大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究.pdf

1、當(dāng)前，重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低已成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢(shì)。重載鐵路具有軸重大、軸間距小及列車編組長(zhǎng)等主要技術(shù)特點(diǎn)。軸重提高導(dǎo)致路基動(dòng)荷載幅值明顯增大，軸間距減小使動(dòng)荷載作用深度顯著增加，列車編組增加會(huì)造成路基承受的連續(xù)作用次數(shù)增加，以上效應(yīng)均將加劇列車/線路系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用，加快路基的累積變形和疲勞破壞。因此，與普速鐵路相比，對(duì)于大軸重重載鐵路路基基床的設(shè)計(jì)與修建要求更加嚴(yán)格。我國(guó)《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（報(bào)批稿）》中，

2、從填料選擇和壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制給出了基床結(jié)構(gòu)型式及各結(jié)構(gòu)土層厚度等具體要求。但依然存在諸多問題，如基床仍以構(gòu)造設(shè)計(jì)為主，缺乏基于力學(xué)分析的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法;基床結(jié)構(gòu)型式的單一化傾向嚴(yán)重，不同地域環(huán)境的適應(yīng)性有待提高;基床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均參考了《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，故結(jié)構(gòu)厚度、填料及壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)針對(duì)性不足，其參數(shù)選取上值得商榷;基床結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外重載鐵路技術(shù)先進(jìn)國(guó)家相比存在明顯差異，我國(guó)重載鐵路制定的基床結(jié)構(gòu)厚度、填料及壓實(shí)控制標(biāo)

3、準(zhǔn)，尤其是強(qiáng)化基床表層厚度明顯偏高，嚴(yán)重制約了我國(guó)重載鐵路技術(shù)的健康發(fā)展。在技術(shù)上，重載鐵路軌道剛度的變化是否對(duì)軌枕分擔(dān)輪載力作用產(chǎn)生影響應(yīng)需分析;路基作為一種土工構(gòu)筑物，一直以來沒有符合自身承載特性的活載圖式，只能參考橋梁結(jié)構(gòu)活載圖式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，但由于路基與橋梁結(jié)構(gòu)的受力特征、結(jié)構(gòu)特性存在顯著差異，原有列車標(biāo)準(zhǔn)活載模式也并不與之相適應(yīng)，明確的基床承受荷載作用模式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的重要前提，故需對(duì)其研究;目前我國(guó)鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4、理論還處于初期發(fā)展階段，沒有建立系統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計(jì)方法，尤其對(duì)于重載鐵路，路基承受高周循環(huán)動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的累積塑性變形及結(jié)構(gòu)損傷對(duì)線路的影響非常突出，因此應(yīng)充分考慮高周循環(huán)動(dòng)荷載影響，從強(qiáng)度、支承剛度和長(zhǎng)期服役性能等方面對(duì)重載鐵路路基設(shè)計(jì)理論及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善。綜上所述，開展大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究具有重要意義，研究成果將為我國(guó)重載鐵路路基的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　在對(duì)國(guó)內(nèi)外重載鐵路設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用成果收

5、集、整理及吸收的基礎(chǔ)上，采用理論分析及數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試等研究手段，以構(gòu)建基于動(dòng)強(qiáng)度、支承剛度及高周長(zhǎng)期穩(wěn)定性為控制準(zhǔn)則的基床結(jié)構(gòu)三因素綜合設(shè)計(jì)計(jì)算方法為核心，開展了重載鐵路技術(shù)條件下軌枕分擔(dān)輪載力作用、重型車輛軌道結(jié)構(gòu)荷載傳遞性能、大軸重車輛荷載特征下路基動(dòng)力作用特性分析，以及基床結(jié)構(gòu)承受車輛荷載作用效應(yīng)空間分布規(guī)律的主要影響因素等相關(guān)研究工作，建立了基于車輛荷載-軌道系統(tǒng)-基床結(jié)構(gòu)多體耦合作用效應(yīng)的分析模型和路基面承受車輛

6、軸載作用效應(yīng)模式及參數(shù)指標(biāo)，提出了能綜合反映大軸重車輛荷載作用特點(diǎn)和重型軌道結(jié)構(gòu)傳遞車輛荷載能力的重載鐵路基床結(jié)構(gòu)荷載空間分布效應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，明確了大軸重重載鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載技術(shù)條件，優(yōu)化了基床結(jié)構(gòu)豎向多層的構(gòu)筑型式及各結(jié)構(gòu)土層的厚度，完善了基床各結(jié)構(gòu)層位的填料動(dòng)強(qiáng)度或動(dòng)承載能力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其K30值表達(dá)。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　1、基于Gauss函數(shù)分布的軌枕分擔(dān)輪載力近似計(jì)算方法
　　根據(jù)Winkler連續(xù)

7、均勻彈性地基無(wú)限長(zhǎng)梁鋼軌垂向撓曲變形曲線形態(tài)保持不變，只隨輪載力作用位置產(chǎn)生移動(dòng)的特點(diǎn)，提出了基于Gauss函數(shù)表達(dá)的軌枕分擔(dān)輪載力近似計(jì)算方法。研究表明:軌枕分擔(dān)輪載力比值可通過軌枕位置處對(duì)應(yīng)的地基反力Gauss函數(shù)分布系數(shù)與軌枕間距的乘積獲得;單輪載力作用于軌枕正上方時(shí)，相鄰5根軌枕的分擔(dān)率依次為9.24％、24.14％、33.24％、24.14％、9.24％，所得結(jié)果得到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試及室內(nèi)大型模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，較經(jīng)驗(yàn)法工程應(yīng)用精度

8、有了較大的提高;與重載鐵路有砟軌道路基結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，該方法同樣適用于重載鐵路條件下軌枕分擔(dān)輪載力比值的確定。
　　2、重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)承受列車荷載作用特征分析
　　根據(jù)鐵路機(jī)車車輛類型及構(gòu)造特點(diǎn)，歸納出我國(guó)鐵路主型機(jī)車車輛車型荷載作用模式，基于車型荷載軸間距與我國(guó)主型軌道結(jié)構(gòu)枕間距相匹配的原則，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)于客貨列車運(yùn)行條件下軸間距分別為2400mm和1800mm的路基軸型荷載模式，對(duì)比分析了單、雙及四軸荷

9、載模式下路基基床結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征，并與鐵路列車標(biāo)準(zhǔn)活載(2005)ZH圖式（中國(guó)貨運(yùn)鐵路活載）作用下路基應(yīng)力對(duì)比，得出影響路基應(yīng)力分布特征的關(guān)鍵因素主次關(guān)系為輪軸重＞輪軸間距＞輪軸數(shù);同時(shí)，提出了重載鐵路基床結(jié)構(gòu)分析的四軸荷載模式及其與之對(duì)應(yīng)的路軌一體化計(jì)算模型，與單軸荷載相比，最大差值（增量）約為14.8kPa，主要影響區(qū)域距路基面1.5～2m深度范圍內(nèi)，相對(duì)差值達(dá)67％～87％，且隨深度的增加而增大;并且與實(shí)測(cè)值比較，路基面最大峰值

10、動(dòng)應(yīng)力理論計(jì)算值（即為路基面極限動(dòng)應(yīng)力）和路基動(dòng)應(yīng)力理論計(jì)算值（即為路基常遇動(dòng)應(yīng)力）均略大，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度上講偏于安全。
　　3、重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算分析
　　用ABAQUS大型有限元分析軟件建立有砟軌道路基結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行空間線彈性有限元數(shù)值模擬，分析了在不同的基床表層填料（A組填料或級(jí)配碎石）、輪軸數(shù)（單、雙及四軸）、輪載作用位置（單輪載力情況:軌枕正上方，兩軌枕1/2、1/3、1/4、1/5和1/6處）、軸重(

11、軸重25t、30t、35t)及軌下膠墊彈簧剛度變化(彈簧剛度為70kN/mm、80kN/mm、90kN/mm)條件下，列車輪載力在軌枕上的分布規(guī)律。同時(shí)，對(duì)不同基床表層填料（A組填料或級(jí)配碎石）、不同軸重(軸重25t、30t、35t)以及不同輪軸作用條件下的重載鐵路路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。
　　4、大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
　　結(jié)合已有典型基床填料在高周循環(huán)荷載下累積塑性變形狀態(tài)試驗(yàn)分析，

12、獲取基床結(jié)構(gòu)各層位土層的不同累積塑性變形狀態(tài)對(duì)應(yīng)的填料動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)或基于K30值表達(dá)的動(dòng)承載力及長(zhǎng)期穩(wěn)定荷載閾值表達(dá)式，同時(shí)對(duì)K30試驗(yàn)所得變形模量進(jìn)行應(yīng)變及循環(huán)加載修正以得到路基實(shí)際工作狀態(tài)下的循環(huán)變形模量，從而明確填料狀態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建了基于動(dòng)強(qiáng)度、支承剛度及高周長(zhǎng)期穩(wěn)定性為控制指標(biāo)的大軸重重載鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制原則及計(jì)算方法，提出了級(jí)配碎石強(qiáng)化基床表層厚度宜隨基床底層填料變化的建議，并對(duì)基床結(jié)構(gòu)進(jìn)行

13、豎向多層構(gòu)筑型式優(yōu)化，得出基床上表層、基床下表層、基床上底層、基床中底層和基床下底層的5層結(jié)構(gòu)體系;針對(duì)級(jí)配碎石填料在超大軸重(40t)荷載條件下承載不足，提出了采用強(qiáng)度更高且具有良好隔水性能的瀝青混凝土替代級(jí)配碎石作為基床表層強(qiáng)化填料的優(yōu)化處理措施;為實(shí)現(xiàn)路基上部具有良好的防排水功能要求，提出了“上封下排”的基床表層兩層結(jié)構(gòu)型式，上表層采用滲透系數(shù)為10-4cm/s的弱透水性骨架密實(shí)Ⅰ型級(jí)配礫石填料，下表層采用滲透系數(shù)為10-2cm/