（道路与铁道工程专业论文）遂渝铁路无砟轨道路隧过渡段实车测试及路基结构FEM计算.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国铁路建设正处于高速发展的阶段，由于无砟轨道结构可显著减小维 修工作量、提高高速列车运行的安全性和舒适性等优势，无砟轨道结构在高 速铁路和客运专线土质路基上大规模的应用已经成为一种必然趋势。现在已 建成或在建的遂渝无砟段、京津城际、武广客专、郑西客专、哈大客专、京 沪高速铁路都大规模地铺设了无砟轨道结构。 为了适应地形的起伏变化，铁路沿线存在着大量的路基和隧道、桥梁等 结构物。由于路基和隧道两种结构物的轨下支承条件不同，其轨下基础乃至 轨道整体的刚度及其变形就会有差异，致使路隧连接部分产生明显的不平顺 性现象，当列车经过该区段时附加动力明显加大，从而对行车的安全性、乘 坐的舒适性产生不利的影响。为了减轻因轨道刚度和变形突变引起的附加动 力作用，在路基与隧道间设置一定长度的过渡段是一种技术处理措施。 本文结合遂渝铁路无砟轨道综合试验段实车测试，分析了无砟轨道路基 与隧道刚性渐变混凝土过渡段在c r h 2 动车组和重载货物列车作用下的路基 面动应力、支承层振动位移、支承层振动速度的幅值大小、与行车速度的关 系及沿线路纵向的变化规律；同时，开展了双块式无砟轨道路基结构的f e m 计算，分析了双块式无砟轨道路基结构在不同轮载力大小、结构层间接触条 件、支承层模量、基床表层模量和轨道结构模量整体折减率等情况下的各结 构层关键部位的力学响应。实车测试结果表明：路基面动应力、支承层振动 位移、支承层振动速度值相对于有砟轨道较小；车辆轴重对路基面动应力、 支承层振动位移影响显著，行车速度和车辆动力学性能对支承层振动速度影 响较大；动应力、振动变形及振动速度等动力学指标沿过渡段纵向变化平稳， 基本实现了路基与隧道之间支承刚度的逐渐过渡。f e m 计算结果表明：轮载 力对路基面压应力沿纵向的影响范围大约为5 m ；无砟轨道路基结构的力学 响应随着轴重的增加基本上呈线性增加，随着支承层模量的减小而增加；在 本文的计算模型下，轨道结构整体模量折减到0 6 6 是一种比较合理的模量组 合。耦合状态下的路基面的压应力和竖向变形与实测数据比较接近，但随着 摩擦系数的减小应力和变形值逐渐增大。通过f e m 计算结果和实车测试结果 的对比，可以认为本文建立的数值计算模型能较好地模拟土质路基上双块式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 无砟轨道路基结构的力学响应。 关键词：无砟轨道路基，路隧过渡段，实车测试，f e m 计算，动静力学响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t c h i n ar a i l w a yc o n s t r u c t i o ni sa tah i g hd e v e l o p m e n ts t a g e ，a n db e c a u s et h e b a l l a s t l e s st r a c kc a no b v i o u s l yr e d u c em a i n t e n a n c ew o r k l o a da n di n c r e a s et h e s a f e t ya n dc o m f o r to ft h eh i g h s p e e dt r a i n ，t h eb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r el a i do n s o i ls u b g r a d ei nt h eh i g h s p e e dr a i l w a yh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d a t p r e s e n t ，t h e b a l l a s t l e s st r a c kh a sb e e nl a r g e l yl a i do n s u i n i n g c h o n g q i n g b a l l a s t l e s st r a c kr a i l w a y ，be i ji n g - t i a n ji ni n t e r c i t yr a i l w a y ，w u h a n g u a n g z h o u e x p r e s sr a i l w a y ，z h e n g z h o u - x i a ne x p r e s sr a i l w a y ，h a e r b i n - d a l i a ne x p r e s s r a i l w a ya n db e i ji n g s h a n g h a ih i g hs p e e dr a i l w a y i no r d e rt oa d a p tc h a n g e si nt o p o g r a p h yo ft h eu p sa n dd o w n s ，t h e r ew i l lb ea l a r g en u m b e ro ft u n n e l s ，b r i d g e sa n do t h e rs t r u c t u r e sa l o n gr a i ll i n e a st h e s u b g r a d ea n dt u n n e la r eu n d e rt h ed i f f e r e n ts u p p o r t i n gc o n d i t i o n s ，t h es t i f f n e s s a n dd e f o r m a t i o no f f o u n d a t i o nu n d e rr a i lt r a c ka n de v e nt h ew h o l et r a c ks t r u c t u r e w i l lb ed i f f e r e n t ，w h i c hw i l lc a u s et h es i g n i f i c a n ti r r e g u l a r i t yp h e n o m e n o ni n s u b g r a d e - t u n n e lc o n n e c t i o ny i e l d t h ea d d i t i o n a ld y n a m i cp o w e rw i l li n c r e a s e n o t i c e a b l yw h e nt h et r a i np a s s e st h r o u g ht h i sp a r t ，w h i c hw i l lt a k ean e g a t i v e i m p a c to nt h et r a f f i cs e c u r i t ya n dc o m f o r t i no r d e rt or e d u c et h et r a c ks t i f f n e s s a n dd e f o r m a t i o nm u t a t i o nc a u s e db ya d d i t i o n a ld y n a m i cp o w e r ，i ti sat e c h n i c a l t r e a t m e n tm e a s u r et os e t u p ac e r t a i nl e n g t ho ft h et r a n s i t i o nb e t w e e nt h e s u b g r a d ea n d t u n n e l i n t e g r a t i n gt h ec o m p r e h e n s i v ev e h i c l et e s to ns u i n i n g c h o n g q i n gb a l l a s t l e s s t r a c kr a i l w a ya n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt w i n b l o c kb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r e ， t h ep a p e rs t u d i e da n da n a l y z e dt h es u b g r a d ed y n a m i cs t r e s s ，t h es u p p o r t i n g v i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n dv i b r a t i o nv e l o c i t ym a g n i t u d e ，t h e i rr e l a t i o n s h i p sw i t h t h es p e e do ft r a i n s ，a n dt h er u l e si nt h ed i r e c t i o no ft h er a i l w a yl i n eo ft h e c o n c r e t et r a n s i t i o nb e t w e e ns u b g r a d ea n dt u n n e lu n d e rt h el o a dr o l eo fc r h 2 m u l t i p l eu n i t sa n dc 8 0h e a v yh a u lf r e i g h tt r a i n s a tt h es a m et i m e ，i ts t a r t e df e m c a l c u l a t i o no ft h et w i n b l o c kb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r ea n d a n a l y z e dt h e t w i n - b l o c kb a l l a s t l e s st r a c kk e ys t r u c t u r em e c h a n i c a lr e s p o n s eu n d e rc o n d i t i o n s o fd i f f e r e n ta x l el o a d s ，s t r u c t u r ec o n t a c t ，s u p p o r t i n gm o d u l u s ，s u r f a c el a y e ro f s u b g r a d em o d u l u sa n dd i s c o u n tr a t eo fr a i lt r a c km o d u l u s t h et e s td a t as h o w e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 t h a tt h es u b g r a d ed y n a m i cs t r e s s ，t h es u p p o r t i n gv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n d v i b r a t i o nv e l o c i t yo ft h eb a l l a s t l e s st r a c kw e r er e l a t i v e l ys m a l l e rt h a nt h a to ft h e b a l l a s t e dt r a c k ；t h ea x l el o a d st o o kas i g n i f i c a n tr o l et ot h es u b g r a d ed y n a m i c s t r e s s ，t h es u p p o r t i n gv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t ；t h et r a i ns p e e da n dv e h i c l ed y n a m i c p e r f o r m a n c eh a d ag r e a ti m p a c to nt h es u p p o r t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t y ；t h ed y n a m i c s t r e s s ，v i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n dv i b r a t i o nv e l o c i t yc h a n g e ds t a b l yi nt h e d i r e c t i o no ft h er a i l w a yl i n e ；t h ea i m w a sb a s i c a l l ya c h i e v e dt h a tt h es u p p o r t i n g r i g i d i t yt r a n s i t e dg r a d u a l l yb e t w e e nt h es u b g r a d e t u n n e lt r a n s i t i o n t h ef e m d a t a s h o w e dt h a tt h ea x l el o a d sd i s t r i b u t i o ne x t e n to fs u b g r a d es u r f a c ec l o s et o5m ； t h eb a l l a s t l e s st r a c ks u b g r a d es t r u c t u r em e c h a n i c a lr e s p o n s ei n c r e a s e db yt h e i n c r e a s i n g a x l el o a d sa n dt h ed e c r e a s i n gs u p p o r t i n gm o d u l u s ；i nt h ep a p e r s a s s e m b l em o d u l u s ，0 6 6d i s c o u n tr a t ei sag o o dr a i lt r a c km o d u l u s ；t h es u b g r a d e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t r u c t u r el a y e r su n d e rt h ec o n d i t i o n so fc o u p l i n g w e r ec l o s e dt ot h eo fv e h i c l et e s td a t a ，b u tt h es u b g r a d em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e c a m em o r ep o o rw h e nt h ef r i c t i o n a lc o n t a c ti n c r e a s e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n o fv e h i c l et e s tr e s u l t sa n df e ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tc a nb ee s t a b l i s h e dt h a tt h i s m o d e lc a nb e t t e rs i m u l a t et h es u b g r a d em e c h a n i c a lr e s p o n e so ft w i n - b l o c k b a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r eo ns o i ls u b g r a d e 。 k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c ks u b g r a d e ；s u b g r a d e t u n n e lt r a n s i t i o n ；f i e l dt e s t ； f e mc a l c u l a t i o n ；d y n a m i cs t a t i cr e s p o n s em e c h a n i c a l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 口吆j r 强j 矿 钇7 缸 ：o j d 名 户 鹕 矽 师老 ： 导 期 指 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 结合遂渝铁路无砟轨道综合试验，测试了c r h 2 型动车组、重载货物 列车通过路遂过渡段时，在不同行车速度条件下的动力响应。以现场动力测 试数据为依据，分析了路基及隧道过渡段在列车轮载作用下沿线路纵向的动 态响应分布规律；研究了列车速度及轴重与动应力、振动变形、振动速度的 关系；讨论了路遂过渡性能的动力学特点。通过对测试数据的分析，基本掌 握了路基及隧道过渡段的动态响应规律，明确了设计控制因素，评价了过渡 段技术处理措施的合理性和有效性。 2 开展了双块式无砟轨道路基结构的f e m 计算，分析了双块式无砟 轨道路基结构在不同轮载力大小、结构层间接触条件、支承层模量、基 床表层模量和轨道结构模量整体折减率等情况下的各结构层关键部位的 力学响应。通过f e m 计算结果和实车测试结果的对比，证明了论文建立 的数值计算模型能较好地模拟土质路基上双块式无砟轨道路基结构的力 学响应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路作为国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干，必须为全面建设小康社 会提供可靠的运力支持。为适应和促进国民经济的发展与社会进步，铁路必须 在科学发展观的指导下，快速提高运输能力，快速提升技术装备水平，实现跨 越式发展。1 9 9 4 年1 2 月，我国第一条准高速铁路一广深铁路正式开通运营，标 志着中国铁路向高速化迈出了一大步。2 0 0 2 年秦沈客运专线建成，国产动力集 中型“中华之星 电力机车达到了创纪录的3 2 1 5 k m h 最高试验速度。秦沈客 运专线已开始运营，郑西、京津、温福、沪宁、武广等客运专线已开始建设， 京沪高速铁路建设己获立项批准，这表明我国已经迎来高速铁路建设高潮。 高速铁路发展必须以安全、可靠、舒适为前提，而这些均取决于铁路系统各 构成部分的高品质与高可靠性。高速铁路的轮轨系统从结构上可分为轨上系统 和轨下系统两部分，轨上系统指走行部分，即机车车辆；轨下系统包括钢轨、 轨枕、道床和路基。在走行部分确定和完好的前提下，影响运营过程正常运作 的自然是轨下系统。随着速度的提高，系统动力作用加强，变形问题成为主要 控制因素，铁路路基体系的动力特性问题日益突出。 长期以来路基问题却一直得不到重视，以前对路基特别是基床部分可能产生 的变形认识不足，认为铁路路基只要能保证强度稳定就被认为满足工程要求【l 】。 事实证明，仅就路基来看，路基的变形是制约列车高速运行的重要因素之一。 j p f o r t i n 在法国t g v 东南线a m i e n a b b e v i l l e 区段的软弱地基线路上，发现机 车前方产生了2 c m 下沉并伴有地裂现象。日本在修建东海道新干线时为降低造 价，降低了路基填料质量，运营一年后路基出现了不少病害，使列车运行速度 大大降低【2 】。轨下系统承受着列车所产生的多次重复荷载作用，这一过程的日 积月累，使钢轨、轨枕及其部件发生磨耗和损伤，使道床和路基产生各种变形 ( 包括不均匀下沉) ，这些变形的发展加之道床密实度以及路基填料土质和密实 度等的不同，造成了线路结构刚度沿线路纵向的变化及轨面的不平顺，损害了 车轮在钢轨上的正常走行功能，影响了线路的正常使用，这种状态便是轨道破 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 坏。轨道破坏并非仅指部件的损伤，而是指轨下系统合理状态的破坏，包括路 基的过大变形，这就涉及到轨下结构的变形控制问题。在低速情况下，轨下系 统的变形影响不太突出，即便有不均匀沉陷，对于低速行车并不构成严重影响， 可以通过起道作业来改善这一问题，这也是长期以来铁路路基不被重视的一个 症结所在。在高速情况下，路基是由散体材料组成，散体材料容易产生变形， 而且抵抗振动的能力弱，是线路结构最薄弱最不稳定的环节，也是轨道变形的 主要来源。它们在多次重复荷载作用下所产生的累积沉降和不均匀下沉造成轨 道的不平顺，将影响列车的运行速度和线路养护，而且，对于有砟轨道，高速 行车过程中路基所产生的弹性变形直接反映到轨面上的弹性变形，对列车的高 速走行条件有重要的影响，弹性变形大，则车速不能提高 3 l 。对于无砟轨道， 路基所产生的弹性变形和永久变形则会反应在混凝土支承层上，从而产生拉裂， 使结构出现无法修复的破坏。因此，变形问题便成为高速铁路路基的主要控制 因素。 铁路线路是由不同特点、性质迥异的构筑物( 桥、隧、路基等) 和轨道构成 的，它们相互作用，相互依存，相互补充，共同构成了一条平滑线路。由于不 同结构物之间的动静刚度存在差异，列车通过时列车通过时会产生变位差，会 对轨道结构和机车车辆产生较大的冲击，从而降低列车运行的平稳性、舒适度， 导致轨道结构状态的恶化，造成恶性循环：同时，也加快结构物和车辆的损坏。 所以对于连接不同结构物之间的过渡段，在列车荷载作用下的动力学响应的研 究显的十分重要。 1 2 高速铁路无砟轨道国内外发展现状 1 2 1 国外无砟轨道概况 有砟轨道结构历史悠久，在长期的应用中，人们积累了丰富的施工和维修 经验，轨道本身又有弹性好的优点，加之铺设费用低，维修容易，所以人们认 为它是比较经济的结构型式。然而随着行车速度的提高，对线路的要求也越来 越高，特别是列车动荷载的增加，对道床的稳定性、线路的平顺程度的要求也 越来越高，这样，容易变形的有砟道床就难以适应了。为了满足使用要求，就 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 必须加大养护维修的频率和工作量，稍有不慎就可能造成行车的中断，维修费 用也大幅度提高，导致铁路运输经济效益下降。为了适应铁路高速运行的需要， 解决线路维修的困难，世界各国研究和开发了多种结构型式的无砟轨道，主要 有板式，长枕埋入式、弹性支承块式、r h e d a 型、双块式等。板式轨道广泛引 用于日本新干线；r h e d a 型、博格板式等结构型式，广泛的应用于德国的高速 铁路。 无砟轨道整体性强，纵向、横向稳定性高，能持久的保持轨道的几何尺寸。 养护、维修的工作量少，综合成本低，综合效益好。 无砟轨道在高速铁路上大量铺设已成为铁路的发展趋势。 1 2 2 国内无砟轨道概况 国内对无砟轨道的研究始于上实际的6 0 年代，与国外的研究几乎同时起步。 在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过一公里的隧道内铺设，总铺设 长度约为3 0 0 k i n 。在西康线秦岭、西安南京线东秦岭、磨沟岭、桃花铺一号、 兰武线乌鞘岭隧道铺设了弹性支撑块式无砟轨道。在渝怀线鱼嘴二号、圆梁山、 秦沈线沙河特大桥铺设了长枕埋入式无砟轨道。在赣龙线枫树排、秦沈线双河 特大桥、狗河特大桥铺设了板式无砟轨道。 为了在我国客运专线推广应用无砟轨道，2 0 0 4 年底在遂渝线开展无砟轨道 试验段研究，同时分别在郑西、武广和京津城际开展四个中外联合设计、施工 无砟轨道综合试验段1 4 ，4 引。 1 3 高速铁路过渡段问题及其研究现状 由于组成线路的结构强度、刚度、变形、材料等方面差异较大，故必然导致 轨道的不平顺。过渡段的不平顺主要是两种类型共3 种情况：过渡段轨道刚 度的变化；过渡段轨面弯折：过渡段轨道刚度的变化和轨面弯折的综合影 响。 控制线路的不平顺，保证车辆高速、安全、平稳运行，是路上交通运输系统 设计的重点之一。世界各国在发展高速铁路过程中，都对容易发生不平顺的部 位特别重视，从结构设计到施工组织、从工期安排到质量检测等方面都采取了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 措施，严格控制轨道的刚度变化和沉降不均匀引起的轨面变形，保证线路的平 顺度。 1 3 1 国内外高速铁路过渡段的处理措施 随着高速铁路的修建，并成功投入运行，国外铁路先进国家在处理过渡段( 包 括桥头路基、隧道出入口、路基路堑的连接等) 方面已有一定的基础，并积累 了较丰富的经验，提出了一些经实践检验可行的技术处理措施，归结起来主要 有以下几类。 1 在过渡段较软一侧，增大路基基床的竖向刚度、减少路基结构的沉降 通过加强路基结构来减少过渡段两侧的刚度与沉降的差异，进而减少线路不 平顺，具体处理方法有：加筋法，加入一定数量的拉筋形成加筋土路基结构； 优( 轻) 质填料法，优质填料如碎石类填料，轻质填料( 如e p s 、人工气泡混合 土等) ；轻型废弃物、火山灰、粉煤灰、中空构造物( 波纹管、箱型涵管) 等。 过渡板法，在过渡段范围内的路基上现浇钢筋混凝土厚板，一端支撑于刚性基 础上，利用钢筋混凝土厚板的抗弯模量来增大轨道刚度；土质改性法，使用 土质改经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，增大轨道的竖向刚度 通过提高竖向刚度来减小不同结构物间轨道刚度的变化率，不能解决过渡段 两侧由沉降差引起的轨面弯折问题。具体的处理方法有：调整轨枕长度和间 距来提高轨道刚度；增大轨排抗弯模量来增加轨道刚度：加厚道床厚度来 提高轨道刚度。 3 在过渡段较硬一侧，通过设置轨下、枕下、砟底橡胶垫块( 板) 来调整轨道 竖向刚度。 国内外对过渡段技术处理基本原则是一致的，处理方案大同小异。主要有如 下几种：桥头设搭板和枕梁：一端支撑于桥台上，另一端简支于枕梁上，可 实现刚性桥台与柔性地基间的刚度变化，但不能减轻沉降差。粗粒级配料填 筑：级配粗粒料( 如碎石、砂砾石、水泥石灰稳定砂石土、低等级混凝土等) ， 是铁( 公) 路系统常用的减小沉降差的处理方法。加筋土路基结构：加筋土路基 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 结构处理桥头“跳车 可以大大减小桥背路基沉降、将桥台背土路基与桥台交 界处的台阶式跳跃沉降变成连续式斜坡沉降。改善桥头路面结构设计：能显 著减小两个对接的性质完全不同的线路结构体系在抗垂直变形能力方面的差 异，使过渡段的动力特性逐渐变化【4 4 4 5 1 。 1 3 2 高速铁路过渡段动力特性分析研究现状 1 3 2 1 铁路路基动荷载的确定 随着高速、重载铁路的发展以及路基基床病害整治方法的科学化，明确路 基设计动荷载已成为刻不容缓的重要课题。 在铁路路基规范及技术手册中，一直沿用的是换算荷载法，用一换算 土柱高并按4 5 。扩散角计算路基中的荷载。这一思路已不适用于重复荷载下路 基土的疲劳失稳特性。由于列车荷载是通过轨道、轨枕传递到路基的，因此， 如何将列车荷载定量化或找出其分布传递的规律是动力学研究首先要解决的问 题。 文献 5 ，6 】等根据已有的研究成果和试验数据，用一个激振力函数模拟列车 动荷载，它由一系列正弦函数迭加而成。文献【7 】通过假定钢轨由于轮轨之间的 不规则接触而受到强迫振动的分析，将荷载模拟成与轮重、钢轨支撑性质、轨 枕间距及列车速度等有关的静载与附加动载之和。文献 8 】将列车荷载简化成一 个包含振动幅值和频率的指数函数形式，并通过f o u r i e r 级数反映不同轮组在不 同时间t 、不同位置z 处的情形。 除了列车荷载的研究为路基动应力分析提供理论基础外，工程界更关心的是 路基面及路堤内部的动荷载大小及分布，这通常通过实测和分析得到一些规律 性的认识。铁道科学研究院和西南交通大学等单位在路基动应力的大小和分布 方面进行了试验【9 - 1 0 1 ，路基面动应力的数值范围大致在6 0 - - - 1 2 0 k p a ，从路基面 到其下0 7 m 范围内动应力变化较大。路基面下0 6 一- 0 7 m 内动应力衰减可达6 0 。一般在路基面下1 4 1 5 m 的动应力趋于稳定，路基面下3 0 m 附近的动应 力只有路基面动应力的l o 左右，所以一般考虑动荷载影响深度为路基面下 3 0 m ，并将其定义为基床层。此外，从影响路基动应力的因素来看，不同文献给 出的结论是有差别的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 文献【8 ，1 l ，1 2 】实测表明，基面动应力随车速增加而增加，文献 1 3 1 还给出了 v 薹1 6 0 k m h 时基面动应力与车速的关系式，即仃矿- - - 5 2 ( 1 + o 0 0 3 5 ) 。而文献 1 3 】 就大秦线线路实测结果表明，列车速度基上对路基应力无影响。文献 1 2 】就日本 新干线高速铁路路基动力实测表明，当车速超过一定数值后，车速对路基应力 变化无影响。关于动应力与振动频率的关系，一般是随频率增加而有所增加， 但增加幅值较或不明显，且频率高到一定程度( 如大于6 0 h z ) 时，这一影响就很 小。 文献 1 3 】通过在北京环行试验基地和广深线实测的路基动应力和动力有限 元理论计算的结果，提出了一般干线铁路( v m a x 主1 6 0 k m h ，6 0 k g m 钢轨，1 8 4 0 根k i n ，3 5 c m 道床厚度) 路基面设计动应力幅值的计算式( 1 1 ) 表示。我国现行高 速铁路路基的设计荷载就是参照此式。 仃硼= o 2 6 p x ( 1 + a v ) ( 1 1 ) 式中：仃胡为路基设计动应力幅值( k p a ) p 为机车车辆静轴重( v 为列车运行速度( k m h ) 口为速度影响系数，高速铁路无缝线路为口= o 0 0 3 ，准高速铁路无缝 线路为口- - 0 0 0 4 。 1 3 2 2 铁路路基土的疲劳特性 重复荷载作用下路基土的疲劳特性有两方面的含义。一是土的强度疲劳失 稳，另一是土的变形疲劳失稳。强度疲劳失稳还是现行规范静力基础上考虑动 荷载作用下土的强度大小及破坏问题，而变形疲劳失稳则已突破了现行规范的 强度控制思路，转向了针对高速铁路的特点，考虑列车行进的舒适度、安全性 前提下的允许动弹性变形和累积残余变形或称塑性变形问题。因此，高速铁路 路基的疲劳问题需研究动强度、动变形和两者的相互作用问题。 文献 1 3 1 5 指出，在一定的含水量和密度条件下，土的动强度随着振动次数、 振动频率、动应力的大小等动力因素的作用而有所降低。一般而言，持续应力 水平1 1 1 ( m = p l - - o 3 。) b l 。一仃3 ，) ) 或初始剪应力水平( 2 0 o o ，o ) 越小，振动 效应越显著，土的疲劳强度越低。当其他条件定时，土的动强度显然随着重 复荷载循环次数的增加而降低，但当振动次数达到一定程度后，土的动强度指 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 标将趋于稳定。因此，对于铁路路基和高速路基而言，可以选定某一确定的疲 劳振次所对应的强度作为路基土的设计强度。土的变形通常包括弹性变形和塑 性变形，疲劳变形通常是指塑性变形。当列车动荷载较小且运营时间较短时， 基床土将在低应力和小应变条件下工作，此时因塑性变形相对微小，基床土将 显示出近似弹性体的特征。当列车动荷载较大且运营时间较长时，由于土颗粒 间的相对滑移，形成新的排列关系，产生压密作用，即出现了不可恢复的永久 变形即塑性变形i l6 j 。 由于道床和路基的疲劳变形对轨道结构的动力条件有关键性的影响，各国都 十分重视下沉规律的研究并做了相应的试验。日本持久变形控制设计的代表人 物有左藤吉彦，他于1 9 7 7 年发表了“新轨道破坏理论”【8 】。按此理论，平野雅 之提出了路基下沉量的经验公式【l 刀：仃。= k n 2 。国内一些实测资料及室内模 型试验也对影响路基变形的各个因素及条件进行了分析研究。 从上述分析可以看出，土的变形与荷载是分不开的。有荷载就有变形，但荷 载大小与变形类型的关系呈何种规律? 英国的h e a t h 于1 9 7 2 年发表了一篇名为 “有砟轨道基础的设计”一文【l 引，他用伦敦粘土试样作动三轴试验。试验结果 有两组：一组为破坏型曲线，其变形随着试验振次的增加而逐渐发展直到破坏； 另一组衰减型曲线，其变形速率逐渐变缓最后达到稳定状态。这两组试验之间 似乎存在一个界限的应力水平。如果把这两组试验按它们的弹性应变整理，则 部分应力下的积累应变达l o ，其余则未达1 0 。它们之间有一个界限即极限 弹性应变。显然与弹性应变对应将有一个极限应力，我们称之为临界动应力。 西南交通大学采用成都粘土做动三轴试验也得到了相似的试验结果【1 9 】。如果基 床土的动应力小于该临界动应力，则随着振动的延续、压密和土的结构不断变 化、不断发展，达到一定振次后，塑性变形趋于稳定，压密不再增加，这样路 基的永久变形将会得到有效的控制。当动应力超过这个临界动应力，则塑性变 形将不断发生，直至破坏。因此如何寻求这一临界动应力并应用于实际结构非 常有意义。 前述分析表明在列车运行中，最好能够控制路基所产生的塑性变形，但弹性 变形是否需要控制呢? f b i r m a n n e 2 0 】曾指出，轨道完全非弹性的这种假定导致不 正确的理论条件，不能在这种不正确条件的基础上考察车辆与线路的相互作用 和运行稳定性。因此，线路的弹性是必须也是不可避免的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 轨道系统的弹性随使用的材料及路基密实度、含水量和土的种类而变化。相 同条件时，铺设混凝土轨枕轨道的弹性刚度比铺设木枕轨道的弹性刚度大得多。 那么路基的弹性变形的控制值由基床表层的要求决定，需要考虑两个因素【2 l 】： ( 1 ) 基床表层不发生结构破坏；( 2 ) 由基床表层弹性变形导致轨面的弹性变形 ( 钢轨挠度) 应满足高速行车的舒适度和安全性要求。 日本采用了强化基床结构，为保证表层结构不至于因弹性变形过大而产生挠 曲开裂，他们采用了挠曲角0 的概念来控制变形【2 2 1 。综合考虑上述两个因素后， 确定铁路强化基床表层( 沥青混凝土) 弹性变形的限值为2 5 m m 。但我国“高 速参数研究” 2 3 1 所建议的基床结构形式为级配砂砾土表层，属散体材料的柔性 结构，其弹性变形的容许值可以放宽。因此，从保证道床的稳定性，避免频繁 养护维修角度考虑，我国“九五高速铁路技术条件”建议弹性变形的容许值 为4 m m 。 1 3 2 2 过渡段动力分析研究 现代铁路技术必须从整体系统的观点出发进行研究，高速的实现，需要路 基、桥梁、隧道、轨道、车辆的合理匹配，从而使各个组成部分相互协调并保 证高速系统以最优化方式运营。构成线路的结构物和轨道，尽管各自的特性决 定了它们是相互不同的个体，但从线路供车辆平顺运行这一点来看，它们各自 所需要的性能是相互依存、相互补充的。系统的合理匹配主要包括两个方面， 其一是保证高速列车的平稳舒适运行，满足舒适度和减载率等方面的要求；其 二是保证高速铁路系统各部件之间的低动力作用，延长部件维修周期和使用寿 命【5 ，2 3 1 。仅就第一方面而论，主要反映的是系统的刚度等一系列参数的相互协调、 匹配问题。 运用车辆一轨道一路基大系统相互作用的动力学理论，罗强等 2 4 - 2 6 】应用车 辆与线路相互作用的动力学理论，全面分析了路桥过渡段的轨面弯折变形、轨 道基础刚度的变化、不同的行车速度、车辆进出过渡段等情况对车辆垂向加速 度和轮轨垂向力等动力学性能指标的影响规律，并指出路桥结构的工后沉降差 引起过渡段轨面弯折变形是影响行车安全与舒适的主要因素，而路桥间的刚度 差、列车的行车方向对行车的动力学性能指标影响不显著。同时，对高速列车 通过路桥过渡段的动力学性能的分析认为，路桥间轨道基础刚度的变化对行车 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的安全和舒适性影响甚微，而由不均匀沉降引起的轨面弯折变形对行车影响剧 烈，并对过渡段的变形限值与过渡段长度的确定方法作了一些研究。 王于【27 】等运用车辆一轨道耦合动力学理论，以有碴和无砟轨道的过渡段为 例，进行了车辆一轨道垂向动态相互作用的仿真研究，指出了确定轨道过渡段 长度时所采用的动力学性能评价指标，并提出了确定轨道过渡段长度的“临界 长度法。蔡成标【2 8 】等建立了列车与路桥过渡段动力特性分析模型，确定了一套 轨道过渡段动力特性的评价指标，分析了由基础沉降差引起的钢轨初始变形及 行车方向、行车速度对轮轨系统动力性能的影响，提出了确定路桥过渡段长度 应根据最高行车速度、基础沉降差，由动力学评判指标来确定。其中车体加速 度和路基基床表面应力起控制作用。 王其哥2 9 】等借助于车辆一轨道耦合动力学理论【3 0 】与方法就存在有轨道折角 的路桥过渡段的动力学性能进行了仿真与综合评价，并给出了高速铁路路桥过 渡段轨道折角的容许值，并指出在路桥过渡段，轨道折角效应显著，列车的速 度效应也很明显。 毛利军【3 l 】等利用车辆一轨道耦合动力有限元计算模型，对轨道过渡段进行 仿真分析，得出过渡段轨道底部刚度的突变并不直接导致动力系数的增大，而 一旦存在不平顺折角，轮轨之间的动力系数将急剧增大，因此列车速度的提高 受制于轨道不平顺折角。 1 4 论文的研究内容 本文采用现场试验与数值模拟相结合的研究思路，对高速列车荷载作用下 无砟轨道过渡段路基动力响应进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 广泛收集无砟轨道、过渡段、路基的动力特性的设计、施工等方面的研 究成果，对其进行分析、研究，为本文选题、立题打下基础，并确定本文的研 究思路和研究方法。 ( 2 ) 在研究分析国内外轨道静动力学计算模型的研究现状的基础上，以商业 软件a b a q u s 为平台，建立土质路基上的双块式无砟轨道路基结构计算模型， 并分析在不同轮载力、结构层间接触条件、支承层模量、基床表层模量和轨道 整体结构模量折减率等情况下的各结构层关键部位的力学响应。并通过与实测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 结果和文献数据进行对比，验证模型的正确性。 ( 3 ) 以我国第一条无砟轨道( 遂渝铁路无砟轨道综合试验段) 的路隧过渡段 实车测试数据为基础，研究高速列车荷载作用下路隧过渡段的路基面动应力、 支承层振动位移、支承层振动速度等动态响应规律，对无砟轨道路隧过渡段的 设计参数、结构型式、设置长度、刚度匹配等进行评价，为高速铁路路基设计 提供依据，同时为理论分析和数值计算提供验证数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第2 章路隧过渡段动力学特性测试分析 2 1 试验概况 2 1 1 测试工点概况 该工点位于遂渝线无砟轨道综合试验段，为路基与隧道刚性渐变混凝土过渡 段，长约2 0 m ，混凝土厚2 0 o 5 m 。位于湾里头隧道出口，挖方路段，线路以 遂一堑一堤形式通过。场地地基土层为红层泥岩。直线路段，轨道结构为双块 式无砟轨道。 过渡段路基位于路堑地段，路基面下3 m 采用换填处理，基床采用渐变刚性 过渡，表层填料为c 2 5 混凝土，分为4 段，每段长2 、6 、6 、6 m 的c 2 5 混凝土 厚度递减，厚度分别为2 、1 5 、1 、0 5 m ，底层填料采用级配碎石掺3 5 的 水泥；如图2 - 1 所示。 2 1 2 测试元件及埋设 1 测试所用的元件的具体参数如表2 1 表2 1 测试所用的传感器及仪器 名称型号性能指标 数量( 套个) 备注 应变式土压力传感器d y - 10 1 m p a6丹东前阳 低频振动式位移计 d p s o 3 2 v2 v m m6清华精仪 磁性自感式振动速度计 s d - 14 3 0 0 h z4 绵阳金桥 动态应变仪y e 3 8 1 88 通道 l江苏联能 直流电源 、y k3 0 v 2 a1江苏华泰 数据采集系统c r a s 11 61 6 通道 1南尿汽托 p c 机m mp 2 1台式p c 2 坝0 试方法 1 ) 动应力测试：应变式土压力传感器+ 动态应变仪+ 数据采集与处理系统 + p c 机： 2 )动变形测试：振动式位移计( 或电涡流位移计、差动式位移计) + 直 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 流电源+ 数据采集与处理系统+ p c 机： 3 )振动速度测试：磁性自感式振动速度计+ 数据采集与处理系统+ p c 机； 3 测点的布置 1 ) 动应力测点布置 在双块式无砟轨道混凝土支承层底面沿线路纵向右侧钢轨支点下依次布置 6 个土压力传感器。以湾里头隧道出口位置d k l 3 2 + 2 6 4 为零点，并令相邻路基 的第1 个支承块为o 撑枕，则土压力传感器的埋设位置分别距零点( 距隧道洞口) 0 3 1 2 5 m ( 0 # 枕) ，2 1 8 7 5 m ( 3 # 枕) ，7 1 8 7 5 m ( 1 1 # 枕) ，1 2 1 8 7 5 m ( 1 9 # 枕) ，1 7 1 8 7 5 m ( 2 7 枕) ，2 2 1 8 7 5 m ( 3 5 # 枕、d k l 3 2 + 2 8 6 1 8 7 5 ) 。路隧刚性 渐变混凝土过渡段动应力测点具体布置情况如表2 - 2 所列和图2 1 所示。