高速铁路基床现场循环加载试验研究

详细地掌握高速铁路路基的动态特性与累积变形特性是对其进行合理设计的基础。结合达成线的建设,修建了路基试验段,埋设测试元件,使用新型的ZSS50循环加载设备,对试验段路基进行了现场循环加载试验研究,模拟了不同轴重列车的动力作用,分析了路基的动态特性及沉降规律。测试结果表明：路基的动态指标及工后沉降均满足设计要求,列车轴重对路基的动态特性影响显著;路基面动态响应沿横向的分布是不均匀的,轨下位置最大,轨枕端部位置次之,线路中线处最小,总体上呈马鞍形分布;动态响应随路基深度的增加而逐渐减小,在基床表层范围内衰减较快;ZSS50循环加载设备 可准确模拟不同轴重、不同时速列车对线路的动力作用,且操作简单、坚固耐用,是研究铁路轨道及路基动态特性的理想设备。     

高铁路-涵过渡段路基动力响应特性及长期动力稳定性研究

以某高铁路基-涵洞过渡段为研究对象,在路基施工完成后开展了现场波速试验,获得了过渡段路基的动力特性参数。在联调联试期和正式运营期开展了两次过渡段路基的现场动力响应测试,分析了动力响应幅值沿线路纵向的分布特征,研究了列车驶向、车速和邻线行车对动力响应的综合影响,对比了两次测试的振动速度分布规律。基于现场试验结果,计算分析了过渡段路基的振动速度合成有效值以及动剪应变值。结果表明:列车驶向对振动速度的影响较为显著,邻线行车产生的振动速度增量不可忽略,振动速度与车速正线性相关性良好;正式运营前、后振动速度未出现显著差异,动剪应变均低于体积剪应变门槛平均值的1/5,过渡段路基的长期动力稳定性有保障。该分析方法和所获得的相关参数可为类似工程提供参考。     

高铁路-涵过渡段路基动力响应特性及长期动力稳定性研究

以某高铁路基-涵洞过渡段为研究对象,在路基施工完成后开展了现场波速试验,获得了过渡段路基的动力特性参数;在联调联试期和正式运营期开展了两次过渡段路基的现场动力响应测试,分析了动力响应幅值沿线路纵向的分布特征,研究了列车驶向、车速和邻线行车对动力响应的综合影响,对比了两次测试的振动速度分布规律。基于现场试验结果,计算分析了过渡段路基的振动速度合成有效值以及动剪应变值。结果表明：列车驶向对振动速度的影响较为显著,邻线行车产生的振动速度增量不可忽略,振动速度与车速正线性相关性良好;正式运营前、后振动速度未出现显著差异,动剪应变均低于体积剪应变门槛平均值的1/5,过渡段路基的长期动力稳定性有保障。本文分析方法和所获相关参数可为类似工程提供参考。     

基床翻浆条件下无砟轨道路基振动特性研究

无砟轨道路基翻浆是近年高速铁路路基出现的特殊病害形式,为研究基床翻浆对无砟轨道路基动力特性的影响,在沪宁城际路基翻浆工点进行了病害勘查和现场行车试验,分析了列车荷载作用下翻浆段无砟轨道路基振动特性。结果表明：无砟轨道路基翻浆病害的形成主要与基床表层级配碎石细粒含量较高以及底座板伸缩缝、侧缝封闭不严有关;基床翻浆导致路基对轨道结构支承及约束作用降低,加剧了无砟轨道结构的振动,其中底座板振动放大效应尤其明显,且振动放大效应随车速增加而增大;基床翻浆改变了无砟轨道与路基基床间振动波传递状态,限制了路基基床参振耗能作用的发挥,翻浆断面路基面动位移幅值减少45%,底座板到路基面动位移传递函数减小约2/3,当列车速度为247 km/h时,在路基受动荷载主要作用频率范围内（0～15 Hz）,其动位移传递函数处于0.22～0.39间。     

秦沈客运专线路桥（涵）过渡段路基的动力特性分析

基于离散的Fourier变换原理,对过渡段基床振动加速度进行频域分析,获取了基床表层的振动加速度幅值谱、功率谱、相位谱以及线路不同横断面的基床表层振动第一主频值随速度变化规律;通过对过渡段路基不同工况下动态响应的原位测试,分析了路桥(涵)过渡段线路纵向的动态响应以及车速、轴重与动态响应之间的关系和动应力沿路从深度方向的变化规律等。上述这些数据分析结果,为高速铁路过渡段的设计与施工提供了重要参考。     

列车运行时由轨道不平顺引起的地基振动研究

采用半解析法研究了列车荷载作用下列车-轨道-饱和地基系统的耦合振动问题。研究模型共分为3部分：车体简化为一个多刚体系统,在车轮与钢轨之间引入线性Hertizian弹簧接触模型模拟轮轨动力相互作用、采用离散轨枕支撑的弹性Euler梁来模拟轨道系统、下卧土体采用多孔饱和半空间模型。列车荷载分为轴重和由轨道不平顺引起的轮轨动力相互作用力。采用Fourier变换分别求解各子系统的控制方程,并通过动力子结构法对各子系统进行耦合。土体在时域内的动力响应通过快速Fourier变换求得。在分析了轮轨动力相互作用力的基础上,研究了轮轨动力作用力和列车轴重作用下饱和地基的动力响应,并分析了轨枕间距和土体渗透系数对饱和地基振动响应的影响。研究表明,轮轨动力作用力对地基远场振动有重要贡献,同时枕木间距对轨道与地基振动响应有较大影响。     

遂渝线无碴轨道桩板结构路基动力响应现场试验研究

通过遂渝线现场实测,对CRH2动力分散型机车在桩板结构路基试验段高速行车条件下的动响应规律进行了研究,分析路基动力响应和列车速度的关系以及动应力沿路基深度方向的变化规律等。结果表明：随车速的增大,动位移、加速度及动应力均有不同程度的增加,并在临界速度附近先增大后减小;动应力随路基深度的增加衰减很快,并且随着深度的增加,动应力值和静态应力值越来越接近;桩底土动应力较大,桩基加深了路基的动力影响范围,改善了路基土体部分的受力状态。     

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。     

高铁列车荷载作用下桩网复合地基振动特性模型试验

桩网复合地基是高速铁路广为应用的基础形式之一,其在高速列车荷载作用下的振动响应对列车运营安全和周围环境有着至关重要的影响。基于此,以现浇X形桩为对象,建立了桩网复合地基大比例尺模型,开展了桩网复合地基在高铁列车荷载作用下的动力响应特性研究,揭示了加载频率、加载幅值及振次的改变对桩网复合地基振动速度影响的规律。试验结果表明：速度响应幅值沿着路堤横向衰减较快,路堤耗能作用显著,列车运行产生的振动对周边环境影响较小。速度响应幅值沿桩网复合地基深度方向的衰减规律与横向振动传播规律有所不同。速度响应幅值从轨道板与钢筋混凝土底座到基床表层,衰减最快;加筋碎石垫层次之,相当于一个隔震垫层;地基中桩的存在使振动衰减变得缓慢,使由列车运行引起的振动影响深度加大。速度响应幅值随着加载频率的增加而逐渐变大,在25 Hz时出现峰值;速度响应幅值随着加载幅值的增加逐渐变大;速度响应幅值随着振次增加而基本保持不变。     

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。     

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。     

Numerical analysis of soil vibrations due to trains moving at critical speed

High-speed train induced vibrations of track structure and underlying soils differ from that induced by low-speed train. Determining the critical speed of train operation remains difficult due to the complex properties of the track, embankment and ground. A dynamic analysis model comprising track, embankment and layered ground was presented based on the two-and-half-dimensional (2.5D) finite elements combining with thin-layer elements to predict vibrations generated by train moving loads. The track structure is modeled as an Euler–Bernoulli beam resting on embankment. The train is treated as a series of moving axle loads; the embankment and ground are modeled by the 2.5D finite elements. The dynamic responses of the track structure and the ground under constant and vibrating moving loads at various speeds are presented. The results show that the critical speed of a train moving on an embankment is higher than the Rayleigh wave velocity of the underlying soil, attributed to the presence of the track structure and the embankment. It is found that the dynamic response of ground induced by moving constant loads is mostly dominated by train speed. While for the moving load with vibration frequency, the ground response is mostly affected by the vibration frequency instead of train speed. Mach effect appears when the train speed exceeds the critical speed of the track–embankment–ground system.     

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。     

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。     

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。     

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。