基于动应力响应的路基振动碾压性能仿真分析

为探究路基振动压实的动力响应特性,开展路基振动碾压的仿真分析,研究碾压过程中路基的竖向动应力响应分布规律,分析动应力沿路基深度及宽度方向的衰减效应,并探索压路机振动频率、名义振幅和碾压速度对路基内动应力分布的影响。结果表明:振动碾压下,路基内的竖向动应力近似呈长轴沿竖向的椭球状分布,振动能量主要沿深度方向传递,路基动应力随深度增加呈典型的指数函数规律衰减;振动频率28 Hz时产生共振现象,路基中竖向动应力达到最大值,说明此时土体吸收了更多的振动压实功,进而可达到更好的压实效果;随深度增加,路基中竖向动应力随名义振幅增加的增长速率逐渐减小,而其随碾压速度增大的衰减速率则有所增大。

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。

车辆轴载作用下无砟轨道路基面动应力分布规律探讨

针对双块式无砟轨道路基的典型结构,在参考遂渝铁路无砟轨道综合试验段现场测试数据的基础上,结合有限元数值计算结果,运用Winkler弹簧地基上叠合梁模型的计算理论,对车辆单轴荷载作用下无砟轨道路基面动应力分布进行讨论,提出反映无砟轨道路基面支承刚度的基床结构地基系数计算概念,初步建立无砟轨道路基面动应力沿线路纵向分布长度的解析计算方法。研究表明:车辆单轴荷载作用下路基面动应力分布表现为横向均匀、纵向三角形的基本形式;对路基面动应力沿线路纵向分布长度影响的主要因素是无砟轨道混凝土结构的刚度,车辆轴重的影响不显著;无砟轨道混凝土结构长期刚度的衰变将对路基面承受的动力作用产生不利影响。

高速移动荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构动应力分布规律

运用ANSYS软件,建立路堤上的CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构的动力有限元模型,研究不同速度移动荷载作用下轨道和路基动应力的分布和传递规律。结果表明:在不同的轨道和路基层内动应力沿横向的分布规律与移动载荷的速度相关性不大,而与各层距钢轨底面的距离关系很大;轨道板应力沿横向呈驼峰形分布,最大值位于钢轨正下方,钢轨之间应力水平基本一致;路基动应力随深度的增加,在距离钢轨底面1m范围内急速衰减,在1～4m范围内基本呈线性快速衰减,超过4m后衰减较为缓慢;不同位置的路基动应力总体上随着移动荷载速度的增加而增大,在80～350km·h-1的车速范围内具有较为明显的线性关系,而当速度小于80km·h-1或者大于350km·h-1时变化不明显。

基于行车试验的高铁路基面动应力幅值概率分布规律及设计值研究

高速列车荷载作用下路基动应力的大小直接影响到路基沉降变形及长期动力稳定性,现很多高铁线路路基动力响应数据仍处于“信息孤岛”状态,信息共享不充分和综合再分析不够,较难获得更具普遍意义和价值的路基动应力响应规律。鉴于此,采用现场实测、调研收集和数理统计分析的方法研究高速列车荷载作用下路基面动应力大小及概率分布规律,探讨《高速铁路设计规范》中路基面设计动应力幅值计算公式的适应性,并提出高铁路基面设计动应力幅值的计算公式。主要结论如下:(1)高铁无砟、有砟轨道路基面动应力幅值均服从正态分布,并统计获得了其特征值(均值μ、标准差δ,“3δ规则”的上下限值);(2)路基面动应力幅值与列车速度的关系:对于高铁无砟轨道,当v≥150km/h,路基面动应力幅值基本保持不变;当v≥150km/h时,动应力幅值随速度线性增加。对于高铁有砟轨道,动应力幅值随速度增大而线性增加。高速无砟、有砟轨道路基面动应力幅值的速度影响系数α分别为0.0015和0.0012;高铁无砟铁路轴重系数β=0.074,约为普通和高速有砟铁路β值的1/3~1/2;(3)提出高铁无砟、有砟轨道路基面设计动应力幅值计算公式分别为σ_(dl)=0.119P,v<150km/h,σ_(dl)=0.119P[(1+0.0015(v-150)],v≥150km/h(无砟)和σ_(dl)=0.27P(1+0.0012v)(有砟)。研究成果可为高铁路基设计参数取值提供参考及其设计动应力幅值计算公式的修订提供依据。

高速铁路桥路过渡段动应力测试与分析

研究目的:高速列车的平稳、安全运营,需要路基结构物提供沉降小、刚度大、动力特性稳定的轨下支撑系统。在武广高速铁路设计中,为实现桥梁与路基的刚度和沉降平顺过渡,设置了桥路过渡段。在过渡段中预埋设动测元件,研究CRH2动车组高速通过过渡段的动应力的空间分布特性。研究结论:桥路过渡段路基基床表层动应力的最大值位于过渡段正梯形底部折角处,均值约12.73 kPa;桥路过渡段路基基床表层采用级配碎石加强后,动应力在垂向衰减较快,至基床底层底面时,衰减率达90%;列车速度由200 km/h增加到250 km/h时,路基基床表面动应力增加约20%;车速由250 km/h增加到350 km/h时,过渡段路基基床表面的动应力增加约10%。

高铁有砟轨道路基面动变形分析方法及可靠度研究

路基面动变形是高铁路基设计的控制标准之一,其影响因素具有一定的不确定性,因此对其进行可靠度研究显得至关重要。利用布氏解公式,得到了列车荷载作用下路基面动变形的确定性计算模型。在确定性计算模型的基础上,引入列车动轴重、基床表层及基床底层弹性模量的变异性,得到了路基面动变形的概率分布。根据《铁路路基极限状态设计暂行规范(试行)》规定的路基面动变形不超过1mm的要求,建立了列车荷载作用下路基面动变形的极限状态方程;通过可靠度指标对参数的敏感性分析,分析了列车动轴重、基床表层及基床底层弹性模量的均值、变异系数等控制因素的影响作用,并以根据目标可靠度指标所确定的变异程度控制范围作为路基设计的控制标准。结果表明,列车荷载作用下路基面动变形服从对数正态分布,且同时受到基床底层弹性模量、动轴重的均值和变异性的显著影响。确定性分析与可靠度分析相结合能够更有利于高铁路基的安全设计。

重载货车作用下基床表层应力状态及破坏影响因素分析

重载货车作用下线路破坏问题与基床表层应力状态密切相关。通过建立货车-线路动力分析模型,分析货车通过时基床表层应力状态变化规律,研究道床厚度、轴重、速度、基床表层模量等因素对基床表层破坏的影响规律。结果表明:基床表层在车辆作用下遵循从纯剪到三轴剪切再回到纯剪状态的变化规律,主应力轴连续旋转180°;道床厚度低于0.5m、速度超过70km/h、基床表层模量低于160 MPa、轴重超过27t都有可能造成基床表层塑性变形;当应力路径超过破坏线情况下,路基弹性假设将不再适用。

高速铁路路基面动应力概率特性研究

路基动应力特性在高铁路基设计中非常重要,因此对其进行研究具有一定的意义。通过列车-轨道-路基三维有限元数值方法,计算得到了在京津城际轨道不平顺谱下路基面横向各位置处的动应力。利用概率统计理论,统计得到了3种列车速度下路基面横向各位置处动应力的均值和变异系数;并通过对路基面中心位置处动应力计算结果进行统计分析得到了京津城际轨道不平顺谱下路基动应力的最优概率分布模型。结果表明,在京津城际轨道不平顺谱下,路基面动应力均值沿横向呈现"M"型分布,变异系数沿横向逐渐减小。列车速度对路基动应力均值及变异系数具有一定的放大效应,且路基动应力沿纵向近似服从对数正态分布。

高速铁路无砟轨道路基动应力概率分布特征及估算方法

明确高速列车引起的路基动力响应是基床结构设计的关键。采用高速动组-CRTSⅢ型无砟轨道-土质路基垂向耦合动力学分析模型,以高速铁路无砟轨道谱生成随机不平顺为激励,分析在行车速度v与轨道谱累积概率λ下的路基面动应力响应特征及统计规律,讨论动应力系数∅随机分布的位置和尺度指标μ,β与v,λ内在关系,采用无量纲化技术构建动应力系数∅概率估算模型。研究表明:路基面承受的列车动力作用具有显著的随机性,动应力系数∅服从Gumbel型极值概率分布,众值μ和离散性β随v,λ增加呈非线性增大趋势;通过引入μ,β受v,λ影响的归一化指数I_(μv),I_(μλ)和Iβv,I_(βλ),导出了动应力系数∅概率分布参数的二元函数表达μ(v,λ),β(v,λ);基于∅的累积分布函数,建立了保证率为p的动应力系数分位值估算方程∅(v,λ,p),相较于耦合动力学仿真计算值误差不大于5%。

高速铁路双线路基动应力的特性研究

双线路基是高速铁路路基中常见的一种形式,其动应力的特性研究至关重要。建立了列车-轨道-双线路基三维有限元模型,并在两股钢轨上添加了两种典型的高低不平顺谱。通过数值计算,得到了两种轨道不平顺谱及三种列车运行速度下路基动应力沿纵向的分布,统计了不同深度处路基动应力的均值及变异系数,并给出了均值的拟合公式。最后,对两种轨道不平顺谱下路基动应力的概率分布型式进行了验证。利用柯尔莫哥洛夫检验方法,证明了轨道不平顺谱下路基动应力近似服从对数正态分布。

轮胎-道路接触力动态加载装置的设计

针对轮胎-道路接触面三轴应力分布的测量研究,设计了一种用于轮胎-道路接触面三轴应力分布测量的接触力动态加载装置,采用液压加载与机械加载结合的设计理念,通过加载装置的原理设计、尺寸设计、三维建模、制造加工等工艺流程,得到所设计的加载装置。最后通过在本装置上进行加载实验,对所设计的加载装置的性能进行了分析研究;实验结果表明所设计的加载装置能够较为准确地模拟车辆在正常行驶过程中轮胎对路面的加载过程,因此,本加载装置可成为研究轮胎-道路接触面三轴应力分布测试的有效实验设备。

高速铁路无砟轨道路基动应力分布特征及解析算法

通过对京津、武广、京沪、郑万、京沈高铁20多个测试断面进行现场实测、数值仿真及解析分析,得出无砟轨道路基1次加卸载过程由1个转向架的2个轴载叠加作用完成,路基面动应力呈纵向梯形分布、横向均匀分布的特征。提出无砟轨道路基动荷载分配简化模型:将1个转向架的2个轴载视为集中力,并乘以动力系数1.35作为设计动荷载,其传递至支承层或底座板顶面时沿纵向为三角形分布,作用长度3.5 m;沿横向仅在2侧均匀分布、中间0.85 m范围不作用荷载,作用宽度为轨道板宽度。采用Odemark的模量与厚度当量假定对支承层或底座板、基床表层、基床底层进行均一化处理,应用Boussinesq公式计算路基动应力,建立无砟轨道路基动应力解析算法。采用该算法对CRTSⅠ,CRTSⅡ,CRTSⅢ型板式及双块式无砟轨道路基面动应力进行计算,其结果与数值和实测结果基本一致,说明该解析算法是合理的。

重载铁路路基基床动应力分布特征研究

随着国家铁路运输客货分离政策的推进,重载铁路作为国际公认的先进货运技术逐步为我国铁路建设者认同并付诸实施。我国重载铁路路基设计规范尚不完善,基床结构对比国外先进重载铁路技术存在明显差异,结合国内车辆荷载通常处理方法,利用Ansys软件对重载铁路路基基床结构进行有限元模拟分析,对比实测动应力数据,研究重载基床动应力分布特征,对目前基床设计方法提出改进或优化建议,对山西中南部铁路路基运行轴重30t重载列车的适应性做出评价。