采空区场地高速铁路路基动力响应离散元数值模拟分析

目的高速铁路穿越采空区场地存在重大安全隐患,为探讨采空区场地高速铁路路基的动力响应规律,方法利用3DEC离散元软件建立17组采空区场地高速铁路路基数值模型,分析不同列车荷载作用下路基内部的沉降变形和动应力分布规律,对比分析无砟轨道和有砟轨道路基内部动力响应的分布差异,分析采空区开采宽度、厚度对动力响应分布规律的影响。结果与无砟轨道相比,有砟轨道路基内部的动应力幅值明显更高,但其动应力的衰减速率也更高;动应力、动位移的时程曲线沿着路基深度方向出现不断增大的相位差;路基内部动位移幅值随着荷载作用时间增加而逐渐增大,但增大的速度不断降低,动应力幅值基本保持不变;动应力、动位移幅值与列车轴重存在明显的线性关系,随着轴重增加而线性增大;采空区开采宽度、厚度越大,列车荷载造成的动位移幅值也越大,但当开采宽度大于一定数值后,动位移幅值反而出现减小趋势。结论列车荷载、路基轨道类型和采空区场地的差异都会对路基内部的动力响应分布情况产生影响,研究结果可为采空区场地高速铁路的安全运行提供理论参考。

铁路路基动力响应的2.5D有限元方法研究现状及展望

作为一种频域计算方法,2.5D有限元具备计算效率高、内存占用小等优势,同时也存在诸多局限。经过20余年的发展,2.5D有限元方法已经具备了描述复杂土体本构关系和复杂路基几何特征条件下铁路路基动力响应的能力。荷载输入方法、建模策略和波动吸收边界的持续优化使得2.5D有限元方法的精度不断提高,二维插值方法则为进一步提升计算效率提供了思路。目前,2.5D有限元已经成为铁路路基动力响应研究中的常用方法。为了理清铁路路基动力响应2.5D有限元方法的发展脉络,分别从荷载输入、路基系统、响应输出和计算精度及效率的提升方面总结了其发展现状,介绍了2.5D有限元在发展过程中遇到的瓶颈问题及解决对策。在此基础上,针对算法的精度和效率、研究的对象和内容进行了进一步的讨论和展望。

大风区高速铁路路基双侧挡风墙周围沙粒沉积数值模拟研究

兰新高速铁路横穿多个大风区,对其安全运营造成严重影响。为降低强风对线路的危害,在大风区修筑大量防风构筑物,其中以路基挡风墙最为常见,挡风墙降低了风害的影响,但是带来严重的线路积沙问题。通过数值模拟研究不同风速下路基双侧挡风墙周围的流场特征,利用风产生的壁面剪切应力与沙粒剪切应力的比值确定地表沙粒沉积与侵蚀类型。研究发现,气流在两道挡风墙之间分别形成一个顺时针涡流和一个逆时针涡流,在第二道挡风墙背风侧形成一个顺时针大涡,随着来流风速增大,漩涡尺寸和涡流强度均在增大;由于涡流的存在,部分沙粒被卷走,路堤背风坡附近以及路基面上的沙粒沉积显著减少,当来流风速为24、30 m/s时,南北侧线路道床面均出现沙粒反向侵蚀;单双侧挡风墙的积沙规律对比结果表明,设置双侧挡风墙时,线路积沙显著减少。研究揭示了大风区铁路双侧挡风墙周围路基面上的沙粒沉积规律,对未来风区铁路的防护建设具有指导意义。

铁路路基挡墙碳减排方案优选及降碳策略研究

铁路路基挡墙在铁路路基全生命周期产生的碳排放不可忽视。为探析不同类型挡墙碳排放水平,选取3种典型挡墙展开研究,提取碳减排最优方案并剖析不同策略组合对其碳排放影响,进而提出碳减排综合策略。首先基于LCA理论,将加筋土挡墙、重力式挡墙及土钉墙全生命周期碳排放分为建材生产、建材运输、施工建造与运营维护4个阶段,基于功能单位,利用碳排放因子法并依据碳排放计算模型测算各类型挡墙各阶段与总碳排放量。研究结果表明,加筋土挡墙因边坡植被固碳能力使其全生命周期表征出固碳效应,且固碳量为197.300 t,重力式挡墙与土钉墙总碳排放量分别为489.344 t和51.834t,故将加筋土挡墙作为碳减排最优方案。然后以加筋土挡墙为研究对象,提取其设计阶段碳排放影响因素,并利用敏感性分析方法识别出其碳排放最敏感的因素为边坡植被类型,其次为挡墙坡度。最后选取百喜草、结缕草、黑麦草3种植被与1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6、1∶0.7这4种坡度,分析不同策略组合对加筋土挡墙全生命周期碳排放综合影响。研究表明,对碳汇能力较强的百喜草,降低坡度可提高全生命周期固碳量;对碳汇能力一般的结缕草,避免不利坡度以提高全生命周期固碳量;对碳汇能力较弱的黑麦草,提升坡度可提高挡墙全生命周期固碳量。研究成果可为铁路挡墙降碳设计提供理论依据。

软土地区高速铁路路基U型结构安全风险控制研究

珠三角地区为海陆交互沉积平原区,工程地质环境极其复杂,存在诸多不确定风险因素,工程事故频发。为保证工程安全,施工阶段软土地基U型结构安全风险控制尤为重要。本文以新建佛山西站——广州南站广佛环铁路为研究背景,以初始风险等级评定为目标,通过专家调查法对初始风险进行识别并进行评价,在综合分析多种风险因的影响因素基础上,采取与之相对应的风险处理手段,最终确定残留风险等级。分析表明:U型结构及其基坑支护结构风险等级为“高度”的风险事件,通过采取相应的工程对策后,能够将初始风险等级降为“中度”和“低度”;由于地质因素及周边环境因素等还有不确定性,周边建(构)筑物分布众多,仍存在不确定因素,可能造成安全、投资、工期、环境等风险事件,应加强U型结构及基坑支护结构施工过程全程监控预警并及时预报工作。

冻融作用下高速铁路路基沥青混凝土防水封闭结构疲劳寿命预测模型

以高速铁路路基沥青混凝土防水封闭结构为研究对象,考虑季节性冻土地区的气象条件设计了疲劳试验和冻融循环试验,研究冻融循环作用对其疲劳特性参数演变规律的影响。结合平稳值与冻融循环周期的作用规律,提出了高速铁路路基沥青混凝土防水封闭结构在冻融循环作用下的疲劳寿命预测模型,并利用疲劳极限临界点的平均值对此疲劳寿命预测模型进行了可靠性验证。结果表明:沥青混凝土耗散能变化率与加载次数曲线在冻融前后呈现三个阶段;沥青混凝土防水封闭结构的疲劳寿命随冻融循环次数的增多而降低,且降低幅度越来越大,其抗疲劳性能受到显著损伤;经验证,高速铁路路基沥青混凝土防水封闭结构疲劳寿命预测模型准确、可靠。

铁路路基变形对无砟轨道结构影响研究综述

随着我国铁路事业飞速发展,铁路路基在长期服役过程中的变形问题及其对轨道结构力学行为的影响日益受到关注。对近年来的相关研究进展进行总结,分析铁路路基变形的主要原因,包括自然因素和人为因素;系统梳理路基变形对轨道力学行为的影响,如路基变形对轨道结构变形、车轨耦合振动及轨道结构的损伤劣化的影响研究现状;分析指出当前研究面临的挑战,并对未来在智能监测与预警系统、精准高效的数值仿真技术等方面的研究趋势进行展望。

软弱地层下穿盾构施工隧道对既有铁路路基变形的影响分析

基于长春地铁2号线某盾构区间下穿长双烟铁路工程研究软弱地层下盾构隧道下穿施工引起上部铁路路基沉降的影响规律,采用FLAC3D有限元软件进行模拟,研究铁路路基在不同施工工况下的沉降分布规律,并分析了土仓压力、注浆压力及深孔注浆加固作用下铁路路基的沉降影响。分析结果表明:盾构左线施工对铁路路基的扰动大于盾构右线施工;既有铁路路基的沉降量不受土仓压力的影响,但随着注浆压力的增加而降低;采用深孔注浆加固后铁路路基的最大沉降量满足《普速铁路线路修理规则》中的规定。分析结果可为软弱地层条件下盾构下穿铁路路基施工提供一定的参考依据。

岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明:铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。

高速铁路路基填料智能振动压实系统研制与试验研究

针对现有振动压实设备的局限性,研制一种振动参数调节广、能够实时监测填料干密度的室内智能振动压实设备,并进一步量化评估填料压实状态动刚度和强度的新指标。基于振动理论,揭示室内振动压实设备稳定工作机制,提出振动参数动态优化方法,基于表面沉降理论提出干密度实时计算方法,结合压密曲线建立压实性能评估方法,分别从滞后角修正刚度理论和相似修正强度理论,提出刚度和强度等力学指标对压实状态进行综合评估方法;研发室内振动压实系统以及数据采集分析软件,分析系统部件的工作性能和指标的测试计算方法;最后,开展室内振动压实试验。研究结果发现,增大容器直径和设备自重可显著提高填料干密度;当系统处于共振频率下,填料动刚度减小,承载能力增大;基于振动参数动态优化方法,能够有效减少30%振动能量输出,进一步提高压实效率,减少压实器械磨损及颗粒破碎。研究成果有助于加深对振动压实成型机理的分析,为振动压实试验方法在高速铁路路基建设中推广应用提供理论基础。

分布式模糊聚类微动法铁路路基岩溶地球物理探测:以皖赣铁路宁国改线工程为例

微动勘探法可探查铁路路基地下岩溶、裂隙通道等不良地质体的发育位置,针对反演成果中土、岩体分界面模糊不清,异常位置及边界不准确等问题,采用分布式模糊聚类算法分析反演数据。系统回顾了微动勘探法和分布式模糊聚类算法基本原理,以皖赣铁路宁国改线某区间既有铁路路基岩溶勘察为例,开展分布式模糊聚类微动勘探进行地层分层、溶洞自动划分。将分布式模糊聚类法分析前后的反演数据同时与钻探揭露结果对比发现,分布式模糊聚类算法可对分界面、异常区域进行自动有效划定,可更加准确地识别地质异常体。说明该方法可较大程度提高微动反演数据的准确率,为铁路路基工程的设计和施工提供参考。

基于连续检测的高速铁路路基压实质量控制方法

针对传统检测方法无法满足路基压实质量实时、全面控制要求的问题,开展了高速铁路路基碾压足尺模型连续检测试验,分析了路基压实过程中振动轮振动能量变化规律,建立了能量压实值与动态变形模量、地基系数和压实度的相关关系,对基于连续检测的路基压实程度、压实稳定性和压实均匀性进行分析。结果表明:振动轮振动能量随碾压遍数增大而增大,能量压实值与常规检测指标具有强相关性,可以作为高速铁路路基压实质量连续检测指标;采用考虑90%置信水平预测区间下限的压实质量连续控制值判断路基压实程度更符合路基实际压实状态;碾压区域内能量压实值平均增长率应小于2%,出现过压现象时应停止碾压;碾压结束后,各检测单元能量压实值应在碾压区域平均能量压实值的80%~120%范围内。

地震作用下可液化地层诱发铁路路基灾变预测研究

为预测地震作用下铁路路基下方可液化地层的液化可能性及路基震后行车安全性,以安徽铜陵港江北港铁路专用线工程为依托,建立路基三维数值仿真模型,对地震作用下可液化地层的孔压比及道床顶面中心处变形的变化规律进行研究,分析地震烈度及可液化地层埋深对其液化可能性的影响,进而通过道床变形对路基震后行车安全性进行预测.研究发现,当可液化地层埋深小于5m且当地震烈度超过6度时,道床变形将危害路基震后行车安全性;当地震烈度超过7度时,由于可液化地层完全液化失去抗剪强度,路基有发生完全失稳的灾变风险.应在施工期对液化可能性较大的可液化土体进行抗液化处理.

高速铁路路基智能压实与检测技术研究

本文在京滨城际铁路北辰站开展了现场路基连续压实检测试验,探讨振动轮与填料表面加速度特征,同时对能量压实值CEV的适用性进行研究。研究结果表明,碾压过程中振动轮上的加速度时程数据较为稳定,地面加速度数据的基波频率与振动压路机的弱振模式频率一致。通过相关性分析,CEV与常规检测指标的相关系数≥0.7,表明CEV整体上的稳定性、抗干扰能力与精准度皆优于CMV,更适用于A组、B组粗颗粒填料的压实度检测。

复合式TBM隧道下穿铁路施工对既有铁路路基稳定性分析

随着城市轨道交通建设持续进行,国家路网密度不断增大,新建城市轨道项目自城市中心不断往外敷设,与既有铁路线交叉概率不断加大,穿越工程中的安全问题成为了工程建设中的重中之重。本文依托重庆某轨道交通工程项目,对TBM隧道下穿铁路施工对既有铁路路基稳定性进行分析并提出部分防护措施,分析结果及采取措施可供后续相似工程作参考。

隧道施工地表铁路路基变形监测与预测方法

新建地铁隧道施工会影响地表既有铁路路基的结构稳定性,人工监测方法无法保证监测质量和频率。文章结合合肥市地铁4号线下穿合肥东编组站项目实际工况和应用需求,提出了一种基于智能全站仪的自动化监测方法,并融合了GA-BP神经网络的变形预测模型,对既有铁路路基实现连续自动化监测和变形趋势预测,获得铁路路基的变形规律和发展趋势,及早发现和消除施工带来的安全隐患,为地铁隧道施工和铁路运营安全提供数据保障。

风积沙填筑铁路路基累积塑性变形及临界动应力试验研究

目前用于铁路基床的填料大多数为级配优良的填料,而对风积沙作为路基填料在列车荷载作用下的累积塑性变形特性和临界动应力研究不多,但风积沙作为路基填料已在沙漠铁路建设中得到运用。为探究列车荷载作用下风积沙填料填筑铁路路基的累积塑性变形演变特性及临界动应力,考虑围压、动应力幅值、压实系数和含水率等因素的影响,开展一系列动三轴试验。试验结果表明:风积沙累积塑性应变随压实系数、围压的增大而减小,随动应力幅值的增大而增大。以最优含水率为分界点,低于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而减小;高于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而增大。风积沙试样的累积塑性应变曲线可分为:稳定型、临界型和破坏型。根据对累积塑性应变曲线的分类,获得了不同条件下风积沙填料的临界动应力。风积沙临界动应力随围压和压实系数的增大而增大,饱和含水率下风积沙填料的临界动应力明显小于天然含水率和最优含水率下风积沙填料的临界动应力。临界动应力和围压具有较好的线性关系。构建了可考虑围压和含水率影响的风积沙临界动应力经验公式,通过临界动应力公式确定了不同工况下风积沙作为路基填料的适用范围。试验结果可为沙漠铁路的设计、施工以及运营提供经验和理论依据。

寒区铁路路基微型盾构置换方法及防冻胀效果

针对寒区铁路路基冻胀整治难题,以我国一寒区铁路路桥过渡段冻害整治工点为依托,介绍了一种可在运营条件下实施的路基微型盾构置换方法。基于数值计算软件建立了环境-路基-盾构置换层-地基的多层结构水热力耦合模型,采用数值计算方法分析路基内部水分场、温度场、冻胀变形场的影响机理及演化规律,验证了盾构置换层所起冷屏障层、水分阻滞层、零冻胀填料夹层等预期效应。综合现场测试和计算结果分析,论证了微型盾构置换方法用于路基冻害整治的有效性与实用性。

逆断层错动诱发铁路路基变形演化机制

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题,通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算,分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因子,揭示了不同断裂带倾角、不同断裂带与线路走向夹角情况下逆断层错动诱发路基及地基变形演化机制。结果表明:逆断层错动影响下,路基顶面竖向出现S形隆起,水平方向上路基整体呈现向断层固定盘方向的推覆变形;根据路基边坡变形特点,可将边坡划分为推覆变形区、推覆-鼓胀变形区、潜在不稳定区;逆断层错动下,断层错动盘上方破裂属张拉破裂,断层固定盘上方大面积破裂既由张拉变形所导致,也由剪切变形所导致,属拉-剪混合型破裂;对于地基深部静止区与楔形剪切区之间的弧形破裂,随着破裂逐渐向地表延伸,破裂性质逐渐由剪切破裂向拉-剪混合型破裂转化。

有砟铁路路基层位变形智能识别方法

针对探地雷达单期数据无法获取路基层位变化情况的问题,提出了一种基于周期性检测的铁路路基层位变形智能识别方法。首先采用YOLO v5模型识别雷达图像中的桥梁设备,通过与设备表模糊匹配实现多时相数据的里程配准,再基于U‐Net模型对多期数据中的路基层位线进行准确识别,最后根据年变形量提取路基显著变形的里程范围,为养护维修决策提供数据支撑。采用实测数据进行了测试试验。结果表明:多期数据配准精度满足应用需求,自动识别的层位线与人工追踪结果相近,有效提升了探地雷达周期性检测数据的处理效率和精度,为铁路路基层位变形检测提供了一种新方法。