高速鐵路無(wú)碴軌道-軟巖路基系統(tǒng)動(dòng)力特性研究.pdf

1、廣客運(yùn)專線要求全線鋪設(shè)無(wú)碴軌道，與普通線路的有碴軌道相比，對(duì)路基的變形要求更嚴(yán)、更高，工后沉降不能超過(guò)3cm，甚至要求地基為“零沉降”，因此，控制無(wú)碴軌道路基的沉降是路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從日本、法國(guó)等國(guó)外資料看，高速鐵路對(duì)路基基床填料的要求十分嚴(yán)格。對(duì)于基床以下部分的填料，除了個(gè)別性質(zhì)不穩(wěn)定、隨時(shí)間或其它因素影響使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化的土不能使用以外，其它如易風(fēng)化巖塊等均可用作路基基床以下部分的填筑。然而，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有使用風(fēng)化軟巖作為

2、高速鐵路路基填料的成熟技術(shù)。本文基于國(guó)內(nèi)外軟巖棄碴作為路基填料問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，結(jié)合鐵道部科技攻關(guān)課題，通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對(duì)軟巖填料的路用性能和無(wú)碴軌道-路基系統(tǒng)的動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行了深入的研究，主要取得了以下幾方面的研究成果和結(jié)論。 (1)基于Galerkin能量弱變分原理和整體Lagrange格式，建立了半無(wú)限三維空間的動(dòng)力有限元計(jì)算模型。該模型視路基、無(wú)碴軌道為一個(gè)相互作用的整體，包括路基系統(tǒng)和

3、無(wú)碴軌道系統(tǒng)。不同的結(jié)構(gòu)采用不同的單元離散，其中，地基層采用無(wú)限元，以消除邊界效應(yīng)的影響。不同材料接觸面之間相互耦合，無(wú)相對(duì)位移。該模型充分地考慮了系統(tǒng)的空間、時(shí)變、耦合特性及路基的設(shè)計(jì)斷面和設(shè)計(jì)參數(shù)，可提供路基-無(wú)碴軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程及路基本體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)場(chǎng)分布等，具有合理選擇路基-無(wú)碴軌道設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)動(dòng)力性能等功能，從而為高速鐵路無(wú)碴軌道-路基系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論分析依據(jù)。 (2)基于Timoshenko梁假設(shè)

4、和剛體力學(xué)理論，首次建立了各種不同性質(zhì)的單元耦合約束方程，并使用“罰函數(shù)法”或“Lagrange乘子法”對(duì)其進(jìn)行了有效的處理，很好地解決了無(wú)碴軌道和軌下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)因相互銜接而引起的建模難問(wèn)題。 (3)材料變形特性的計(jì)算模型采用了線性、非線性彈性、Drucker-Prager、粘塑性等本構(gòu)模型；車輛系統(tǒng)與無(wú)碴軌道-路基系統(tǒng)之間的耦合作用，是通過(guò)垂向平面內(nèi)對(duì)外力的簡(jiǎn)化來(lái)輸入的。整體剛度矩陣方程的求解采用Newmark隱式積分法進(jìn)行，做

5、模態(tài)分析時(shí)，因計(jì)算模型中包含有大量的耦合約束方程，采用了波前求解器；做瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，采用了縮減法求解器。 (4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、勘察，獲取了武廣客運(yùn)專線沿線軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)和基本性狀特征；通過(guò)大量軟巖填料的室內(nèi)土工試驗(yàn)，獲得了軟巖填料的物理力學(xué)指標(biāo)和變形特性；根據(jù)模型路堤加載期間的沉降變形觀測(cè)結(jié)果，研究了路堤的沉降特點(diǎn)和壓縮變化規(guī)律，并著重探討了影響軟巖填筑路堤長(zhǎng)期沉降變形的主要因素；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和相似性原理，建立了模型路堤

6、，并將有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比性分析，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少工后沉降。 (5)基于K30試驗(yàn)，證實(shí)了文中所述的軟巖填料只要滿足一定的壓實(shí)度，其強(qiáng)度和剛度性能都能滿足無(wú)碴軌道基床以下部分結(jié)構(gòu)對(duì)填土材料的要求或德國(guó)高速鐵路路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 (6)利用高速鐵路無(wú)碴軌道-路基系統(tǒng)相互作用的動(dòng)力學(xué)模型，研究了輪重、車速、頻率、不平順和材料特性與路基-無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用的響應(yīng)特征，得出了如下一些重要結(jié)論，以指導(dǎo)

7、和優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)： ①在設(shè)計(jì)輪重P0=250kN或異常輪重P0=334kN、速度v=350km/h作用下，軌面上的位移、速度、加速度經(jīng)過(guò)軌下膠墊、扣件、軌道板、CA砂漿層和混凝土整體道床等構(gòu)件后迅速衰減，與基床面上的量值在數(shù)量上存在10～12倍的差別。在輪重P0=122kN、車速v=350km/h作用下，軌面上沉降位移和基床面上豎向應(yīng)力幅值分別為0.74mm和42kPa左右，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，證明了本文所建立的計(jì)算模型

8、具有較好的可靠性和實(shí)用性。 ②車速、輪重、頻率不同，動(dòng)力響應(yīng)隨之不同。車速增加到v=250km/h以后，動(dòng)態(tài)響應(yīng)幾乎與車速無(wú)關(guān)。軌面上和路基面上的動(dòng)力響應(yīng)幅值主要由車輪靜載、中頻和高頻激振力確定，波形由低頻激振力控制。荷載相同，動(dòng)載下(車速v=350km/h)的動(dòng)力響應(yīng)幅值是靜載下響應(yīng)值的1.35～1.65倍左右。 ③扣件、軌下膠墊和CA砂漿層的彈性和阻尼特性對(duì)軌道及軌下結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響極大。減少扣件或軌下膠墊的剛度、