铁路道砟材质选型分析与建议

我国铁路覆盖范围广,沿线所处地质环境复杂、气候多变,铁路运维面临巨大挑战。有砟道床作为铁路重要组成部分,其养护维修一直以来倍受关注,然而,岩石材料具有多样性和分布不均衡性,且我国道砟材质标准及选型较为单一,并未考虑地质及气候环境等因素,给铁路建设及运维带来一系列问题。针对此,总结世界各国道砟选型方式及方法,对比复杂环境道砟材质选型标准,归纳新型道砟材料,并且解释了标准中用于道砟性能量化的指标及其试验方法。对比各国所道砟材质及其配套的选型标准,得到以下主要结论:(1)针对我国现有道砟规范问题,可以考虑根据铁路沿线地质和气候等因素选择道砟材质;(2)目前仍没有方法可以快速、准确并且不破坏道床的方式来得到道床堆积密度;(3)为实现双碳目标,在有条件的新建或改建线路上可考虑选用建筑固废、工业固废等新型道砟材料。

基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

国内外铁路巡检无人机应用现状分析(上)

详细阐述中国、美国、韩国、澳大利亚、荷兰等铁路巡检无人机的应用现状,总结无人机在铁路巡检上的优势。指出铁路巡检无人机存在航权受到限制、缺少飞行操作员、结果智能化处理水平低、受恶劣天气制约等问题,并从无人机的自动化程度、在铁路行业内的认可度、应用范围、巡检数据融合、接触网异物处理、运行管理水平等方面提出无人机未来发展方向。

既有线有砟道床注浆加固技术研究进展

随着列车速度和轴重的不断提高,既有线路道床劣化现象严重,其成为影响铁路运输安全的重要因素。针对道床劣化机理及危害,对比不同加固方法,着重围绕有砟道床注浆加固技术,深入了解国内外道床注浆技术的研究进展,详细介绍了日本、韩国和伊朗等国家在注浆道床性能测试方面的主要工作。并从有砟道床的成分和组成、注浆作用机理、注浆力学特性等方面,探究了有砟道床加固技术的发展方向。

高速铁路飞砟风险等级模糊层次综合评判

高速铁路飞砟是制约有砟轨道发展的重要原因之一。飞砟发生过程和运动规律存在着不确定性,受到列车空气动力、轨道响应、地面和天气条件等多种因素的影响。针对既有飞砟风险评价指标单一的不足,通过系统梳理高速铁路飞砟风险影响因素,提出基于模糊层次综合评价的高速铁路飞砟风险评估方法。首先,梳理高速铁路有砟轨道道砟颗粒迁移-飞溅的影响因素,构建飞砟风险等级评价指标体系和递阶层次评价结构;然后,采用层次分析法计算风险评价指标体系中风险因素的权重;在此基础上,选取合适的隶属度函数计算隶属度向量并进行集化,得到最终综合评估值,以此确定飞砟风险级别。通过使用以上方法对欧盟发生飞砟的典型路段以及我国银西高铁有砟道床试验段进行风险评估,结果表明:欧盟2001—2010年发生飞砟的线路风险级别高,有7条线路处于Ⅳ级风险,1条线路处于V级风险;随着列车和轨道结构的不断优化,现在高铁飞砟风险逐渐降低,尤其是我国银西高铁建成的新型有砟轨道结构试验段,通过优化道砟粒径、取消砟肩堆高、降低道床顶面位置等措施大幅度降低飞砟风险。本方法可将边界不清的因素定量化,有效评判高速铁路飞砟风险级别,并可指导高速列车和有砟轨道结构优化,保障列车安全平稳运行。

国内外铁路巡检无人机应用现状分析(下)

详细阐述中国、美国、韩国、澳大利亚、荷兰等铁路巡检无人机的应用现状,总结无人机在铁路巡检上的优势。指出铁路巡检无人机存在航权受到限制、缺少飞行操作员、结果智能化处理水平低、受恶劣天气制约等问题,并从无人机的自动化程度、在铁路行业内的认可度、应用范围、巡检数据融合、接触网异物处理、运行管理水平等方面提出无人机未来发展方向。

基础设施的水下机器人检测应用与展望

水下机器人检测是一种新型实用的水利工程检测方法,与传统方法相比,效率和精度更高,检测范围更广。但在实际应用中,该方法仍存在一些问题,需要进行完善。文章重点介绍水下机器人的应用、发展和挑战,探讨了关键技术和技术难题,总结和提炼了发展趋势和重点研究方向,为未来水下基础设施智能运维提出相应策略,有助于提高水下基础设施安全性和可靠性。

城市轨道交通有砟轨道的应用及养护维修探讨

绿色低碳可持续的城市轨道交通发展对“碳达峰、碳中和”目标的实现具有重要意义。围绕有砟轨道技术在城轨线路中的应用及其养护维修进行探讨,可为城市轨道交通高效、高质量发展提供研究思路。基于对传统铁路有砟道床服役年限的总结,通过线路年通过量计算不同制式城轨线路中的有砟道床服役寿命,并进一步针对地面线及高架线城轨有砟道床开展结构选型研究。在此基础上,对国内外城轨有砟道床养护维修相关新型机械及维修工艺进行介绍,为有砟轨道在城市轨道交通中的实际工程应用提供借鉴和参考。

循环荷载作用下道砟破碎老化的离散元仿真

为从细观力学上反映道砟与轨枕的相互作用机理以及道砟颗粒的破裂过程,建立了道砟-轨枕离散单元模型,对循环荷载作用下道砟破碎老化进行了仿真.道砟由不规则圆盘簇组成,分为不可破裂与可破裂颗粒,并施加单调荷载和循环荷载.结果表明:相同荷载下,加载时轨枕与道砟的接触力大于卸载时;破碎道砟颗粒集中在轨枕下方,道砟颗粒破裂产生的沉降是造成轨枕沉降的主要原因,沉降量随道砟颗粒强度的降低而增大.

高速铁路有砟轨道横向阻力宏细观分析

研究目的:道床横向阻力是保持列车平稳安全运行的重要因素,砟肩部位是横向阻力重要组成部分,但高速铁路为防治飞砟采取降低砟肩堆高措施,导致道床横向阻力降低。为探究不同速度等级下高速铁路有砟道床横向阻力变化情况,本文进行了Ⅲc型轨枕在不同道床几何断面下横向阻力现场试验。同时,基于3D扫描与离散元法,以颗粒簇Clump和墙体单元分别模拟道砟颗粒和轨枕,细观分析阻力大小、分担、力键及接触特性。研究结论:(1)速度由200 km/h提升至250～300 km/h、300 km/h以上(350 km/h)道床断面条件下,试验结果分别相应降低6. 6%、11. 8%,数值研究分别降低12. 6%、24. 2%,建议300 km/h以上(350 km/h)应采取措施满足横向阻力要求;(2)轨枕底部及轨枕端部占约80%道床横向阻力,枕心部位道砟并未充分参与和作用,宜采取轨枕结构设计、密实和部分胶结方案;(3)轨枕底部-道砟在轨枕横向位移时接触数目较小,轨枕底部结构和纹理可进行优化以增大接触数目;(4)本文研究结果对不同时速下有砟道床断面选型具有一定指导意义。

吹砟车维修机理离散元仿真与应用

研究目的:吹砟车维修在轨枕下方补充硬质小道砟,避免捣固道砟和破损,工程实践上能消除道砟记忆效应。但在微观力学层面缺少对吹砟维修作业方式和效果应用研究,为微观力学层面研究吹砟车工作原理与养护效果,采用颗粒流离散元方法建立道砟-轨枕三维箱体模型,其中采用与道砟颗粒大小一致不规则球体组合代替道砟,借以更加真实模拟道砟颗粒之间咬合力,在轨枕单调加载下研究吹砟养护前后道床力学特性。研究结论:吹砟维修作业前后微观力学分析表明,吹砟车维修能降低轨枕-道砟接触层作用力,对轨枕-道砟沉降影响不大,从数值原理上定量揭示吹砟车维修作业力学原理;与捣固维修作业相比,吹砟维修是一种效率高、成本低、开通速度快、环保维修方法。

高速铁路飞砟防治专用聚氨酯适用性研究

研究目的:道砟飞溅是高速铁路有砟道床面临的重要问题,为防治飞砟,本文针对5种低强度防飞砟专用聚氨酯,提出一种可捣固的道床全断面表层固化方案。根据道床纵、横向阻力试验判定喷涂聚氨酯对道床的加固作用;根据风洞试验判定防飞砟性能;根据捣固测试判定可捣固性能;根据单轴无侧限压缩试验判定聚氨酯固化强度增长特征。研究结论:(1) 1号至5号聚氨酯(强度分别为1. 38 MPa、3. 70 MPa、5. 30 MPa、14. 20 MPa、27. 40 MPa)固化后,道床纵向阻力相比固化前提升约6%~16%,道床横向阻力提升约9%~17%,对道床稳定性起到了有效的提升作用;(2)采用强度最低的1号聚氨酯固化时,道床在30 m/s风速(相当于350 km/h列车通过)下并未产生道砟位移情况;(3)除5号聚氨酯强度稍大,捣固时破坏了一定数量的周围粘结,其余4种均可正常完成捣固维修,根据对比分析选取4号聚氨酯为最优;(4) 4号聚氨酯完全硬化需要7 d,可在喷涂1 d后达到最终强度的69%,2 d后达到88%;(5)本研究结果对时速350 km及以上有砟道床结构选型、养护维修具有参考意义。

基于力学平衡原理飞砟机理与防治研究

从微观力学原理上,通过力学平衡法则,揭示轨枕-道砟-列车风相互作用力学特性与作用机理,建立飞砟力学平衡机理模型,阐述相关函数含义与工程意义,并研究其参数敏感性影响规律。研究结果表明:飞砟受到道砟颗粒形状、质量、密度单体特性和散体密实度、道床断面形状散体特性、轨枕动力学与空气动力学特性以及列车风动力学特性等影响,该飞砟力学机理模型可以用来优化道床结构形式与道砟参数,指导防治措施与方法。

框架优化型Ⅲc轨枕道床横向阻力试验研究

为对标准Ⅲc型轨枕进行外形优化及揭示轨枕优化前后道床横向阻力特性,针对Ⅲc型轨枕特定部位增设混凝土加宽(加厚)块,形成3种框架式轨枕,结合道床横向阻力测试实验,分析对比不同道床断面形式下(砟肩宽度300 mm堆高0 m;砟肩宽度500 mm堆高0 m;砟肩宽度500 mm堆高150 m)各框架轨枕与标准Ⅲc型轨枕道床横向阻力数值.研究结果表明:在不同道床断面型式下,各型框架轨枕均能有效增大道床横向阻力,相较于标准Ⅲc型轨枕,A型框架轨枕(轨枕承轨台双翼缘型)可提升道床横向阻力37.8%～50.8%,B型框架轨枕(枕中截面十字型)可提升道床横向阻力25.5%～41.0%,C型框架轨枕(轨枕承轨台下底部加厚型)可提升道床横向阻力13.3%～23.0%.

基于洛杉矶磨耗试验和图像分析道砟劣化研究

通过洛杉矶磨耗试验研究道砟劣化,基于激光三维扫描及图形分析法,分析道砟洛杉矶试验前后三维图形信息,研究道砟体积、形状、尖角和表面粗糙度等几何特性变化,同时和磨耗试验结果进行比较,揭示道砟劣化机理及劣化表现形式。研究结果表明：道砟劣化形式主要为尖角折断,最大磨耗值范围在4.0-9.0 mm,平均磨耗值在1.0 mm以内;单个道砟磨耗率随着道砟粒径增大而增加。研究结果对道砟标准控制、劣化评估及养护维修具有参考意义。

双块式轨枕道床横向阻力试验与力学分析

研究目的:道床横向阻力是保持轨道几何形位及无缝线路横向稳定性的重要参数。随着有砟轨道运营技术条件复杂化,对轨枕设计和选型提出更多挑战,发展更加安全、可靠、经济、可用轨枕技术方案成为研究热点。针对国内有砟道床上铺设双块式轨枕及其横向阻力研究较少的情况,本文通过进行一系列工况下双块式轨枕和Ⅲc型轨枕横向阻力试验,研究双块式轨枕横向阻力基本特性与影响规律。研究结论:(1)在相同道床断面条件下,双块式轨枕横向阻力高于Ⅲc型轨枕,前者较后者提高幅度13.6%~25.5%;(2)砟肩宽度增加,双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力均提高,但增长效果无明显差异;(3)砟肩堆高能显著提高双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力,如当砟肩堆高从0 mm增加到150 mm时,道床横向阻力分别增加4.2 kN(51.9%)、2.7 kN(38.0%),即砟肩堆高对双块式轨枕更有效;(4)本研究结论可为双块式轨枕在我国轨道工程上的应用奠定理论和试验基础。

有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

梯形轨枕具有稳定性好、振动小的优点,并能减弱传递给轨道的动荷载,使得梯形轨枕在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通中均有较好表现,但是其横向阻力一直未进行系统试验研究.本文研究了不同砟肩宽度(200、300、400、500 mm)梯型轨枕道床横向阻力,分析了阻力构成,并与Ⅲc型轨枕对比.结果表明,在砟肩宽度均为500 mm道床上,平肩式梯形轨枕与平肩式及砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕相比,阻力分别提升了约55%、14%,并且,平肩式道床砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中,梯形轨枕道床横向阻力无明显增长,其横向阻力主要由3部分构成,其中轨枕底面与道床摩擦提供约34%,枕心部位提供约47%,轨枕端部提供约19%.试验表明,采用梯形轨枕,可选用较小截面尺寸的道床,从而大幅节约建设用地及道砟用量.

中欧高速铁路有砟轨道道床参数的比较与分析

对中国和欧洲高速铁路道砟材质和道床断面尺寸,以及飞砟防治措施等方面进行分析对比,比较结果表明,部分标准内容略有差异,对于中欧不同的道砟试样采样和测试方法,需要进一步通过试验研究进行分析,对高速铁路有砟轨道设计提出建议。

针片状指数对道砟直剪力学特性的影响

为研究针片状道砟在破碎情况下对道砟散体直剪力学特性的影响,通过进行不同工况下道砟直剪试验,从道砟散体剪切强度、变形及破碎特性对试验结果进行分析.研究结果表明:(1)随着针片状指数增加,道砟散体直剪力学性能下降,包括抗剪强度和内摩擦角(100kPa 下当针状指数由0分别提高到20%40%时,抗剪强度分别降低10.9%、16.8%;片状指数由0分别提高到20%、40%时,抗剪强度分别降低14.7%、22.3%;针、片状道砟总值由0分别提高到20%、40%时,抗剪强度分别降低12.4%、18.9%).(2)随着针片状道砟含量增加,试样剪缩和剪胀量均降低.(3)针片状道砟在直剪试验过程中易于发生破碎,且破碎类型多为整体断裂并伴随尖角破碎折断,显著影响有砟道床维修周期.

严寒地区高速铁路冰雪飞溅特性及防治研究

研究目的:冰雪飞溅是严寒地区高速铁路有砟轨道面临的重要问题之一,列车结构和道床断面形式都是其重要影响因素。本文基于k-ε Realizable湍流模型,采用滑移网格技术,建立CRH3型高速列车-有砟道床模型,对列车绕流特性和道床空气动力学特性进行研究,揭示冰雪飞溅机理,以期为优化道床断面和防治冰雪灾害提供理论基础。研究结论:(1)车头、车尾和转向架区域,风速和风压出现大幅度波动,冰雪飞溅几率较高;(2)道床中心风压较大,风速较高,冰雪块极易发生飞溅现象,道床表面风压由内向外递减,轨枕槽内易出现冰雪块移动和堆积;(3)列车速度是影响冰雪飞溅的关键因素,随着车速增加,风压值随之变大,列车速度在250 km/h以上时,车速每增加100 km/h,风压峰值增加约1倍,冰雪飞溅几率明显增加;(4)风压随着砟肩堆高的增大而增大,在列车速度为350 km/h条件下,砟肩堆高由0 mm到150 mm,负压峰值增幅达9.0%,因此在保证道床横向阻力基础上宜降低砟肩堆高;(5)本研究结论可为冰雪飞溅防治提供工程依据及指导作用。