膨胀岩地基浸水条件下双线无砟轨道路基变形特性

为分析膨胀岩土浸水变形对无砟轨道铁路路基结构的影响,以膨胀性风化泥质砂岩为地基,建立1:2大比例双线无砟轨道路基实体。通过地基浸水试验,对地基土体湿度、路基结构变形及其侧向土压力的变化进行监测,分析地基膨胀变形对无砟轨道路基结构的影响。研究结果表明:地基浸水后膨胀性地基和路基结构表面均产生隆起变形,轨道板中线处最大隆起变形达5.12 mm;地基与路基表面的隆起变形由轨道中线至路基面边缘依次增大,轨道板产生了逆时针倾斜;隆起变形在沿路基本体向上传递时存在变形衰减特点,该特点能够作为路基隆起变形控制的有利因素;由于膨胀性地基的上覆荷载沿路基横向分布的非均匀性和基床层填料浸水软化,路基坡面水平变形呈内缩式。     

路基不均匀沉降对有砟轨道沉降影响的模型试验

为研究路基不均匀沉降对有砟轨道沉降变形的影响,设计了1∶1有砟轨道模型试验系统.通过人为设定的空隙模拟路基不均匀沉降,采用激振器模拟列车振动荷载作用,研究了在有砟轨道变形稳定后,轨枕空吊前后路基不均匀沉降对有砟轨道沉降变形的影响.试验结果表明,余弦型路基不均匀沉降引起的轨道沉降变形曲线可用余弦型函数描述;当路基的纵向不均匀沉降槽面积较小且未引起轨枕空吊时,轨面与路基纵向不均匀沉降槽的面积比为1,并据此明确了轨枕不发生空吊情况下路基不均匀沉降与有砟轨道轨面沉降变形之间的计算关系及其主要影响因素;随着路基不均匀沉降继续增加,当轨面与路基纵向不均匀沉降槽的面积比小于1时,有砟轨道将出现轨枕空吊现象,并且面积比将随路基不均匀沉降的增加而减小.     

路基冻胀地区CRTSⅠ型板式无砟轨道结构变形与离缝特征分析

为揭示严寒地区高速铁路路基冻胀变形对无砟轨道平顺性的影响,建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型,分析了不同路基冻胀条件下轨道结构的变形特征,探讨了层间离缝的发展演变过程,以及层间粘结强度和底座板刚度对离缝发展的影响规律.结果表明:路基冻胀位置对轨道结构变形影响较大,冻胀变形基本能反映到轨面,当冻胀作用在轨道板中间位置时,底座板与基床表层之间的离缝值最大;最大离缝值随冻胀量增加呈线性增长,随冻胀波长的增大而减小;离缝在轨道结构横向位置是从中间向两边逐渐扩展的;随着底座板与基床表层之间粘结强度的增大,层间离缝值和离缝长度逐渐减小;离缝值随着底座板刚度的减小而减小,当底座板刚度减小为原来的60%时,离缝值减小了近20%.     

严寒地区CRTSⅢ型板式无砟轨道变形与损伤

为探明严寒地区外界荷载对无砟轨道非线性损伤及服役性能的影响,从细观损伤力学角度入手,建立了考虑混凝土塑性和结构配筋的CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基精细化模型,分析了不同路基冻胀下轨道结构变形和底座板损伤规律,并探讨了温度及列车荷载组合作用对结构的影响.结果表明:无砟轨道会因下部冻胀变形产生层间离缝,与冻胀量相比,冻胀波长是离缝产生与发展的主要因素;当冻胀发生在轨道板中部时离缝最大,在底座板凹槽位置时,其上表面混凝土最易出现拉裂损伤;整体降温会加剧底座板损伤,当负温度梯度与冻胀组合作用时,底座板与路基间离缝可达20.8 mm;列车荷载会加剧底座板损伤和减小其作用下方的结构层间离缝,由于"杠杆作用",荷载关于冻胀波峰对称位置处复合板层间离缝峰值比单一冻胀增加了55.5%.     

路基冻胀—融化——沉降循环作用下板式无砟轨道受力与变形分析

基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型,研究路基冻胀—融化—沉降循环作用下,无砟轨道结构的受力和变形特性及伤损演化规律。研究结果表明:在路基冻胀—融化—沉降循环作用下,轨道板和底座板在冻胀过程中逐渐形成塑性损伤,且轨道板的塑性损伤早于底座板的塑性损伤;在融化回落及沉降阶段,轨道板的损伤状态相对稳定,而底座板在距其端部1/3位置处逐渐形成第二塑性区;在路基冻胀—融化—沉降循环作用下,将不可避免地引起轨道不平顺,轨道不平顺幅值呈增加—减小—反向增加的变化趋势;当路基回落至初始状态时,轨道结构存在部分残余变形;底座板与基床表层间的离缝呈张开—闭合—张开的循环性变化规律。该研究可为高速铁路无砟轨道养护维修提供参考。     

夏季极端日温作用下无砟轨道板端上拱变形演化

为研究日极端高温作用下无砟轨道板端上拱变形演化过程,以路基上CRTSII型板式无砟轨道为例建立计算模型,应用有限单元法,采用顺序热力耦合研究夏季极端日温作用下CRTSII型板式无砟轨道板端上拱变形演化过程,并分析纵连钢筋对板端上拱的影响.研究结果表明:在夏季极端高温天气下,轨道板最大正温梯可达100℃/m,最大负温梯可...     

土质路基CRTSⅠ型平板式轨道温度力研究

以土质路基上CRTSⅠ型板式无砟轨道结构作为研究对象,采用有限元软件ANSYS建立了土质路基板式无砟轨道力学实体模型,对CRTSⅠ型板式无砟轨道进行温度力分析,确定轨道板板面和板底温度相差±10℃时,确定平板式轨道板所受的最大拉应力、最大位移,以及温度荷载对CA砂浆、混凝土支承层、土质路基的影响程度,最终得出轨道板应该采用双向配筋及在计算中可以不考虑温度荷载对CA砂浆层的受力影响等结论。     

严寒地区无砟轨道温度场及轨道板温度梯度预估模型

严寒地区无砟轨道结构的温度荷载取值,是轨道结构设计及服役性能研究急需解决的关键工程问题。基于东北地区大连、沈阳、长春、哈尔滨四个主要城市的历史气象数据及热力学基本原理,建立了CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构热力学模型,分析在不利气象条件下无砟轨道-路基结构温度场分布特征,拟合计算结果建立了轨道板最大正负温度梯度与气象数据关系预估模型,对东北严寒地区轨道板最不利温度梯度进行讨论。结果表明：CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构内部温度垂向分布呈非线性,0.2米深度范围内,轨道板及路基的日温度变化幅度较为剧烈,在一日内承受正负温度梯度的交替作用,1.4m深度后路基的温度趋于平稳,变化幅度可以忽略;通过日气温温差、日太阳辐射总量、风速三个主要气象数据,可以较好的预估CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道轨道板一日内的最大正负温度梯度;轨道板的最大正温度梯度与日温差和太阳辐射总量成正比,与风速成反比,轨道板的最大负温度梯度与日温差、太阳辐射量及风速成正比。     

自重荷载下非均匀支撑板式无砟轨道静态响应

针对高速铁路路基不均匀沉降诱发的板式无砟轨道几何形态和应力状态恶化问题,建立了高速铁路CRTSII型板式无砟轨道-路基三维有限元模型,模拟了64种路基不均匀沉降组合(波长5～40 m,波幅5～40 mm),提出了基于混凝土底座柔度的形态映射和应力水平定量表征方法.研究结果表明,轨道结构的形态映射特征主要由混凝土底座柔度决定,在沉降波长小于15 m、或者波长在15～20 m之间且沉降幅值大于15 mm时,轨道结构与路基因变形不协调而出现脱离.轨道结构变形量的增加会导致混凝土结构附加拉应力和路基接触应力的增大,且易接近或超过相应的强度允许值而产生损伤破坏.同时,增加混凝土底座的模量和厚度,对提高轨面几何平顺性的效果并不显著,反而会增大结构自身的拉应力和路基接触应力.     

季冻区高速铁路路基冻融变形特征研究

为研究季冻区高速铁路路基冻融病害及其变形特征,以兰新高速铁路K1934+190无砟轨道路基断面作为研究对象,在已有的水分迁移控制微分方程、瞬态温度场控制微分方程及土体单元应力-应变方程的基础之上,建立了无砟轨道路基受水分、温度及应力影响的数学计算模型,通过模拟和现场监测对比分析了自2019年10月初至2020年5月初路基的动态变化规律。结果表明,由于水分场、温度场对季冻区高速铁路路基的耦合作用,致使路基水分变化、温度变化及由此产生的温度场重分布、水分场重分布是导致路基发生冻胀融沉的关键因素,其变形在时间域上呈规律性变化,这一结论可为研究冻土地区高速铁路路基冻害治理提供参考。     

高铁路基动力荷载传递规律研究

探明列车荷载激励下高速铁路路基结构振动特性和动力荷载传递规律具有重要意义。以云桂高速铁路工程为研究背景,采用现场试验、调研与数理统计和理论分析的方法研究列车荷载激励下路基内动态土压力、振动速度、振动加速度分布特征和传递规律,建立不同轨道型式高铁路基动荷载传递模型。结果表明路基振动荷载传递主要发生在基床结构层内,且基床结构型式和参数对改善振动荷载传递具有显著影响;高铁有砟轨道路基面动应力强度约为无砟轨道的3～5倍,但有砟轨道路基动应力随深度的衰减明显较无砟轨道快;采用双曲线函数可较好描述高速列车荷载激励下路基内动态土压力随深度衰减趋势。该研究可为高速铁路路基结构设计提供参考。     

温度荷载下桥上CRTSⅡ型无砟轨道结构层间位移试验研究

为研究温度荷载下,高速铁路简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间位移的分布特点,开展无砟轨道-简支梁桥1/4缩尺模型温度荷载试验。采用远红外加热灯管结合温控系统及温度传感器模拟升温过程和降温过程,分析实测温度模式下无砟轨道层间位移的分布规律。研究结果表明:随着温度升高,轨道板、CA砂浆和底座板三者之间的纵向相对位移整体呈非线性增大趋势;轨道板相对底座板,底座板相对于梁体,它们的纵向位移零点分别发生在L/8截面和3L/8截面上(L为跨度);位移零点处轨道结构层发生挤压,使轨道结构产生局部上拱;随着温度升高,轨道板与底座板之间、底座板与梁体之间竖向相对位移不断增大,竖向相对位移在L/4截面上出现峰值,梁体沿桥纵向随温度的升高逐渐上拱,当温度降低时,上拱位移逐渐减小。     

京福高铁小半径曲线轨道服役状态监测试验研究

在运营过程中,受高速列车的碾压和冲击,小半径曲线地段已成为高速铁路轨道结构的薄弱环节之一.为保障列车的安全运行,需建立小半径曲线地段轨道结构长期监测系统,实现监测数据的自动采集、传输、存储和关联分析,并对可能发生的破坏进行预测预警.通过对2年监测周期内小半径曲线地段CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的温度、受力变形等监测数据的综合分析,得出合肥地区夏季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值增加11℃,冬季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值减少3℃;全年路基摩擦板地段钢轨与轨道板的纵向相对位移在1mm以内,大端刺附近钢轨与轨道板的纵向相对位移最大值为2.9mm;从简支梁到端刺,钢轨受到的压应力逐渐减小,冬季端刺区钢轨出现了拉应力,最大拉应力为32MPa.     

无黏结支撑的轨道板板角离缝研究

为研究温度影响下的高速铁路无砟轨道板翘曲变形和变化规律,基于最小势能原理,利用傅里叶级数模拟轨道板翘曲过程的翘曲变形,对负温度梯度引起的板角离缝进行研究.利用京沪高速铁路CRTSⅡ型轨道板现场实测的板角翘曲数据,验证本文用于计算轨道结构翘曲变形的基于最小势能原理的计算方法,分析温度梯度影响下的轨道板翘曲规律.对比结果表明:新方法得到的计算结果和实测数据得到的数据吻合较好,验证了该方法的可靠性.研究结果表明:板端翘曲变形与温度梯度变化成正相关性,增大地基系数可以有效地减小温度引起的轨道板板端翘曲变形.     

重载铁路轨道路基系统动位移空间分布特征

建立了重载货车-有砟轨道-路基系统耦合动力学模型.分析计算了在轨道随机不平顺激励下30t轴重重载铁路轨道-路基系统动位移的分布规律.计算结果表明:(1)轨道-路基系统各结构层动位移状态较为复杂,在重载货车通过的过程中,所受荷载也处于循环往复的加载和卸载状态.(2)在有砟轨道-路基系统的动位移的3个位移分量中,竖向动位移的幅值较大,横向动位移以及纵向动位移的幅值均不超过竖向动位移幅值的6%;而沿横向,动位移的分布较为缓和,其最大波动幅值不超过0.2mm,可近似看做均匀分布.(3)轨道-路基系统动位移沿竖向的变化,大体分为3个阶段:在钢轨到轨枕之间,出现明显突变;在轨枕层区域的衰减幅度较小;在道床层至基床表层及下部结构,竖向动位移表现为沿深度方向不断衰减,并且衰减速率随着深度的增加也在不断减小.     

高速铁路无砟轨道区段轮轨滚动噪声特性分析

为了预测与控制高速铁路无砟轨道区段轮轨表面粗糙度激扰的轮轨滚动噪声,应用车辆-轨道耦合动力学理论和声辐射理论建立了轮轨滚动噪声预测模型,计算分析了无砟轨道结构对轮轨滚动噪声的影响,研究了高速车辆运行于无砟轨道时产生的轮轨滚动噪声的特性,研究结果表明,①在无砟轨道路基区段高速列车运行产生的轮轨滚动噪声中,钢轨辐射的主要是500~2 000Hz的中、高频噪声,车轮辐射的主要是1 600~4 000Hz的高频噪声,轨道板或道床板辐射的主要是125~500Hz频段的噪声;②随着车速增加,轮轨噪声辐射的最大声级相应增加;③轮轨路旁瞬时声压级以钢轨最大,轨道板最小,车轮处于两者之间;④在距线路中心线5~50m范围内,随着水平距离加倍,高速列车轮轨噪声辐射声级相应地衰减3~6dB.     

路用红砂岩碎石土湿化变形特性试验

针对湿热地区红砂岩碎石土用作路基填料易发生湿化崩解,导致路基刚度软化及其耐久性能降低的问题,采用自行研制的大型干湿循环压缩剪切仪,开展不浸水条件与反复浸水下红砂岩碎石土的一维大型压缩试验,揭示红砂岩填料在干湿循环条件下的湿化压缩变形规律。研究结果表明:湿化变形量随浸水次数增加而增加,压缩模量在前2次干湿循环过程中衰减幅度较大,第3次后逐渐趋于稳定;地基土附加湿化变形量随浸水时间增加而增大,变形模量随含水率增加而减小。试验结果可为红砂岩填筑路基的安全施工及其长期沉降预测提供依据。     

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道车辆荷载横向传递规律研究

为获取高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道底部荷载横向传递规律,通过实车试验并建立多车-无砟轨道-路基空间耦合分析模型开展研究,对不同行车速度下扣件支点反力和复合板与底座板下荷载横向分布规律进行了分析.研究结果表明:仿真分析模型能够较好地模拟现场行车荷载效应.行车速度对扣件支反力和板下荷载横向分布影响较小;建议轮轴作用点处扣件荷载承担比例选取为40%,与其相邻的两个扣件由近及远依次取为25%和5%;实测复合板底部荷载在横向上呈典型的双峰型分布,峰值处压应力最大为149.5kPa;实测底座板底部荷载在横向上呈M型分布,峰值处压应力最大为16.2kPa;既有规范在无砟轨道底部荷载取值时缺乏对扣件支反力影响范围、不同无砟轨道厚度及结构特征、基础刚度、各动车组参数等影响因素的考虑,建议开展针对性研究,完善无砟轨道设计参数体系.     

压实方式影响路基湿度场演变规律数值试验研究

为研究路基湿度场受压实方式影响所产生的变化与分布问题,分别构建4种具备不同压实方式的路基数值试验模型,通过分析二维入渗方式的降雨试验结果,总结不同压实方式影响下路基湿度场扰动区的分布特征,以及扰动区扩距、路基湿度与梯度变化的主要规律,并阐述其根本机理。研究结果表明:降雨入渗路基产生湿度扰动区可划分为前、后2个区域,后区表现为湿度较大、梯度较小,前区表现则与后区相反;湿度扰动区扩距和湿度都随着路基压实度的增加而呈线性减小,前扰动区的湿度梯度随着路基压实度呈线性递增;雨水入渗路基速度矢量的竖向分量远大于水平向分量,受到路基压实区组合方式影响,非饱和扰动区的下层路基湿度随上层路基压实度增加呈线性显著降低。     

顶推纠偏下的无砟轨道力学行为及关键参数研究

为确保横向顶推纠偏时无砟轨道结构受力合理、不损伤破坏,根据高速铁路无砟轨道顶推纠偏施工工艺,建立路基段CRTSⅡ板式无砟轨道顶推纠偏模型.分析了无砟轨道在单点顶推力及多点联合顶推力作用下,各结构层的应力分布及变形情况,研究了无砟轨道顶推纠偏过程中相关关键参数(如顶推力、加载长度、轨道偏移量等)之间的相关性.研究结果表明:采用单点顶推力时,影响范围有限,仅能使作用点附近30 m区域产生横向移动,且轨道结构最大允许纠偏量不足2 mm;采用多点顶推时,顶推力的加载长度增加,影响范围和结构横向偏移量也逐渐增加.轨道结构最大纵向应力出现在顶推荷载中部及荷载边缘区域,实际顶推施工时需要对该处轨道应力进行监测与控制.