列车交通荷载作用下地基土单元体的应力路径

为研究列车交通荷载作用下地基内部动应力特征以及土体单元经历的应力路径,基于2.5维有限元数值方法建立轨道-路堤-地基耦合分析模型,其中轨道在轮轴荷载作用下的弯曲变形用欧拉梁来描述,而列车荷载被简化为作用于轨道上的单个或多个移动轮轴荷载,通过基于半解析的方法推导得到了地基中的动应力解答。剖析列车轮轴荷载作用过程中地基内部土单元体经历的应力路径和其中的主应力轴旋转现象;发现当列车速度低于地基剪切波速时,不同速度的荷载作用下不同地基深度处的土单元应力路径曲线形状都很相似;而当荷载速度增大到接近或者超过地基剪切波速时,土单元应力路径曲线和应力分布均发生很大改变。分析结果为研究交通荷载作用下软土的动力特性及地基长期附加沉降提供了基础。     

基于模型试验的高铁路基动力累积变形研究

高速列车运行中的轮轴往复动荷载引起铁路线下结构产生累积变形,导致轨道平顺性变差,影响列车运行的舒适性和安全性,列车交通荷载引起的路基累积变形是高速铁路线路设计和运营维护中必须考虑的一个重要问题。基于残余应变模型建立了列车轮轴循环动荷载作用下路基填料和下卧层地基土体的累积变形计算方法;通过物理模型试验验证了该模型和计算方法的合理性,并确定了相应的关键参数取值方法,实验结果表明该模型参数具有较好的一致性。最后,通过将计算模型应用到具体的高速铁路线路动力沉降分析中,揭示了路基基床底层和地基累积变形的发展规律,分析了列车轴重和循环次数等主要控制因素的影响作用。     

板式轨道–路基相互作用及荷载传递规律的物理模型试验研究

全面地介绍了一种全比尺路基动力试验装置,可用于轨道结构与路基之间的动力相互作用以及路基和地基长期变形等方面的试验研究,报告了前期试验中针对高速铁路板式轨道与路基的动力相互作用以及列车轮轴荷载在轨道结构和路基中传递规律的一些重要结果。首先,总结了试验中列车荷载传递到轨道板上的分布规律,通过与理论模型的对比分析,提出了一种简便可靠的荷载分布简化模式用于路基的动静力分析;其次,分析了轨道结构和路基的动力响应与加载频率之间的关联性,并通过集中质量模型讨论了共振发生机理和共振频率的确定方法,结果表明系统存在一个共振频率在16 Hz左右,此时系统的各项动力响应达到最大;最后,通过不同频率加载试验确定了路基中沿深度方向动力附加荷载的衰减特性与加载频率之间的相关性。作为研究高速铁路路基和地基的一种有力的综合试验装置,该设备产生的大量试验数据将为进一步研究高速铁路路基中的岩土工程问题提供重要的支撑作用。     

孔隙水-力耦合作用下高速铁路轨道-路基结构动力响应分析

以某段高速铁路实际运营情况下轨道路基结构为工程背景,建立孔隙水-力耦合有限元模型,计算移动列车荷载作用下高速铁路路基动力响应,进而分析上部列车移动荷载作用下路基内孔隙水对轨道-路基结构动力响应的影响。研究结果表明,在孔隙水渗流和移动列车荷载的耦合作用下,基床表面以下应力分布较均匀,而基床表面以上的支撑层和钢轨承受较大应力;移动列车荷载在钢轨表面加载位置处存在应力扩散,钢轨表面中点位移变化及基床表面中点应力变化存在明显的锯齿状分布;路基内孔隙水头及列车行驶速度均会对路基动力响应产生影响,即路基动力响应主要受孔隙水头和列车行驶速度控制。     

无砟轨道X形桩–筏复合地基动土压力分布规律试验研究

基于1∶5的轨道–路基–桩筏复合地基模型,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下无砟轨道X形桩–筏复合地基的动力特性模型试验,研究不同激振频率引起的轨道–路基–桩筏复合地基中的速度和动土压力,测得了速度响应、动土压力随深度和激振频率的变化规律。研究结果表明:在路堤横截面方向上,振动响应主要集中在轨道–路基结构中,基床表层中的动土压力在路堤横截面方向呈"W"形分布,地基表面的动土压力呈"U"形分布。基床表层中的动土压力荷载放大系数随激振频率的增加而逐渐增加。相关研究成果可为无砟轨道X形桩–筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基动力性态的全比尺物理模型试验

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基的振动特性和动力荷载传递规律对高速铁路的设计和运行维护十分重要。介绍了一种全比尺的高速铁路板式轨道路基模型和可模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统,最高模拟列车速度可达360 km/h。基于该模型试验平台,对中国高速列车以不同速度运行下板式轨道路基的振动和动应力特性进行了试验研究。结果表明轨道结构的振动随着车速的提高近似呈线性增加的趋势;路基结构的振动存在阶段性,列车速度低于180 km/h时振动速度增长缓慢,而后随着速度的增加迅速增大;基床表层的碎石层对振动在路基中的传播有很好的吸收作用。试验发现,尽管无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道,但无砟轨道路基动应力沿深度的衰减速度要缓于有砟轨道。试验进一步发现,无砟轨道路基动应力的增长模式与列车速度和土体所处深度均有关,基于试验结果提出了用于预测高速铁路路基动应力的经验表达式。     

桩网结构路基应力传递特性及累积沉降规律

桩网结构路基由于诸多优点而成为高速公路、高速铁路广泛采用的一种路基形式。通过足尺物理模型试验研究了动、静荷载作用下的应力传递特性以及长期列车荷载作用下的路基累积沉降规律。试验表明,路堤内部的静应力先随路堤深度衰减,到达土拱区域后,桩顶上方土体的应力并没有衰减,反而随路堤深度递增,即产生明显的土拱效应。列车动荷载作用下,土拱效应仍可以发挥作用,动应力沿深度的分布模式与静载作用下类似。该种形式的桩网结构路基在40k Pa静载作用下,变形小于1mm,荷载20k Pa时,路基弹性变形小于0.4mm。该种路基在列车循环荷载作用下的累积沉降在毫米级别,并在列车运营的1~2年内完成。     

350 km/h高速铁路有砟轨道基床结构的技术条件分析

采用车辆轨道路基垂向耦合动力学模型,研究了轨道高低不平顺下有砟轨道路基动力影响系数φ_i的概率分布特性;根据循环荷载下路基粗粒土典型填料单元模型试验反映出的累积变形状态特征与荷载水平的关系,明确了基床以下填料处于无时间效应变形状态、基床填料处于微弱时间效应变形状态的设计工作状态;以基床结构的动强度、长期动力稳定性、循环变形为设计控制指标,开展了高速铁路有砟轨道基床结构的技术条件分析。研究表明:表征路基承受列车动力效应程度的φ_i沿线路纵向服从对数正态分布;列车荷载作用下,路基各结构层的累积变形状态与填料性质密切相关;基床结构的长期动力稳定性为设计主控因素,据此,提出了适用于350km/h有砟轨道高铁基床双层结构型式的技术标准建议。     

考虑列车轴载时序的有砟轨道路基动应力频响特性

列车移动轴列荷载经轨道结构传递扩散至路基,引起的动应力受车辆几何参数影响具有周期性。以单位脉冲函数描述轴载时序的周期特征,引入颗粒介质随机应力扩散理论建立单轴载沿深度扩散分布模型,运用卷积定理推导路基动应力时程及频谱表达式,分析高速铁路有砟轨道路基动应力主频过渡、幅度抑制、快速衰减特性及随列车编组、路基深度的演化规律,并通过现场实测进行验证。研究表明：随列车编组n增加,路基动应力频谱主频由车辆定距频率fb整数倍逐步过渡到车长频率fc整数倍,中国标准动车组条件下存在基频f₁=(1+0.398/n^1.546)·f_c拟合关系;车长频率fc部分整数倍Nr所对应频率f_r=N_r·f_c出现幅度抑制为零现象,由车长L_c和轴距L_a决定,产生周期性幅度抑制条件需满足0.5L_c/L_a为整数;路基动应力频谱谱峰值随主频增加呈快速衰减趋势,并沿路基深度大幅降低,幅度衰减90%所对应截止频率由基床顶面的11倍f_c减至基床底部的2倍。研究成果对深入分析高速铁路路基动力响应特性具有参考价值。     

重载铁路过渡段路基动力响应特性试验研究#br#

掌握列车移动荷载作用下路基的动力响应特性可为路基沉降预测,状态评估提供依据。开展重载铁路过渡段路基动力响应测试,研究动位移峰值沿线路纵向及边坡方向的变化规律,分析路肩处动位移峰值的随机分布规律。研究列车动荷载作用下路基的动力响应特征,并揭示振动能量沿路基边坡的衰减规律。结果表明：列车动荷载对路基的作用具有明显的周期性,可将相邻车厢的两个前后转向架作为一个加载单元,在该加载单元的重复作用下路肩处的动位移峰值服从正态分布。重载列车动荷载作用下路基的振动频率主要分布在0~20Hz范围内,振动能量从路肩向坡脚方向衰减剧烈,基床层受列车动荷载影响显著,而基床以下路基受列车动荷载影响非常微小。分析结果有助于评估列车荷载作用下路基的瞬时及长期动力稳定性,同时为采用模型试验及数值分析手段研究路基动力响应特性时准确模拟重复列车动荷载提供了思路。     

高速铁路板-路基系统静力特性分析

介绍了国内外高速铁路无碴轨道及铁路路基基床研究的发展现状.针对高速铁路列车、轨道、路基相互作用问题,提出了将板式轨道和路基基床结构作为一个系统来考虑.利用有限元分析软件ANSYS建立了三维空间轨道板-路基模型,对板-路基系统在列车静荷载作用下的受力和变形进行分析,为板式轨道和路基基床的设计和力学参数的选择提供依据.     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

高速铁路路基动力响应有限元分析

根据高速铁路列车对路基结构运行的特点,结合路基结构形式,基于弹塑性本构关系,利用有限元软件MIDAS/GTS,选取模型参数,建立轨道-路基体系的三维有限元计算模型,对轨道和路基动力特性进行研究,分析路基在高速铁路列车振动荷载作用下的变形特性,以及路基动位移和动速度随路基深度变化的动力响应特性,并找出其规律性,对高速铁路路基设计具有重要的指导意义.     

高速列车荷载作用的动三轴试验模拟

动三轴试验是目前最常见的获取高速列车荷载作用下土体变形、强度特性的室内试验手段。为探讨模拟高速列车荷载时加荷模式、排水条件、加荷次数等因素对试验结果的影响,利用GDS动三轴仪,对高速铁路沿线典型黏性土进行高振次循环动三轴试验,研究不同试验条件下试样变形、孔压发展规律和临界循环应力比的变化。研究建议可采用半正弦波在排水条件下进行动力试验模拟高速列车荷载,获得地基土体的最大可能变形和临界动应力比,从而简化试验过程,大大缩短试验时间。     

高速铁路CFG桩-筏复合地基现场测试研究

基于沉降控制设计理念,沪宁城际铁路路基试验段采用CFG桩-筏复合地基。为探索其沉降控制机理和承载特性,对路基沉降变形、桩土应力分布、超孔隙水压力消散等进行了长期观测,获取了一些客观的数据。分析了路堤荷载作用下复合地基沉降、土体侧向变形、桩土应力沿路基横向分布以及孔隙水压力随时间变化规律,探讨了桩土应力比与荷载分担比变化规律。为CFG桩-筏结构在高速铁路软基处理中应用进一步理论研究与设计优化提供试验依据。     

基于2.5维有限元方法分析列车荷载产生的地基波动

开发一种2．5维有限单元结合薄层单元的高效数值方法来研究铁路轨道和周围地基在列车运动荷载作用下的振动响应以及应力波在三维地基中的传播问题。其中轨道被简化成铺设在无限半空间上的欧拉梁，具有复杂构造和地质条件的路基近场区域则采用有限单元来模拟，并且利用动力薄层单元构建透射边界来模拟波在远场土体中的传播。通过沿轨道方向的波数变换将三维问题降维成每个节点有3个自由度的平面应变问题，对求解得到的结果进行波数扩展，获得轨道和地基在移动荷载作用下的三维动力学问题的解。考虑单一移动荷载和列车多轮重荷载两种情况下轨道的振动以及周围地基中的响应波场，并用瑞典X2000高速列车运行的现场测试数据对计算结果进行验证，分析列车荷载作用下地基的响应特性和在特定场地上运行高速列车时临界速度的确定。     

移动荷载作用下高速铁路轨道-路基-地基耦合系统振动加速度的空间分布特征

为获得移动荷载引起的加速度的空间分布,基于多尺度和精细化建模技术,建立了350 km/h的双线高速铁路轨道-扣件-轨枕-轨道板-CA砂浆层-底座板-基床表层-基床底层-路基本体-地基为一体的耦合大系统非线性真三维数值分析模型。采用动接触算法模拟底座板底面和基床表层表面之间的动力相互作用,采用三维黏弹性静-动力统一人工边界技术模拟无限地基的辐射阻尼和弹性恢复性能,考虑移动荷载作用前路基中客观的静应力状态对后续动力计算的影响和地基土、路基填筑材料的非线性,借助于大规模并行计算技术,模拟了地基的初始应力场生成、轨道系统和路基的施工过程和随后8辆编组高速动车组的运行过程。基于分析结果,总结了轨道-路基-地基系统各部分的振动加速度在时间和空间上的分布特征,验证了实体单元模拟轨道空间振动响应的优势。     

重载铁路基床动力湿化特性试验研究

重载化是铁路扩能改造的重要途径,然而轴重增加会加剧重载铁路路基土湿化变形,引起路基的不均匀沉降,影响列车的安全运行。结合朔黄重载铁路路基病害段实际工况,采用GDS动三轴仪进行了室内动力湿化试验,研究了动应力幅值、压实度对土样湿化变形特性的影响。试验结果表明:1一定压实度下,土体动力湿化变形与动应力幅值可采用指数关系拟合;2土体压实度对动力湿化变形有明显影响,压实度大于95%时,动应力对湿化变形的影响显著降低;3存在一个临界的含水率(本试验为15%),土样饱和度低于临界含水率时,动应力对湿化变形影响不明显,而大于时土样湿化变形显著加大;4分级加载试验表明,土体累积变形随动应力增大而增大。     

列车动力荷载作用下路基土动力变形分析

结合列车运行的相关参数,在室内对路基土样进行动三轴试验,对路基土体在动荷载作用下的变形进行分析.试验结果表明:路基土体存在临界动应力,当列车产生的动应力小于土体临界动应力时,路基变形不会产生破坏,不同动应力作用下,路基土变形规律相似,在振动的前期,变形约占总变形的60%,随着振动次数的增加,变形将趋于稳定.当列车产生的动应力大于土体临界动应力时,路基变形将产生破坏.     

列车荷载下螺杆桩复合地基动力特性及承载性状试验研究

通过进行模拟列车荷载下铁路螺杆桩复合地基的室内模型试验，测试在列车多运作模式下桩–土系统的动应变、动土压力、累积位移特征；分析螺杆桩–土系统在列车荷载下的动力响应时频域特性，并进一步探讨在不同时速条件下的桩–土受力变形程度的相关性。基于线性拟合方法建立桩土动应力比与列车运行时速的经验关系。结合桩–土荷载分担关系、桩体动轴力及桩侧动摩阻力的综合考虑，揭示列车动荷载下螺杆桩–土的相互作用关系及荷载传递机制。结果表明：(1)在列车动载作用下，螺杆桩螺纹段变形程度大于直杆段，尤其在变截面处易产生变形破坏。(2)在普速、快速、高速行驶条件下优势频率分别集中在2～6,8～11,14～16Hz，随着列车时速的增大，主导频率趋近于列车自振频率，频带宽度减小。(3)螺杆桩复合地基的动力特性与列车运行时速存在高度相关性。(4)螺杆桩复合地基加固作用下，铁路地基临界速度在280 km/h左右，相对普通桩加固地基提高了29.62%。(5)列车运行时速越快，在桩土复合地基中土体承载发挥作用变大，而桩体承载发挥作用减小，造成桩土协同作用性能降低。研究成果对铁路螺杆桩复合地基的设计优化及列车运营时速的规划具有一定参...