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.     

高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后动力性能及长期耐久性的试验研究

高速铁路路基的过大沉降影响轨道结构耐久性和列车运行安全,有必要及时通过抬升路基水平恢复轨道线路的垂向平整性。尝试通过在路基表层和轨道混凝土底座之间进行非水反应高分子聚合物填充注浆的方法实现轨道结构的整体均匀抬升。通过大型物理模型试验测试分析了抬升后轨道-路基的整体动力学性能及长期耐久性。通过定点循环激振试验对比分析了路基抬升前后的轨道整体刚度的变化规律,发现抬升后整体刚度相比抬升前略有减小,但对轨道-路基体系自振频率的影响有限;模拟列车运行的大周次循环加载测试了抬升后路基的动力累积沉降和动刚度变化过程,结果表明抬升后路基在列车长期荷载作用下具有较好的动力稳定性。     

高速铁路路基动力学研究进展

高速铁路是各个国家竞相发展的关键交通基础设施,对经济发展和社会进步都具有重要意义。高速铁路有别于传统铁路的最大特点是列车运行速度高,从而对铁路路基的振动和沉降等提出严苛的控制要求,突破传统岩土工程理论和技术范畴,高速铁路路基动力学已经成为铁道工程、岩土工程、结构动力学等多学科交叉的国际前沿和研究热点。文中总结国内外对高速铁路路基动力学的研究进展,重点阐述列车荷载作用下路基动力响应的理论分析模型、路基内部动应力分布特征和随着列车运行速度提高的放大效应、列车运行引起路基循环累积沉降分析方法及控制和修复技术等三个方面,并提出高速铁路路基动力学发展的展望。     

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。     

循环荷载下红层泥岩的动力特性及路用性能研究

 为验证达成(达州--成都)线红层泥岩能否满足高速铁路路基填料的要求,对其进行室内动三轴试验和红层泥岩路基的现场循环加载试验。由动三轴试验研究红层泥岩在循环荷载下的动强度和变形特性,引入动应力水平的概念,得到达成线红层泥岩的临界动应力水平约为30%;通过分析动剪应力比SRd与土体累积变形之间的关系,提出一个红层泥岩循环累积变形的计算模型,并明确模型参数的物理意义及确定方法。现场循环加载试验表明,用红层泥岩填筑路基基床底层,路基的沉降量和沉降速率均能满足高速铁路的要求;应用所提出的预测模型来计算红层泥岩路基层的累积变形,其达到稳定时的计算值和实测值很接近,但由于现场和室内试验条件的不同及加载频率的影响,在变形稳定以前,模型计算值和实测结果之间存在一定的差异。     

客运专线CFG桩加固路基工后沉降分析

高速铁路路基在运营荷载往复作用下会产生累积的沉降变形和不均匀沉降,而引起的这些变形将会影响上部轨道结构的平顺性。因而,控制路基变形是保证高速铁路路基稳定性和线路平顺性的重要措施。笔者以哈大客运专线某实验段CFG桩加固路基为例,应用有限元软件ANSYS建立平面模型对路基沉降进行数值模拟,分析加固路基在荷载的作用下路基不同深度处工后沉降,明确铺轨时间并验证是否满足客运专线规定路基工后沉降的标准。     

高速铁路轨道-路基列车移动荷载模拟的全比尺加速加载试验

介绍了一种全比尺的高速铁路加速试验装置,以重现轮轴移动荷载下轨道路基的动力响应和长期性能。根据列车移动过程中扣件承受荷载的模拟要求,提出高速铁路路基加速试验的设计准则。在此基础上自行建造完成时序式动力加载系统,由8个动态液压激振器、1套控制系统和1套反力框架构成,在室内实现最高速度360km/h列车移动荷载的有效模拟。同时在室内建设完成1∶1比尺的I型板式轨道-路基模型,通过控制填料级配、目标密度和目标含水量来保证路基的压实系数、地基系数和变形模量等指标满足规范的设计要求。前期试验表明,随着列车荷载的逐层传递,其叠加效应愈加显著。轨道结构荷载峰值对应列车轮轴,路基动土压力峰值对应列车转向架。路基横断面方向,基床顶面的动土压力呈马鞍形分布,两侧应力最大,轨道中心应力最小;地基顶面的动应力分布较为均匀。路基土体应力-变形呈现出明显的滞回特征,从长期加载过程看,土体残余变形逐渐累积,表现出明显的塑性特征;但对于每一次加卸载过程,土体的应力-应变可近似为非线性弹性行为。     

地铁行车荷载作用下地基土动孔隙水压力实验研究

通过单辆列车荷载,考虑列车间隙时间的长期荷载作用下的动孔水压力室内实验,确定了南京地铁一号线地基土的临界动应力比和临界动应力比时,列车运行初期孔压增长,后期基本不变,反之,每次列车荷载均会引起孔压增长,但后期孔压增长值很小,且增长值趋于稳定,最后通过地基土中动应力计算和分析,认为在地铁列车荷载作用下,南京地基土的孔压模型为强化型,并建立了动孔压计算模型。     

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。     

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。     

中国青藏铁路北麓河路基冻土动应变速率试验研究

基于低温动三轴试验,研究中国青藏铁路北麓河路基冻结粉质黏土在轴向分级循环荷载作用下的变形特征。在不同负温、频率、围压、含水率条件下,考察冻土试件轴向残余应变时程曲线,获得轴向动应变速率受动应力幅值影响大,并随应力比增大而增大,随负温降低、频率升高、含水率增大而减小,随围压增加而线性增大的结论;据此,提出采用幂函数拟合应力比、负温、含水率、频率与轴向动应变速率之间关系,并合理解释冻土特有的振融沉陷的成因机理。有利于合理预测青藏铁路等实际工程在交通荷载作用下由冻土动力残余变形而产生的沉降量,并对于进一步研究冻土路基列车行驶振陷问题具有重要意义,且为建立冻土疲劳模型积累基础试验成果。     

铁路路基沉降变形问题的控制方法研究

指出铁路路基在自重力和列车荷载力的作用下,容易产生施工后的沉降变形问题,对铁路路基沉降问题原因进行了分析,并提出控制铁路路基沉降变形的具体方法,以便作为铁路建设工程施工的借鉴参考资料。     

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。     

高铁桩网复合结构路基长期运营沉降模型试验研究

高铁路基沉降控制是保证列车安全性和舒适性的重要因素。随着高铁运营时间增长,软土地区高铁路基长期沉降问题越来越引起关注。针对京沪高速铁路徐沪段某试验段,开展了桩网复合结构路基长期循环动态加载物理模型试验,获得了路基沉降、桩土应力分担及桩身轴力分布的变化规律。试验结果表明:在初始1000次加载时,路基沉降随加载次数增加明显,之后达到稳定;桩上部位置土体变形大于桩身变形,桩侧呈现负摩阻力,中性点位于距桩顶约2/3桩长位置;桩身轴力随加载次数增加而增大,说明桩分担荷载增加,当达到4万次加载后,轴力随加载次数增加不再明显。     

Wind tunnel tests on train scale models to investigate the effect of infrastructure scenario

The cross wind risk analysis is today, within the European railway operators, one of the most important items related to the safety problem. In order to define the risk associated with the cross wind along a railway line, the effect of the infrastructure scenario on the aerodynamic loads acting on a vehicle have to be investigated. A typical railway line is mainly characterized by two main types of scenario: viaduct and embankment. In this work, the aerodynamic coefficients of the ETR500 train, measured through wind tunnel tests, for the standard TSI infrastructure scenarios (flat ground with and without ballast and rail and 6 m-high embankment) and for a typical Italian viaduct are presented. Moreover, each infrastructure is characterized in terms of flow modification with and without train. A comparison between the experimental results obtained with the different scenarios allows to point out the effects of the infrastructure on the aerodynamic loads.     

单向循环荷载下超固结软黏土的永久变形特性

为研究超固结饱和软黏土在单向循环荷载作用下的永久变形特性,采用GDS动三轴,对不同超固结度的温州饱和软黏土试样进行了一系列单向循环加载试验,分析了循环动应力水平以及超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在单向循环加载作用下,超固结饱和黏土存在循环动应力阈值,通过几何作图法综合确定温州饱和软黏土的循环动应力阈值为0.59~0.68,可作为软土路基沉降控制的标准。基于试验结果并结合指数模型,构建了可以综合考虑循环动应力水平、超固结比以及循环次数的饱和软黏土永久轴向应变显式计算模型,适合饱和软黏土地基在交通循环荷载下的累积变形分析。     

循环荷载下饱和软黏土的累积变形显式模型

显式模型是计算交通等长期动荷载引起地基沉降的实用方法。在考虑影响饱和软黏土循环荷载下轴向循环塑性累积应变的应力历史、动偏应力水平及第一次轴向循环塑性累积应变与围压归一化基础上提出了计算饱和软黏土轴向循环塑性累积应变显式模型。模型同时反映了等向、偏压固结不排水循环加载轴向循环塑性累积应变发展规律,并很好地反映了围压的影响,其主要参数有明确的物理意义且易于确定。通过上海地区第④层饱和软黏土一系列静力三轴、循环加载试验验证了模型的合理性,得到了模型相关参数。     

Reliability,availability and maintainability analyses for railway infrastructure management

Abstract

Reliable, available, maintainable and safe operation in railway transportation is significant for passenger and freight transportation. For these reasons, European Union put into practice a standard in 1999 known as EN 50126 to prevent railway accidents and to ensure a high level of safety in railway operations. The EN 50126 standard consists of these following concepts: Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS). These concepts are also recognised as RAMS analyses, which enable to do risk analyses to minimise the risks to the acceptable levels. In this study, a model framework including some stages was developed and the Reliability, Availability and Maintainability (RAM) analyses were applied to the railway infrastructure management. In addition, a case study was analysed for Uzbekistan high-speed railways between Tashkent and Sirdaryo train stations. The RAM analysis techniques were used during the analysis stages. The analyses were performed for the track geometry and the each type of railway track components to achieve a reliable, available and maintainable railway infrastructure management.