全风化花岗岩改良土路基的长期稳定性试验研究

全风化花岗岩用于高速公路填料已有成功的案例,但由于高速铁路路基变形控制更为严格,能否用于高速铁路路基填料还没有得到实体工程的验证。基于全风化花岗岩及其改良土的工程力学性质和变形特性,使用PMS-500型循环加载设备对全风化花岗岩改良土路基实体工程进行了现场循环加载试验研究,模拟分析了不同轴重列车荷载长期循环作用下浸水前后全风化花岗岩改良土路基的动态特性及沉降规律和其下雨前后路基性状变化。试验结果表明,全风化花岗岩改良土路基经过500万次列车模拟动荷载作用后,即使经历了如雨水长期浸饱路基的最为恶劣工况,最终沉降量不超过7.0 mm,证实了全风化花岗岩经过改良后能满足高速铁路变形控制的设计要求,可用于高速铁路的基床底层及路堤本体填料     

重载铁路路基面动应力峰值随机分布特征研究

掌握列车移动荷载作用下路基的动应力响应特性可为路基沉降预测、状态评估提供依据。建立重载铁路车辆-轨道-路基三维动力有限元模型,并在钢轨轨面引入中国三大干线不平顺轨道谱以实现轨道不平顺的模拟。通过数值计算,分析了轨道高低不平顺对路基面动应力分布的影响,统计了4种列车轴重下路基面3个位置（钢轨下方,线路中心）处的动应力峰值沿线路纵向的分布,对路基面动应力峰值的随机分布形式进行了正态性检验,对动应力峰值的最大值进行了预测。结果表明：轨道不平顺导致路基面动应力沿路基面中心不对称,路基面动应力峰值沿线路纵向服从正态分布。随着轴重的增大,动应力峰值离散程度增大,动应力峰值分布曲线变陡。动应力峰值的预测值和现场实测值相吻合,证明了有限元模型及统计分析方法的正确性。研究结果对路基动变形及累积沉降的可靠性分析提供依据。     

无碴轨道路基基床动力特性的研究

以遂渝线无碴轨道路基为背景,通过室内模型试验研究,分析了在循环加载条件下路基基床的动态力学特性。试验结果表明,动应力响应在基床表层横断面方向上呈“W”形分布,混凝土基础板轨下位置响应最大,中线处和端部响应较小,但随着深度的增加,逐渐变为盆形分布特征;在基床表层范围内,动态响应最为强烈,且随深度的增加,衰减速率较快;加载频率对动应力影响较小,对动位移及加速度影响较大。另外,在遂渝线无碴轨道综合试验段现场实车试验中,分别进行了CRH2型动车组和货物列车不同运行速度下路基基床的动力学响应测试研究,验证并评价了遂渝线无碴轨道路基基床工程适应性。     

武广高速铁路路基振动现场测试与分析

为研究武广高速铁路无砟轨道路基的振动特性,对武昌－咸宁综合试验段路基进行了现场实车测试。获得了各测点在不同列车荷载作用下的竖向振动加速度和动应力幅值,总结了试验段路基动力响应的分布规律,获得了试验段路基的固有频率,并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析。结果表明,车速的提升加剧了基床表层顶面路基的振动,在260～320 km/h车速段尤为明显。经过2.7 m高路堤的衰减,路基的动力响应幅值和振动能量已基本不受车速影响。级配碎石层能有效抑制振动沿路基深度的传递。随着车速的提升,转向架固定轴距作用率、轨道不平顺成为引起路基振动的主要原因。轴重对动力响应幅值和振动能量的影响较车速更为显著,轴重的增加使得振动能量在频域内更为集中。     

浸水环境下重载铁路改良土路基动力特性研究

浸水入渗与重载列车动载耦合作用下路基的动力响应程度更突出,对行车安全及路基长期稳定提出更严要求。为揭示重载列车动载作用下干燥与浸水路基的动力特性,依托浩吉（浩勒报吉－吉安）重载铁路工程背景,开展循环加载400万的现场激振试验,利用激振设备和配重块组合模拟了轴重25～30 t、速度120 km/h列车动载作用。试验结果表明：路基干燥与浸水状态下,动应力与加速度沿路基深度变化趋势吻合,传至基床底层底面衰减量可达80%;浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处,相同荷载条件下,衔接处浸水路基的动应力最大可提高28%;相较而言,加速度受浸水环境影响的敏感性远低于动应力;对比可知,沿路基深度范围内动应力水平远小于同位置填料的临界动应力,试验结束路基面累积变形小于5 mm,且呈收敛趋势,说明无论从动强度还是动变形角度来评估,水泥掺量3%～5%改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料时均能满足稳定需求。该研究成果能够对重载铁路改良膨胀土路基的精细化建设养修提供理论参考。     

非埋式桩板路基动力特性原位激振试验研究

非埋式桩板结构嵌入路基形成刚性路基结构体系,导致路基结构动态性能发生较大的变化,因此,有必要对其进行专门的原位激振试验研究。利用DTS-1动力试验系统,对郑西客运专线桩板路基试验段进行原位激振试验,测定路基各断面的振动响应、结构内力和累积沉降等,分析非埋式桩板路基的振动特性和动力稳定性。结果表明,非埋式桩板路基在激振频率范围内未发生共振现象,且具有良好的长期稳定性;桩板结构累积沉降主要是由承载板变形引起的,加载75×104次后基本上趋于稳定,加载100×104次后最大累积沉降为1.0 mm;非埋式桩板路基综合动刚度与板厚、跨度、桩基和桩周土等有关,由桩板结构、路堤和地基构成的刚性路基结构体系具有良好的振动特性和长期动力稳定性。     

列车荷载作用下高铁路基速度传递规律模型试验研究

列车运行速度的提高会加剧轨道路基结构的振动,削弱其动力稳定性,并可能产生过大的附加沉降,严重时可导致轨道路基结构失稳破坏,因此,在列车荷载作用下高铁路基结构的动力响应是世界各国高速铁路建设及运营过程中亟待解决的课题。依托典型高速铁路路基工程,利用自主研制的伺服激振控制系统,开展了大比例尺的高铁路基激振模型试验研究,通过激振器模拟列车轮轴循环加载,得到了不同频率激振力作用下路基不同层位的速度的时程变化曲线及幅值空间分布特征;揭示了列车荷载作用下路基速度幅值传递及衰减规律。研究表明,不同频率的激振力作用下路基土体的速度曲线具有明显的周期性峰值;同一频率作用下路基土体中速度幅值沿深度方向不断减小,呈指数衰减趋势,随着深度的增加。研究成果为相应实际工程的设计、施工及运营提供了一定的参考及借鉴。     

改良膨胀土填筑路基动力响应研究试验

结合合肥-南京高速客货共线铁路试验段进行路基原位动载试验,通过模拟测试路基在相同机车轴重不同通过车速情况下的弹性变形及振动加速度,对路基在不同行车速度条件下的动力响应加以研究。通过对循环荷载下沿线路横向不同距离路基弹性变形、加速度以及轨下不同深度动应力测试,获得路基弹性变形、加速度以及动应力衰减规律。研究表明,现有规范对弹性变形的建议值不尽合理。提出时速200 km/h及以上客运专线铁路弹性变形合理建议值,为新建铁路客运专线设计及规范提供依据。     

低围压循环荷载作用下饱和粗粒土的动力特性与骨干曲线模型研究

基床层是铁路路基的核心组成部分,一般为粗颗粒土,厚约2.5～3.0 m,长期直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性是评价路基工作性能的关键要素之一。为研究粗粒土在列车循环荷载作用下的应力-应变特性,开展了一系列应力控制的单向循环加载大型动三轴试验,模拟列车动载和路基粗粒料填筑实际情况,包括不同动应力幅值（模拟不同列车轴重）、不同围压（模拟不同埋深）的动三轴持续振动试验。结果表明,在循环荷载作用下,土体刚度变化与振动次数、围压关系密切。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和粗粒土的动应变随振次的发展形态可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据试验所得出的动应力-应变关系曲线特点,建立了含围压和循环振次的骨干曲线模型。与传统的骨干曲线模型相比,该模型能反映土体刚度随循环振次的变化,更能反映列车往复作用的实际情况;同时该模型能用于估算路基土体动强度,对铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有参考价值。     

提速列车荷载作用下铁路路基动力特性的研究

结合铁路提速现状,分析了既有线上运行最高时速200 km/h客车、120 km/h货车时路基的动力响应。首先,采用列车-轨道耦合动力学模型,计算轮轨间相互作用力,然后,通过非线性数值分析,研究不同列车编组和行车速度条件下路基的动力响应,包括路基横断面的动应力、位移和加速度的大小、分布规律、沿路基深度内的衰减,并探讨了路基参数与动力响应的关系,同时与既有线的部分实测结果进行对比分析。研究表明,列车速度提高对路基动力响应的影响有限,但轴重的影响很大;对既有线路基加固时,存在一个最佳的路基刚度值（120 MPa）;道床厚度增加,路基动应力线性减少,但路基动位移和加速度变化不明显。     

铁路路基粗粒土填料临界动应力试验研究

粗粒土填料被广泛应用于铁路基床填料中,直接承受轨道结构传递的列车动循环荷载的长期作用,研究其在列车动荷载作用下的动力行为特征及塑性变形特性可为路基状态评估、沉降控制提供思路。采用GDS动三轴试验系统对铁路基床表层的粗粒土填料动力响应开展研究,通过引入塑性应变率和安定理论,将不同频率、围压、循环动应力比等条件下路基填料的轴向塑性应变的发展规律划分为塑性安定、塑性蠕变和增量塑性破坏3种类型,并确定了塑性安定和塑性蠕变状态的临界动应力水平。研究表明：粗粒土填料的临界循环应力比随着围压的增大而增大,随着荷载频率的增加而减小。通过对试验结果的拟合分析,提出了以围压为变量的临界动应力经验公式,为合理评估列车荷载作用下路基任意深度的动力稳定提供了理论依据。     

Three-dimensional multilayer cylindrical tunnel model for calculating train-induced dynamic stress in saturated soils

This study proposes an improved tunnel model for evaluating train-induced dynamic stress in saturated soils, which can consider multiple moving loads, grouting layer and pore-water pressure. Using Shanghai Metro’s actual parameters for train speed, tunnel, grouting layer and soils, the analysis of the spatial distribution of dynamic stress for soils and stress state of various locations under moving train loads shows that neglecting effects such as pore-water pressure can lead to underestimating dynamic normal stress and overestimating dynamic shear stress in the soils below tunnel. This model can be further extended to investigate principal stress axes rotations and tunnel settlement.     

I型轨道-路基系统动力荷载放大系数模型试验研究

高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响,以列车运行速度的影响尤为关键。由于车辆-轨道-路基结构的复杂性,要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准,建成室内1: 1无砟轨道路基模型,通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律,在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式,提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法,并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律,可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。     

红层泥岩及其改良填料路基动力响应试验研究

基床作为路基结构的重要组成部分,其填料的质量对路基、轨道、列车的动力响应影响显著。在实际工程中,基床填料通常可根据设计规范取为A、B组填料,但考虑到经济因素、力学性能等,也可采用既有填料或改良的既有填料。为了研究红层泥岩,A、B组填料,石灰改良红层泥岩分别作为基床填料时对路基动力响应的影响,进行了不同基床填料的现场激振试验。通过对动应力、加速度及沉降等数据的对比分析,得到以下结论：红层泥岩作为基床填料时,动应力与路基沉降在加载激振次数内可满足设计要求;与红层泥岩相比,当基床填料为A、B组填料与石灰改良红层泥岩时,路基表面的动应力与加速度分布更加均匀,因而此时路基的整体承载性能更优越。除此之外,后两种填料时路基内部动应力与加速度的衰减相对前者更显著,并且路基的沉降变形更小,特别是为石灰改良红层泥岩时。     

云桂高速铁路新型全封闭路堑基床动响应特性研究

膨胀土地区路堑基床病害是高速铁路建设中倍受关注的问题。结合云桂高速铁路工程实际,以典型膨胀土新型路堑基床为基础,借助有限差分软件FLAC3D,建立了三维路堑基床动力分析模型,探讨了列车荷载作用下新型全封闭路堑基床动力特性,并结合现场试验进行了分析。分析结果表明：数值模拟结果可较好地反映基床动响应变化规律,且与现场实测变化趋势相同;基床竖向动应力随深度呈指数型衰减,基床竖向动位移随深度呈幂函数型衰减;路基面动位移值为0.95 mm,满足高速铁路规范要求;基床动响应特征受服役环境影响显著,浸水条件下会引起基床表层动应力及振动速度增大;铺设防排水结构层可改善基床内的动应力分布,并减小路基面的动位移及增强基床抗振性能。研究成果可为膨胀土地区高速铁路工程实践及理论研究提供参考。