 动荷载的施加

5．4 数值模拟结果分析

5．4．1 竖向位移分布规律

5．4．2 动应力分布规律

5．4．3 加速度分布规律

5．5 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果