（岩土工程专业论文）客运专线涵涵过渡段动力特性试验研究及仿真分析.pdf

摘要高速铁路的发展必须以安全、可靠、舒适等为前提，这些取决于铁路系统各方面的高品质和高可靠性。过渡段问题是高速铁路必须解决的关键技术之一。本文在广泛查阅国内外相关研究成果的基础上，以武广客运专线涵一涵过渡段为工程背景，以国家自然科学基金项目为依托，采用数值摸拟和现场试验相结合的方法，研究动车荷载作用下不同条件的涵一涵过渡段的动力响应特性，获得了许多具有重要的实际工程参考价值的测试数据和研究结论。主要的研究工作和结论如下：( 1 ) 针对武广客运专线d k l 2 5 2 + 6 7 9 + 7 31 涵涵过渡段工点详细制定了动力特性研究方案：获取参数试验方案设计、现场实施及数据处理分析；a n s y s 建立仿真分析有限元模型并进行仿真计算研究分析过渡段的动力特性；进行过渡段现场动测试验，并对比分析研究仿真与实测结果。( 2 ) 现场波速测试试验得到：级配碎石，a 、b 填料，粘土层的平均玩分别为1716 m p a ，7 9 3 m p a ，5 9 6 m p a ；平均g d 分别为6 5 9 m p a ，2 9 5 m p a ，2 1 9 m p a 。( 3 ) 利用a n s y s 软件建立涵涵过渡段有限元仿真计算模型，并进行仿真研究过渡段的结构动力特性：行车速度在3 5 0 k m h 下，涵涵过渡段结构的动力作用：动位移在纵向上成“m ”形分布；竖向上各动响应值均是随深度增加而减小，其中动位移减小的速率较小，其它三者近似双曲线或指数曲线减小；行车速度的影响：行车速度从1 5 0 k m h 3 5 0 k m h 增长时，路基的动响应值随速度增大而缓慢增大；当行车速度从3 5 0 k m h 4 0 0 k m h 增长时，在路基本体为a 、b 填料的普通路基上，动位移、加速度和速度三个动响应值皆迅速上升；这说明了如果要继续提速则必需改善普通路基的结构，或提高路基本体a 、b 填料的工程特性。基床表层厚度增加可适当改善过渡段中普通路基段的动响应，尤其是改善轨下正下方路基本体的动响应。当行车速度继续增加，这种改善作用会更加突出。涵涵中一t l , 距变化主要对动位移的影响比较大，对动应力、加速度、速度的影响很小。涵涵中心距为4 3 2 m 时，过渡段的动位移值最大，比其它涵间距要大出1 2 。( 4 ) 现场动测数据分析研究，统计分析结果表明实测数据基本符合正态分布，将实测与仿真结果对比偏差较小，总体变化趋势比较吻合：动响应值皆随着行车速度的增大而增大；加速度在基床表层以下，沿竖向向下呈指数趋势或双曲线趋势减小；动应力在两涵洞处的最大，中间部分路基的较小；涵涵间路基面的动位移沿纵向的分布呈“m 型。( 5 ) 通过对涵涵相邻过渡段的动响应实测和仿真分析，了解了在不同速度运行的动车荷载作用下的动应力、动位移、加速度等动响应值的大小及其分布规律，为相邻过渡段的设计、施工提供了重要的参考。关键词：客运专线，涵涵过渡段，动力响应，动测试验，仿真分析i ia b s t r a c tt h ep r e c o n d i t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh i 曲一s p e e dr a i l w a yi ss a f e t y ,r e l i a b i l i t ya n df i d ec o m f o r tt h a ta r ed e c i d e db yt h eh i g hq u a l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t yo fa l la s p e c to ft h er a i l w a ys y s t e m t h et r a n s i t i o ns e c t i o ni so n eo ft h em u s tk e yt e c h n o l o g i e s t h et h e s i sw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht 1 1 es t a t en a t u r a ls c i e n c ef u n di t e mh a ss t u d i e dt h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s c u l v e r t c u l v e r tt r a n s i t i o ns e c t i o n su n d e rt h et r a i nl o a di n f l u e n c e i th a sa d o p t e dt h ec o m b i n a t i o no fn u m e r i c a lm o d e l i n ga n df i e l dt e s t 。o nt h eg r o u n do ft h e 胁一g u a n gp a s s e n g e rr a i l l i n ea n do nt h eb a s i so fl o t so fr e l e v a n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d i th a sg a i n e dan u m b e ro ft h et e s td a t a sa n dr e s e a r c hf i n d i n g sw h i c hi sv a l u a b l ef o rt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ng a i n e dc a nb es u m m a r i z e da sb e l o w ( 1 ) r e s e a r c hp r e c e p ta b o u tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fc u l v e r t - c u l v e r tt r a n s i t i o ns e c t i o no nt h ew h g u a n gp a s s e n g e rl i n ed k12 5 2 + 6 7 9 - - - + 7 31h a sb e e ni n s t i t u t e d ：p r e c e p td e s i g n 、o n s i t ei m p l e m e n t a t i o n 、d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fp a r a m e t e ro b t a i n m e n tt e s t ；t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l m i o nm o d e l sb u i l tb va n s y s 、r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i t i o ns e c t i o no nt h em o d e l ；f i e l dd y n a m i ct e s t 、c o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e ns i m u l a t i o na n df i e l dt e s t ( 2 ) i th a sb e e ng a i n e do np a r a m e t e ro b t a i n m e n tt e s t st h a tt h ea v e r a g e 局o fg r a d i n gm a c a d a m ，a 、bf i l l e r s ，c l a yl a y e r sw e r e17 16 m p a 、7 9 3 m p a 、5 9 6 m p aa n dt h ea v e r a g eg do fg r a d i n gm a c a d a m ，a 、bf i l l e r s ，c l a yl a y e r sw e r e6 5 9 咿a 、2 9 5 m 【p a 、2 1 9 m a 。( 3 ) b u i l tt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lo fc u l v e r t c u l v e r tt r a n s i t i o ns e c t i o n sb ya n s y sa n ds i m u l a t i o na n a l y s et h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i t i o ns e c t i o n so nt h em o d e l t h em a i nr e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i si n c l u d e ：u n d e rt h e3 50 k m hs p e e do ft r a i n ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc u l v e r t c u l v e r tt r a n s i t i o ns e c t i o n sc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s d y n a m i cd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t e si n t o “m s h a p e di nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n e a c hd y n a m i cr e s p o n s ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s e i n gd e p t h ，a m o n gi i iw h i c hd y n a m i cd i s p l a c e m e n td e c r e a s e ss l o w l ya n dt h eo t h e r st h r e ed e c r e a s ea sh y p e r b o l i co re x p o n e n t i a lc u r v e t h ei m p a c to ft h et r a i ns p e e dc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s w h e nt r a i ns p e e di n c r e a s e sf r o m15 0k m ht o3 5 0k m h ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft r a n s i t i o ns e c t i o n si m c r e a s es l o w l y m e nt r a i ns p e e di n c r e a s e sf r o m3 50k m ht o4 0 0k m h ，d y n a m i cd i s p l a c e m e n t 、a c c e l e r a t i o na n dv i b r a t i o nv e l o c i t yi n c r e a s eq u i c k l yo nt h eo r d i n a r ys u b g r a d eo fa 、bf i l l e r s t h u so n l yi ft h es t r u c t u r eo ft h eo r d i n a r ys u b g r a d eo rt h ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo fa 、bf i l l e r si si m p r o v e d t h et r a i ns p e e dc o u l di n c r e a s e i n c r e a s eo fs u b g r a d es u r f a c el a y e r st h i c k n e s sc a ni m p r o v ed y n a m i cr e s p o n s e so fo r d i n a r ys u b g r a d e ，e s p e c i a l l yu n d e rt h er a i l w h e nt r a i ns p e e di n c r e a s e s ，t h ei m p r o v e m e n tb e c o m e sm o r e t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc u l v e r t s c e n t e r sh a sag r e a ti n f l u e n c eo nd y n a m i cd i s p l a c e m e n tb u tl i t t l eo nt h eo t h e rt h r e e 氇e nt h ed i s t a n c ei s4 3 2 m ，d y n a m i cd i s p l a c e m e n ti sm a x i m u ma n d12 m o r et h a nt h eo t h e rd i s t a n c e s ( 4 ) i ti n d i c a t e st h a tt e s td a t aa l m o s ta c c o r dw i t hg a u s s i a nd i s t i l b u t i o nt oa n a l y s ef i e l dd y n a m i ct e s td a t a w i t hc o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e ns i m u l a t i o na n df i e l dt e s t t h ed i f f e r e n c ei sal i t t l ea n dm a i nt r a n s f o r m a t i o ni ss i m i l a ra sf o l l o w t r a i ns p e e di n c r e a s e sa n dd y n a m i cr e s p o n s e si n c r e a s e u n d e rs u b g r a d es u r f a c el a y e r , a c c e l e r a t i o nd e c r e a s e sa sh y p e r b o l i co re x p o n e n t i a lc u r v e i nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n d y n a m i cs t r e s si sl a r g eo nt h ec u l v e r t sa n ds m a l l i nt h em i d d l e d y n a m i cd i s p l a c e m e n to nt h es u b g r a d es u r f a c ed i s t r i b u t e si n t o“m ”一s h a p e di nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n ( 5 ) i ti si n d i c a t e dt h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o no fd y n a m i cd i s p l a c e m e n t 、d y n a m i cs t r e s s 、a c c e l e r a t i o na n dv i b r a t i o nv e l o c i t yw i t hav a r i e t yo fc o n d i t i o n sb yd y n a m i ct e s ta n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hw o u l dp r o v i d ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fa d j a c e n tt r a n s i t i o ns e c t i o n s k e y w o r d s ：p a s s e n g e rr a i l l i n e ，c u l v e r t - c u l v e r tt r a n s i t i o ns e c t i o n s ，d y n a m i cr e s p o n s e ，d y n a m i ct e s t ，s i m u l a t i o na n a l y s i si v原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：4 年上月堕日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。储繇艘蛾翩签翘蜂魄哗年上月屋日硕上学位论文第一章绪论1 1 研究的目的与意义第一章绪论高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念。1 9 8 5 年5 月，联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为客运专线3 0 0 k m h ，客货混线2 5 0 k m h 。1 9 9 6年欧盟在9 6 4 8 号指令中对高速铁路的最新定义是：在新建高速专用线上运行时速至少达到2 5 0 k m 的铁路可称为高速铁路。国际铁盟认为，各国可以根据自身情况确定本国高速铁路的概念，在既有线上提速改造，时速达到2 0 0 k m 以上，也可称为高速铁路。高速铁路是一个集各项最先进的铁路技术、先进的运营管理方式、市场营销和资金筹措于一体的十分复杂的系统工程，它具有高效率的运营体系，包含有基础设施建设、机车车辆配置、站车运营规则等多方面的技术与管理。【l l新建武广客运专线设计时速为3 5 0 k m h ，属于高速铁路。它沿线因交通、灌溉或排水需要，设置于路基地段的涵洞密集度较高，再加之地形起伏大，路堤与路堑过渡段多，导致过渡段密集度非常大。全线设计有近1 9 0 0 多座涵洞，5 0 0 来座桥，1 1 0 座隧道，路堤与路堑联结处1 9 0 0 多处，这四类过渡段总计有近7 0 0 0 处，分布在3 0 0k m的路基中，平均每4 5m 左右一处过渡段。过渡段的结构型式有18 个大类，虽然其中大多数结构型式都是参照以前的实践经验、设计经验、规范规定进行设计的，但是这些不同类型过渡段的静力、动力特性和变形特征，是需要大量的理论分析与试验数据的验证，以便对这些变形控制措施、结构型式、设计方案和施工工艺等给出合理的评价。从而进一步指导以后高速铁路的设计，施工以及质量检测方法控制标准等。当列车以3 5 0 k m h 以上的高速运行时，必然会加剧列车与线路的振动，引起列车与线路结构相互作用力的增加。为了满足列车保持高速、安全、平稳运行，必须严格控制基床变形，要求其在列车运动荷载下因变形产生的不平顺控制在一定范围内，特别是在线路竖向刚度有突变的过渡段处，要严格控制线路的轨面弯折变形。这就要求线路的轨下基础具有高平顺性和稳定性，而基床的变形会直接反映到轨面上，基床是指路基上部直接承受轨道结构和列车动荷载的部分，它承受循环反复的列车动荷的长期作用，也受着自然环境和季节变化的影响。基床由表层与底层两部分组成。基床表层所受的动应力数值大且变化剧烈，它随车速的提高而增加。对于高速铁路而言，基床表层在列车长期重复作用的动荷载下，将会产生过量变形甚至破坏。理论分析和试验表明，土体中存在一个临界动应力【2 j ，若外应力小于这个值，土的塑性应变会趋于稳定，否则土的塑性应变就会累积、发展，直到土体破坏。临界动应力与土的种类、硕二卜学位论文第一章绪论含水量、密实度、围压以及荷载大小及作用频率有关。对于高速铁路基床表层来说，围压与计算点的位置( 深度) 相关，频率与车速相关。临界动应力随围压的增加而增加，随频率的增加而减小，这说明随行车速度的提高，路基病害加剧，基床表层临界动应力小，更容易破坏。尽管荷载的动应力满足静强度，但小应力的多次重复作用可能导致动强度不足而破坏，或者发生过大的累计变形。因此，随着列车速度的提高，必须考虑路基的动应力问题。对过渡段进行动应力测试，研究过渡段在列车高速运营条件下的动响应特性，寻找合理的过渡段设置方式，将对我国既有铁路的全面提速及高速铁路兴建起到重要的促进作用。1 2 国内外高速铁路过渡段研究现状1 2 1 高速铁路发展历程世界铁路行业产生于2 0 世纪5 0 年代，而后一直处于持续不断的发展中。1 9 6 4 年世界上第一条高速铁路，日本东海道新干线建成并投入运行。由于其速度快、运输能力强，并节能，在确保安全的同时污染又少等众多优点，引起了世界运输业的关注，极大地提高了世界各国发展高速铁路的兴趣，从而使铁路产业出现了一个兴旺时期。法国高速铁路发展略晚于日本，但经过不断改进，t g v 的速度不断创新，1 9 8 1 年t g v列车以时速2 6 0 公里的最高速度投入正式运营，1 9 9 0 第二代t g v 列车的试验时速达到5 1 5 3 公里，刷新了世界纪录；德国高速铁路称为i c e ，1 9 8 2 年高速铁路计划开始实施，1 9 8 8 年德国i c e 首创试验时速达到4 0 0 公里的高速列车；1 9 9 2 年英吉利海峡隧道高速铁路建成，运行时速达3 0 0 公里；1 9 9 3 年4 月华盛顿政府在5 年计划中拿出1 3亿美元来加快美国的高速铁路的发展；1 9 9 6 年8 月佛罗里达与f o x 财团签署了一项协议，是关于投资5 0 亿美元用于建设高速铁路的财务安排；1 9 9 6 年日本已经拥有约2 0 0 0 k m 的高速运输网( 新干线) ，日本新型x 3 0 0 列车最高时速达到4 4 3 k m h ；2 0 0 4 年韩国汉城釜山高速铁路时速达到3 0 0 公里。这些都说明了高速铁路已成为世界铁路业发展的必然趋势。我国也在积极开展铁路提速，修建高速铁路。1 9 9 4 年广深铁路正式运营，这是我国第一条准高速铁路。2 0 0 2 年秦沈客运专线建成，国产动力集中型“中华之星”试验速度最高达到3 2 1 k m h 。秦沈客运专线是我国第一条新建时速为2 0 0 k m h 的双线电气化客运专线。2 0 0 9 年初武广客运专线也进行了试验行车，最高速度达到3 6 0 k m h 以上。同时，郑西、京津、温福、沪宁等客运专线也己峻工或即将峻工。京沪高速铁路正处于建设之中。2硕士学位论文第一章绪论1 2 2 高速铁路过渡段研究现状不论是在铁路建设过程中，还是在铁路既有运营线上，路桥过渡段都是最容易被忽视却又最容易发生病害的薄弱环节。据统计，至1 9 9 4 年底，在我国6 80 5 3k m 的运营线上，路基总长6 40 8 8k m ，占运营线路的9 4 ，路基病害地段8 10 8 2 处，累计长达1 l0 5 5k m ，占运营线路的1 6 2 。在这些路基的病害中，路桥过渡段的问题占据了相当大的一部分。过渡段可分为多种形式，路桥、路涵、路隧以及路堑一路堤和两个短距离过渡段间的衔接等。目前路桥过渡段研究得最多，主要是针对桥头跳车问题等。虽然形式各异，但是过渡段的本质是相同的。过渡段由于差异沉降及轨下结构刚度的差异，致使车辆通过时，产生“跳车”现象，大大降低了车辆行驶的安全性和乘客的舒适度，而且轨道不平顺将导致线路运营条件恶化、行车事故的后果进一步扩大。因此对过渡段的研究和处理，国内外都做过不少研究工作。国外，在修建高速铁路中，对路堤与桥涵、隧道、路堑之间的过渡段一般采取了设置填筑级配碎石( + 5 水泥) 、加筋土、c 1 5 混凝土等特殊的刚度过渡设计方法，取得了较好的效果。也相应地提出了一些设计规范要求及处理措施。如1 9 8 2 年德国联邦铁路颁布实施的1 6 0 k m h以上高速铁路桥梁( d s 8 9 9 5 ) ) ) 和铁路桥梁和其它结构物( d v 8 0 4 ) ) ) 等规程对路桥过渡段设计与施工提出了严格的要求。9 0 年代初，德国c h g o b e l 和v c w e i s e m a n n 等人【3 l 在室内模拟时速1 6 0 k m h 的列车作用，研究土工格栅加固路堤后地基承载力的增加和沉降量的减小。我国铁路的科研、设计、施工等部门在“八五”、“九五”期间在学习和借鉴国外高速铁路技术的基础上，细致和深入地研究了高速铁路的相关关键技术，取得了大量的成果，并在此基础上制定了京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定、时速2 0 0 公里客运专线线桥隧站设计暂行规定和时速2 0 0 公里客运专线线桥隧站施工技术细则等规定和政策。之后在秦沈客运专线、遂渝线等铁路线上，对路桥( 涵) 等过渡段型式进行了施工工艺、行车效果的现场实测和研究，取得了许多重要的实验研究成果。然而，对于无碴轨道路桥、路涵、路隧以及路堤与路堑等不同类型的过渡段的差异性，高密集度相邻过渡段之间的相互影响以及不同类型填料过渡段的对比性试验和研究等，几乎还是个空白。1 2 3 高速铁路过渡段的处理措施过渡段处刚度的变化与沉降的差异，将导致轨面产生弯折，列车通过时，易产生不平顺性，大大降低了车辆行驶的安全性和乘客的舒适度。同时，必然会增加列车与线路的振动，引起列车与线路结构相互作用力的增加，影h 向线路结构稳定。在路基与硕士学位论文第一章绪论横向结构物之间设置适当的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，最大限度地减小轨面的弯折度，使列车得以平顺高速地通过。因此，过渡段的处理主要从两方向考虑，一个是轨道刚度的平顺过渡，另一个是工后沉降差引起的轨面不平顺问题。目前国内外处理过渡段都积累了丰富的经验，主要的处理措施可分为：( 1 ) 在过渡段较软一侧，增大基床刚度并减小路基沉降。该类处理方法的主要目的是通过加强路基结构来达到减小路桥间在刚度和沉降两方面的差异，以减小路桥间的不平顺，具体的处理方法有：1 4 j1 ) 优质填料构筑法。使用强度高、变形小的优质填料( 如级配砾碎石、水泥稳定粒料等) 进行过渡段的填筑。该法是最常用的一种处理措施，几乎在各国的高速铁路设计规范中均推荐有此方案。2 ) 加筋土法。在过渡段路基填土( 必要时也可包括地基) 中埋设一定数量的拉筋材料，形成加筋土路基结构，加筋土不仅能增加路基强度，还能大幅度提高路基的刚度，显著减小路基的变形。3 ) 过渡板法。在过渡段范围内路基填土上( 内) 现浇块钢筋混凝土厚板，并使板的一端支承在刚性桥台上，利用钢筋混凝土厚板的抗弯刚度来增大轨道结构的刚度和消除错台。该法在公路系统中得到了最为广泛的应用，也取得了较好的效果。4 ) 土质改良法。使用各种土质改性的方法对过渡段路基填料进行处理，提高填土的强度，降低填土的压缩性，增加路基的刚度和减小路基的变形。( 2 ) 在过渡段较软一侧，增大轨道刚度1 ) 通过调整轨枕的长度和间距来提高轨道刚度。如美国a r e a 在桥头路基上铺设较长的轨枕，自路桥连接处开始铺设，轨枕长度逐渐减小，并最终降至标准长度。加拿大国铁公司也采用了类似的方法来完成混凝土枕向木枕轨道的过渡，在混凝土枕向木枕过渡时，铺设长度逐渐减小并最终降至标准长度的木枕以形成过渡段。这样，随着轨枕长度的逐渐变化，轨枕在道床上的支承面积逐渐减小，从而形成轨道刚度的连续渐变。2 ) 通过增大轨排刚度来提高轨道刚度。设置附加轨可增加较软- - 倾, j 路基上的轨道刚度。德国在i c e 高速铁路的m u h l b e r g 隧道入口处采用了这种方法。3 ) 通过加厚道床来提高轨道刚度。道碴是一种强度高，变形小的优质散体材料，道床的模量一般比土基床大。但是高速铁路的压实标准较高，级配碎石强化结构已普遍大于道床模量，在此条件下，通过加厚道床来提高轨道刚度的设想与实际不符，而且现在新建的高速铁路基本都是无碴的。( 3 ) 在过渡段较硬一侧，通过设置轨下、枕下、碴底橡胶挚层来降低轨道刚度。如日本在高速铁路刚性轨道基础的道碴层底面铺设了一层厚约2 5 m m 的橡胶垫层，美、德等国也铺设过由废旧汽车轮胎加工制作而成的碴底垫层。4硕士学位论文第一章绪论武广客运专线过渡段设计一方面通过加强地基处理以实现不同构筑物之间的地基沉降过渡，同时针对路桥、路隧、桥桥、桥隧之间距离小于1 5 0 m 或小于6 0 m 路基填筑段，通过设置不同的过渡段型式及填料类型、压实标准等实现路堤土工构筑物的纵向刚度过渡，其过渡段型式有1 8 个大类。在现有过渡段的设计中，涵洞等构筑物与路基之间执行相同的工后沉降控制标准，仅在连接处设置了级配碎石+ 5 水泥过渡，但由于两者之间采用的地基加固方案和上部荷载水平有所不同，导致涵洞与路基的差异沉降必然存在，这种差异沉降在目前的i级干线铁路中普遍存在。另外，武广客运专线以路堑弃碴填料为主，采用了大量的软岩风化物改良后填筑路基，有必要通过实验研究和理论分析来进一步验证其可行性和安全性。1 2 4 过渡段动力分析研究现状路基结构的动力响应包括路基土体的动应力、振动加速度、动变形等几个方面，它们关系到路基的强度、累积变形及路基的动力稳定性。路基动响应大小受到综合因素的影响，如机车车辆类型、行车速度和方向、轴重、线路不平顺状态、轨道结构标准等等。对于一般路基动力特性的研究，意大利学者曾应用双向土工格栅加固路堤，并测试不同横断面上车辆经过时产生的动应力场；在时速1 6 0k m h 的列车荷载作用下，德国学者对由土工格栅加固路堤后承载力的增加和沉降量的减小进行了室内研究1 5 ；杨灿文等【6 j 认为路基面动应力随车速( 低于1 4 0k m h ) 提高而呈增加趋势，而速度对中基面动应力的影响随深度增大而减小。曹新文等【j 7 j 通过模型试验得出，路基动应力与轴重成正比，运行速度增加，路基动应力也增大。而对于过渡段动力特性方面的研究，德国学者对不同刚度的路基进行了轮载试验【8 j ，蔡成标等【9 l 的研究结果表明：地基沉降差对列车与路桥过渡段动力作用的影响显著，沉降差越大，动力的影响也急剧地增大。在过渡段处的轨道，由于土路基与桥( 隧道或涵洞) 刚度差别巨大，其轨道刚度会发生突变；同时，由于地基条件，路基与桥( 隧道或涵洞) 结构的差异以及设计和施工的原因，必然引起沉降不均匀，在过渡段附近容易产生沉降差，导致轨面发生弯折。当列车高速通过这些地段时，由于轨道刚度和变形发生突变，必然会引起轮轨间的动力作用力增大，从而引起轨道破坏，加速线路状态的恶化，影响行车的平稳性和安全性，这种现象随着行车速度、轴重的提高以及快速列车和重载列车的开行而加剧【l 们。为了减轻轨道刚度和变形突变引起的轮轨动力作用，需要在不同轨下基础的构筑物之间设置过渡段。关于路基动应力的基本特性的分析，现场试验是最好的研究方法。在确定路桥过渡段容许差异沉降时，若引道是柔性路面，需考虑车路耦合。不考虑桥台的影响，车辆对路面施加的是移动荷载，故需进行移动荷载作用下柔性路面动硕士学位论文第一章绪论力响应分析。但传统上的路面设计忽略动态的影响，都将车辆荷载视作静载，即认为移动的车辆和静止的车辆对路面施加的荷载一样。实际上，野外试验已清楚地表明路面的响应在很大程度上与车速有关。动态影响除荷载随时间和空间变化外，还有两个重要影响因素，即与移动荷载相连的惯性和材料性质对应力和频率的依赖性。s e b a a l y 等( 1 9 9 1 ) 通过试验路测试了移动车辆荷载作用下柔性路面中的应变、应力和位移，并且有两个重要发现，即沥青混凝土层的拉应变与车速有关和在沥青混凝土层的底部存在较大的压应变。后一个发现对沥青混凝土疲劳试验的加荷形式有重要指导意义。s n e d d o n 1 2 1 ( 1 9 5 1 ) 首先考虑移到动荷载作用在弹性半空间表面问题，并给出了积分解。c o l e 和h u t h 0 3 】( 1 9 5 8 ) 和b a r o n 等【1 4 1 ( 1 9 6 7 ) 分析了弹性半空间表面作用移动的线荷载和有限长度的线荷载问题。m i l e s 1 5 】( 1 9 6 0 ) 和p a y t o n m 1 ( 1 9 6 4 ) 分别考虑了弹性半空间表面作用移动的轴对称荷载和点荷载问题。c h e n 1 7 1 ( 1 9 8 7 ) 对c o l e 和h u t h ( 1 9 5 8 ) 的模型进行了改变，计算了移动的线荷载作用下层状体系的动力响应。近期，有些学者( c h e n19 8 7 ；s o u s a 等【1 8 119 8 8 ；h u a n g 1 9 】19 9 3 ) 已经考虑材料特性对应力和频率的依赖性。s e b a a l y 和m a m l o u k 2 0 1 ( 1 9 8 9 ) m o i l i s 血t h 【2 1 1 ( 1 9 9 2 ) ；f 1 s o u s a 等( 1 9 8 8 ) 对移动的圆形荷载作用下粘弹性层状体系进行了动力响应分析。但均采用静动等效的方法，即移动荷载作用下距移动荷载x 米点处响应和静态荷载作用下距荷载x米点处响应相同。显然，该方法并没有考虑移动荷载的本质。h u h t a l a 和p i h l a j a mk i 2 2 1 ( 1 9 9 2 ) 以及加利福尼亚大学伯克利分校的s o u s a 等人( 1 9 9 3 ) 采用三维有限元方法计算移动荷载作用下柔性路面的动力响应。有限元方法的不足是计算量大和人为设定边界条件会带来较大的误差等。b u r k e 和k i n g s b u r y 2 3 1 ( 1 9 8 4 ) 将土体视作弹性多孔介质，分析了移动的表面压力作用下弹性多孔介质半空间的响应，并给出了封闭的解析解，但没有考虑材料的惯性和阻尼。w e r k l e 和w a a s 2 4 1 ( 1 9 8 7 ) 对爆炸波作用下粘弹性半空间介质的动力响应提出了半解析的方法。s i d d h a r t h a n 等【2 5 】【2 6 】( 1 9 9 3 ) 采用有限层法对移动荷载作用下柔性路面进行了动力响应分析。路基土考虑饱和土和干土，采用b i o t 固结平面应变理论，用复模量( 动模量和阻尼比) 表征材料特性，并将移动的车辆荷载用傅立叶级数展开，最后用模型试验进行了验证，结果比较吻合。有限层法最大的优点是可以直接计算任意点在任意时间的响应，而不需计算整个路面的响应。1 9 9 8 年，s i d d h a r t h a n 2 7 】等继续发展了他的模型，车辆荷载可以是更加真实的移动荷载，使用了傅立叶变换和有限元法。将沥青混凝土视作粘弹性体，基层和路基视作线弹性体。但移动车辆荷载作用下柔性路面动力响应分析问题，因车轮宽度并不是很大( 一般不足l m ) ，因此并不是平面应变问题，z a m r 等1 2 引( 1 9 9 4 ) 采用s i d d h a r t h a n 等( 1 9 9 3 )6硕+ 学位论文第一章绪论所提出的方法对移动车辆荷载作用下柔性路面进行了动力响应分析，路基和路面均视作粘弹性体。计算模型采用h w a n g 等f 2 9 】( 1 9 7 5 ) 和l y s m e r ：等【3 0 ( 1 9 7 5 ) 所提出的修正的平面应变模型。该模型计入车轮宽度的影响，将车轮接地面等效成矩形，并通过在模型的前、后加入粘性边界考虑了三维的影响。该修正的平面应变模型和三维的模型计算结果相近，但速度快得多。z a f f i r 等的方法需联立方程组，当多层体系的层数较多时计算量非常大。另外，用复模量表征材料的特征不一定可行。1 3 研究的方法与内容本文结合铁道部科技研究开发计划课题无碴轨道过渡段路基的变形控制技术及施工工艺的试验研究的试验和研究，采用现场试验与仿真分析相结合的方法进行研究。本文主要研究的是涵涵相邻过渡段结构动力特性：1 ) 通过一系列的室内、现场试验获取分析过渡段路基稳定性的相关参数，本文通过现场波速测试中的跨孔法与下孔法，进行两种方法的对比分析，并获得过渡段路基不同深度层的泊松比、动弹性模量和动剪切模量；介绍激振试验的试验原理，并通过现场测试及数据处理分析获得路基的阻尼比和竖向抗压刚度；2 ) 根据试验获取的过渡段路基参数、武广客运专线现场工点过渡段结构、动车组的轮载作用，建立涵涵过渡段有限元仿真计算模型，利用a n s y s 软件进行仿真计算，深入地研究过渡段的结构动力特性，包括动位移、动应力、加速度和速度；研究在行车速度3 5 0 k m h 的动载作用下各动响应值沿纵向、横向、竖向的分布大小和规律；研究行车速度对过渡段动响应值的影响；研究基床表层厚度不同时，过渡段动响应值的变化；研究两个涵洞中心距离不同时，过渡段动响应值的变化等；3 ) 禾l j 用信号处理方法中的时域分析及数理统计分析方法，分析武广客运专线综合行车试验中过渡段的实测动响应值，并与仿真结果比较，验证模型的正确有效性及实测数据的真实性。7硒l 学位论文第= 章现场获取参数试验2 1 引言第二章现场获取参数试验现场获取参数试验是为了武广客运专线无碴轨道过渡段结构的动力仿真分析提供必要的路基本体各层填土的动力特性参数，以便验证优化武广客运专线无碴轨道过渡段路基的设计理论与工程措施，了解过渡段施工控制技术的工后状态。现场获取参数试验通过各种波速测试和徽振法试验测定路基各层土体的动弹性模量、动剪变模量、动泊松比、竖向阻尼比、竖向剐度等多种参数。2 2d k l 2 5 2 + 6 7 9 计7 3 1 涵墒过渡段现场工点概述本文研究的具体对象就是武广客运专线d k l 2 5 2 + 6 7 9 + 7 3 1 涵- 涵相邻过渡段。通过在该工点上的一系列试验，获取了相关的分析参数，并利用a n s y s 软件建立了多层体系的分析模型。由此求解列车通过模型的各种情况，对仿真计算结果进行分析，得出动响应的分布规律。同时，在此工点上采集了数十次动车试验行车时的实际动测数据，进行了实测数据的动响应分析和实测分析与仿真计算的对比研究。2 2 1 武广客运专线简介武广客运专线为京广客运专线的南段，位于湖北、湖南和广东境内，目的是为了缓解京广线的巨大客运压力。专线建成后武汉到广州的时间由原来的l l 小时缩短到4 小时，长沙到广州的时问由8 小时缩短到3 小时，武广客运专线始于武汉新武汉站，经过咸宁、赤壁、岳阳、长沙、株洲、衡阳、郴州、韶关、花都，到达广州的新广州站，全长9 9 5 公里。其中湖北省境内长1 5 2 k m ；湖南省境内长5 1 8k m ：广东省境内长2 9 8k m 。设1 5 个客运站、3 个越行站。其中规模较大的车站有武汉、新长沙、新广州3 站。平均站间距离5 61 7 6 9k m ，最大站间距离为新郴州站至新乐昌站间8 41 2 7 1k m ，最小站间距离为新清远站至花都站问3 61 4 5 9k m 。铁路等级：客运专线；正线囤2 - 1 武广客运专线穿越地区目硕上学位论文第二章现场获取参数试验数目：双线；正线线间距：5 0m ；速度设计值：3 5 0k m h ；最小曲线半径：一般90 0 0 m ，困难70 0 0 m ；最大坡度：2 0 ；到发线有效长：7 0 0m ；牵引种类：电力；列车类型：电动车组；列车运行方式：自动控制；行车指挥方式：综合调度。正线共设桥梁6 6 2 座共4 “k m ，占线路总长的4 2 1 4 。隧道( 含明洞) 2 3 6 座共1 6 9k m ，占线路长度的1 7 1 5 。桥隧长度占线路长度的5 9 1 9 。路基长度3 8 8k m ，占线路长度的4 0 1 。武广客运专线是一条集中新技术、新工艺、新设备于一体的高新技术系统工程。它的建成将为我国今后高速铁路的发展提供宝贵的技术经验。2 2 2 工点概况地形地貌及地质条件此工点全长5 2 m ，如图2 - 2 。地形地貌：垄岗，垄岗低缓，自然坡度约1 0 。地层岩性及地质构造：垄岗表层为q 4 e l + d l 粉质粘土，硬塑，厚约o 5 m ，下为q 2 + 3 粉质粘土，硬塑，厚3 - 6 m 。下伏j 3 泥质粉砂岩夹薄层粉砂岩、粉砂质泥岩，褐红色，全弱风化。涵洞尺寸及填高d k l 2 5 2 + 6 7 6 框架涵，净高2 4 m ，孔径1 s m ；d k l 2 5 2 + 7 3 1 框架涵，净高2 7 m ，孔径4 2 m ，涵身墙厚3 0 c m 。过渡段填高1 7 m 。地基处理该段地基采用c f g 桩加固，桩径o 5 m ，按正三角形布置，桩项均铺设0 6 m 厚的碎石垫层，内铺一层极限抗拉强度不小于8 0 k n m 的土工格栅。omi - - - ,+2 坚娄叠壤r l鬟乏娄f l广j， 1, , - - - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一2 0f毫。缝五已墨丕+ 5 彬老嵩蠢；象筠水泥( 基床表层fqj2 ol 厂 l ，呲件( 路基交缓)l 广 l 二 萧谤_ 二算泽鱼竺e图2 - 2d k12 5