（道路与铁道工程专业论文）高速铁路压实标准仿真与基床动力响应分析.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 路基对高速铁路的安全性起着至关重要的作用，尤其在铁路运行速度 日益提高的前提下，如何提高路基的刚度和强度，减小工后沉降，增加整 体稳定性成了需要迫切解决的闯题。因此，采用科学的压实控制方法以及 如何减小不断增加的车速对路基的影响成了世界各国在高速铁路路基技术 研究上的重点。我国目前在路基的压实控制标准采用地基系数，并逐步 引进动态变形模量e v d 的控制标准，此外对高速铁路路基的动力响应也做了 大量的试验和理论研究。本文基于有限元的研究方法，对k 3 0 、删及高 速铁路路基动力响应进行了数值仿真分析研究。 建立平板荷载试验仿真模型，对地基系数如进行仿真研究。研究了幻 与e 的关系，得到了如与变形模量e 的关系表达式e = o 2 0 8 如；以沉降百分 比为控制标准研究了肠试验的影响范围，得出如试验在深度方向的影响范 围约为1 1 m 、而在侧向的影响范围约为0 7 m ：此外对高速铁路路基五进行 了可操作性研究，提出了在铁路路基计算分析中，基床表层、基床底层、 路堤下部以及地基变形模量最小值可分别取4 5 好a 、3 5 胁、2 0 m p d 和 1 5 m p a 。 建立动态平板载荷试验仿真模型，对动态变形模量僦行仿真研究。 研究动态变形模量e v d - 与动模量的关系，得到了不同种类土e v d - 与动模量e d 的关系式；以应力和沉降两种标准研究e 刑试验的影响范围，综合得出e v d 仿真试验的影响范围大致为：深度1 8 m 、侧向0 8 m ；并通过e v d - 与e d 的关 系、如与e 的关系以及e d 与e 的关系三者综合分析得出e v d - 与如的关系。 参考高速铁路设计标准，建立路基动态有限元分析模翌，从列车荷裁 作用下路基的应力和变形特点的角度，分析不同层位刚度的合理匹配。通 过研究得出，加速度、速度和沉降在动荷载作用下受刚度的变化影响最 大，说明采用加速度、速度及沉降三项指标作为高速铁路设计的控制参数 是较为合理的；分析了路基综合刚度、基床表层刚度，基床底层刚度以及 路堤下部刚度对路基动力响应的影响，提出了不同层位刚度的合理匹配。 关键词：高速铁路；地基系数k 。；动态变形模量e v d ；动力响应； 有限元方法 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t t h es u b g r a d ep l a y e sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es a f e t yo fh i g h - s p e e dr a i l w a y h o wt oi m p r o v et h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h e s u b g r a d e ，r e d u c et h es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o na n di n c r e a s e t h eo v e r a l l s t a b i l i t y h a s b e e n 锄u r g e n tp r o b l e m w i t ht h e i n c r e a s e o ft h er u n n i n gs p e e di n c r e a s i n g l y t h e r e f o r e ，a d o p t i n g s c i e n t i f i c c o m p a c t e d c o n t r o lm e t h o d sa n dh o wt or e d u c et h e e f f e c t so ft h ei n c r e a s i n gs p e e do nt h es u b g r a d eh a v eb e e nt h e f o c u si nt h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fh i g h - s p e e dr a i l w a ys u b g r a d e i na l l c o u n t r i e s n o w d a y s 。t h e f o u n d a t i o nc o e f f i c l e n tk 3 0i s m a i n l ya p p l i e di nt h es u b g r a d ec o m p a c t e dc o n t r o lc r i t e r i o no fo u r c o u n t r ya n dt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o nm o d u l ee v dh a sg r a d u a l l yb e e n i n t r o d u c e d 。i na d d i t i o n m a n yt e s t sa n dt h e o r e t i c a lr e a s e a r c ho n t h ed ”u m i cr e s p o n s eo fh i g h s p e e dr a i l w a ys u b g r a d eh a v e b e e n d o n e i nt h i sp a p e r ，m a t h e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nk 3 0a n de v da r ep e r f o r m e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d as i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep l a t el o a dt e s ti se s t a b l i s h e dh e r e t or e s e a r c ho i lk 3 0 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nk 3 0a n dd e f o r m a t i o n m o d u l u se i sr e s e a r c h e da n d t h er e l a t i o n a le x p r e s s i o ni se = o 2 0 8 k 3 0 t h ei n f l u e n c i n gr a n g eo fk 3 0t e s ti sa l s os t u d l e dw i t ht h e s e t t l e m e n t p r e c e n t a st h ec r i t e r i o n i ti sf o u n d e dt h a tt h e i n f l u e n c i n ga r e ai nd e p t hi sa b o u t1 1 mw h i l et h a to ns i d e w a y si s a b o u t0 7 m i na d d i t i o n ，t h eo p e r a b i l i t ys t u d yo nk 3 0o fh i g h - s p e e dr a i l w a ys u b g r a d ei sd o n et od r a wt h ec o n c l u s 2 0 nt h a tt h e m i n i m u m so ft h es u r f a c e l a y e ro fb e d d i n g ，t h eb o t t o ml a y e r o f b e d d i n g ，t h ee m b a n k m e n tu n d e r n e a t ha n dt h ed e f o r m a b i1i t ym o d u l u s o fg r o u n dc a nr e s p e c t i v e l yb e4 5 m p a 、3 5 伊a 、2 0m p aa n d1 5 l p ai n t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fr a i l w a ys u b g r a d e as i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep l a t el o a dt e s ti se s t a b l i s h e dh e r e t or e s e a r c ho ne v d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v da n de l a s t i c m o d u l u s ( d y n a m i cm o d u l u s ) i sr e s e a r c h e da n d t h er e l a t i o n a l 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第| ii 页 e x p r e s s i o n b e t w e e ne v d a n de d o fd i f f e r e n tk i n d so f s o i1i s r e c e i v e d t h ei n f l u e n c i n gr a n g eo ft h ee v dt e s ti sa l s os t u d i e d w i t ht h es t r e s sa n ds e t t l e m e n ta st h ec r i t e r i o n i ti sf o u n d e d t h a tt h ei n f l u e n c i n ga r e ao ft h ee v dt e s ti nd e p t hisa b o u t1 8 m w h i l et h a ti s0 8 mo ns i d e w a y s i na d d i t i o n i ti sp r o p o s e dt h a t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v d a n dk 3 0 c a nb ea n a l y z e da c c o r d i n g t ot h er e l a t i o n s h i d sb e t w e e ne v da n de d 、k 3 0 a n dea sw e l la s e da n de r e f e r r i n gt ot h eh i g h - s p e e dr a i l w a yd e s i g ns t a n d a r d ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f s u b g r a d e f o r d y n a m i ca n a l y s i s i s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fs u b g r a d e u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft r a i nl o a dt oa n a l y z et h er a t i o n a lm a t c h o ft h es t i f f n e s so fd i f f e r e n tl a y e r s i ti sf o u n d e dt h a tt h e i n f l u e n c eo fs t i f f n e s sv a r i a t i o nt ot h ea c c e l e r a t i o n 、v e l o c i t y a n ds e t t l e m e n t i s t h e g r e a t e s t ，s o i t p r o v e s t h a ti ti s r e a s o n a b l et ot a k et h e s e t h r e ei n d e x s ：t h ea c c e l e r a t i o n 、 v e l o c i t ya n ds e t t l e m e n ta st h ec o n t r o lp a r a m e t e r si nh i g h - s p e e d r a i l w a yd e s i g n t h ee f f e c t so fc o m p o s i t es t i f f n e s s 、s t i f f n e s so f s u r f a c el a y e ro fb e d d i n g 、s t i f f n e s so fb o t t o ml a y e ro fb e d d i n g a n de m b a n k m e n tu n d e r n e a t ho ns u b l g r a d e 曲n a m i cr e s p o n s ea r e r e s p e c t i v e l ya n a l y z e da n d t h er a t i o n a lm a t c ho ft h es t i f f n e s so f d i f f e r e n tl a y e r si sr e c e i v e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e d r a il w a y ；f o u n d a t i o nc o e f f i c i e n tk 3 0 ； d y n a m i cd e f o r m a t i o nm o d u l ee v d ；d y n a m i cr e s p o n s e ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 i 。1 引言 铁路是国民经济的大动脉，承担着繁重的客货运输任务。为适应我国 经济快速发展，我国在既有线大面积提速的同时修建高速铁路，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，2 0 0 2 年9 月国产动力分散 型“先锋号”电力动车组创造了2 9 2 k m h 的中国最高试验速度，2 0 0 2 年1 1 月 国产动力集中型“中华之星”电力机车历史性地使中国铁路跨进了3 0 0 k m h 的门槛，达到了创纪录3 2 1 5 k m h 最高试验速度。秦沈2 0 0 k m h 客运专线己 开始运营，郑西、京津、温福、沪宁等客运专线已开始建设，京沪高速铁 路己在筹建之中，这表明我国即将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 系统各构成方面的商品质与高可靠性，其中路基轨道稳定与平顺尤为重 要。列车速度的提高使铁路轨道路基面l 临新的问题，j p f o r t i n 在法国新 干线t g v 东南线a m i e na 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m 。 速度的提高使轨道路基承受荷载的大小与频率发生了改变，导致轨道 路基动力响应发生了较大变化。轨道路基动力响应包括轨道路基动变形、 动应力及加速度等，其大小与分布关系到轨道路基强度、疲劳特性、累积 变形及其动力稳定性，并直接影响高速铁路路基设计、使用和养护维修。 路基是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，是铁路线路工程的一个 重要组成部分，其压实质量的好坏直接影响运输的安全和效能。但是长期 在“重桥隧轻线路，重线路轻路基”的偏向下，新线建设中并没有把路基 当成土工构筑物来对待，在路基修筑时选用的填料性能优劣不一，常常就 近取土填筑路基。压实标准低，检测频率少，致使新修的路基强度偏低， 变形较大。新建铁路交付运营后不能立即达到设计速度与运量，一般经过 5 1 5 年自然沉降及病害整治后才能达到设计速度要求，运营中还常发生路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 基变形、下沉、翻浆冒泥、边坡坍滑、道碴陷槽等病害，降低了路基建设 的经济效益和社会效益。既有线运营铁路路基技术状态不佳，路基普遍强 度偏低，稳定性差，严重威胁铁路运输和安全，已成为铁路运输的主要薄 弱环节饵”。 路基的动力响应和路基压实标准控制已成为高速铁路路基研究重点， 各国铁路工作者在理论分析、试验研究等方面也进行了大量研究工作。随 着计算机有限元仿真技术的发展和日益成熟，利用有限元软件对工程设计 进行数值模拟已成为一个有效的研究手段，鉴于此，本文采用有限元仿真 计算，对路基的动力响应和路基的压实标准( 、e v d ) 进行数值仿真模拟。 从而为高速铁路路基设计、施工提供参考。 1 2 高速铁路路基动力响应研究现状 1 2 1 理论研究 简单而又广泛使用的轨道模型首先由文克尔( w i n k l e r ) 于1 8 6 7 年提 出，该模型由位于常刚度基础上无限长的梁组成，铁木辛柯 ( t i m o s h e n k o ) 和f 竹b a t l 4 j 对该模型作为模拟铁路轨道的正确性作了验证。 许多学者利用文克尔地基上梁模型来研究铁路轨道的动力特性。而在梁的 模型中主要有欧拉一伯努力( e u l c r - b c m o u l l i ) 粱和铁木辛柯梁两种1 5 】前 者只考虑了梁弯曲，而后者考虑了梁剪切变形和旋转惯性矩。对于低频激 励，由于波在钢轨中的波长远远大于梁截面，欧拉一伯努力梁和铁木辛柯 梁所得结果十分相近。对于高频激励，铁木辛柯梁能得到更精确的结果。 m a t h e w s 6 1 研究了恒速移动振荡荷载作用下置于弹性地基上梁稳态响应，通 过傅立叶变换得到梁响应精确表达式，利用围道积分方法和余值理论得至4 了梁稳态响应数值解。f m p p a v r 7 l 研究了在匀速移动荷载作用下弹性半空间 上欧拉一伯努力梁稳态响应，结果表明当荷载速度等于瑞利波速时，梁竖 向变形趋于无穷大，因此把该速度称为福界速度。l 丑b r a 【8 l 运用f m p p o v 的模 型进一步考虑了温度所引起的轴向应力，发现轴向应力增大会明显降低临 界速度。c h e r ty h l g l 等分析了简谐荷载作用下置于粘弹性地基上无限长铁木 辛柯粱的响应，建立了相应的梁动力刚度矩阵，由此确定了临界速度和共 振频率。k e n n e y l l 0 1 研究了恒速移动荷载作用下置于粘弹性地基上梁的稳态 响应，得到了响应的解析解和共振曲线。s e o n g | 1 1 l 研究了文克尔弹性地基上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 e 一梁在均布移动恒载和谐振荷载下的振动，通过对空间坐标与时间坐标进 彳亍傅立叶变换，得到梁稳态响应，分析了荷载速度、频率、地基阻尼对梁 变形与最大位移的影响，给出了荷载临界速度、频率计算公式。k o n o 1 2 1 等 研究了轨道和车轮表面不平顺性引起的轨道振动。s l g r a s s i e 1 3 1 等考虑了两 种不同轨道模型：连续模型和包含离散枕木质量模型，计算了频率在5 0 - 1 5 0 0 h z 范围内时轨道的动力响应。孙璐1 1 4 】研究了文克尔地基上无限长梁在 匀速运动的线源荷载激励下的动力响应，根据广义杜哈姆积分和线性叠加 原理，把运动线源荷载作用下梁的动力问题转化为求解位置固定的线源荷 载作用下梁的动力响应，然后利用拉普拉斯变换和傅立叶变换求解梁动力 方程，获得了线源脉冲响应函数，继而得到了运动线源荷载下梁的动力解 答。 d i e t c r m a n 和m e t r i k i n e t 埒l 将路堤视为均匀半无限空间上的粱，在空间和 时间上应用傅立叶变换，研究了弹性半空间上匀速移动常荷载作用下梁稳 态变形。l i c b 和s u d r e i t 6 应用相同的方法，利用小波变换实现有效的数值计 算。k n o t h e 和g r a s s i e l l 7 详细总结了前人关于轨道结构各个成分以及轨道一 车辆耦合体系计算模型，并进行比较指出了各个模型的适用情况以及存在 的问题。在对路基的动力响应研究中，路基通常模拟为半空间体。1 9 6 5 年 e a s o n i s 利用傅立叶变换得n t 移动荷载作用下半无限弹性体内的应力解。 s n e d d o n 研究了移动线荷载作用下，三维弹性半空间体动力响应，得到了 “亚音速”下半空间体响应的通解。f r y b a l l 9 】利用移动坐标与傅立叶变换得 到弹性半空间体在“亚音速”“跨音速”“超音速”三种速度下的动力响 应。j 髂和p e t y c i 孙驯将地基模拟为一弹性半空间，利用傅立叶变换先后研 究了“亚音速”矩形荷载、条形荷载作用下地基响应。a l e x a n d e rv 【1 1 】等研 究了弹性连续体在分布移动荷载下的动力响应问题。h o n gh a o 2 5 l 等人利用 波在粘弹性半空间传播的能量谱密度分析了由交通荷载引起的地面振动响 应问题，他们用单轴双自由度体系模型模拟交通车辆，采用现场实测路面 粗糙度计算地面动力响应，计算结果与实测结果比较吻合。通过对反应谱 分析还能够证明由交通荷载引起的地面振动主要影响因素是瑞利面波，丽 其中的体波部分相对来说较少并且衰减很快。儆e m i t y 和s a t o n a l ( a 1 2 叼利用交 通荷载所引起的地基振动谱来分析地基响应问题，提出在振源附近，地基 响应只与振源特性有关，而车速变化则影响到地基弹性波的传播。对于移 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 动振源而言，随着与振源距离增大，波形最大振幅减小，而持续时间增 加。同一位置，随着车速增加，振动持续时间减少。h u n g 【2 7 】将地基模拟为 粘弹性半空间体，把交通荷载分成恒载与振动荷载两部分，利用h e l n l h o l t z 分解与三维傅立叶变换，研究了四种移动荷载( 单个点荷载、均布轮荷 载、弹性分布轮荷载及多个弹性分布轮荷载) 在“亚音速”“跨音速” “超音速”下半空间体的竖向动力响应，结果表明：荷载临界速度受荷载 振动频率影响；荷载振动频率对路基振动加速度，位移影响很大：“跨音 速”与“超音速”下地基响应衰减小于“亚音速”下的衰减：移动荷载数 目增加引起地基位移增大，对地基振动加速度与速度无影响。杨英豪、王 杰贤四】用均布无限线分布竖向谐和力模拟列车运行时的动载研究半空间体 动力响应，得到了竖向和水平向振动位移衰减公式，较好地反映列车运行 时振波在土中韵传递规律。蒋建群1 2 9 l 在f r y b a 的研究基础上，对半空间体响 应的积分表达式进行数值计算，得到了弹性半空间体内部任一点的响应与 表面位移。通过具体算例，对荷载移动速度、观测点深度、观测点距离等 参数的影响效果进行了细致的分析。张购青印l 以杜哈姆积分为基础，应用 动力互等定理，得到了移动荷载作用下半无限大弹性连续介质空间上任意 点动力响应的广义杜哈姆积分表达式；将列车荷载简化考虑为一系列具有一 定间距的集中荷载，采用f l a q u e t 交换与傅立叶变换，得到一个集中移动荷 载作用下任意拾振点的动力响应在频域和频率波数域内的表达式，由叠加 原理得到列车荷载作用下的动力响应解。谢伟平、王国波、于艳丽【3 l l 用薄 层单元法( t h i nl a y e r e de l e m e n tm e t h o d ) 计算移动荷载作用下地基土动力 响应，得到了地基土的位移和加速度。 1 2 2 试验研究 二十世纪五十年代到八十年代我国曾多次进行路基动力测试，杨灿 文、龚亚丽1 3 2 】从路基动应力和振动实测中分析得到：线路不平顺对路基动应 力影响很大，行车速度增大可导致路基动应力增加，路基动应力和振动加 速度在深度方向上里指数衰减规律。潘昌实i 蜘1 3 4 1 对某黄土隧道进行了列车 振动响应数值分析，提出用一种人工激振力来模拟列车竖向动荷载，并根 据轨道加速度测试数据，分析车辆体系的振动，得到了列车荷载的模拟数 值表达式。曾树谷1 3 5 】对轨道路基动力测试进行了深入研究，在其铁路轨 道动力测试技术中对测试原理、方法进行了详细阐述。1 9 8 7 年茅玉泉州 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 等人曾专门进行了一系列实测试验，测点布置按传播衰减特点一近密远 疏，共测绘了1 0 9 列火车的地面振动衰减曲线，并采用数理统计方法，优选 出与实测值比较接近的幂函数和指数函数方程，经复合回归得到与振动传 播能量扩散和能量衰减原理相一致的地面垂直和水平振动衰减经验公式， 并由这些公式外推得相应防振距离。蔡英p 7 】等对大秦线实测结果进行分析 得到：当车速在7 0 k m h 以下时，车速对动应力没有影响，路基基床面及沿深 度方向动应力大小表现如下规律：对于低速铁路( 车速v 5 0 时要求n 。 1 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 酱 郴 图1 2 土基床表层的结构示意圈 1 3 1 2 法国压实标准特点嘲州卅 基或路瑟地赫 法国路基断面如图1 3 所示，在道碴和路基之间设立了调整垫层，在填 方情况下路基顶层部分设计成横向倾斜的路基表层。根据路基填料质量及 路基表层填料的条件把路基的承载力分为三类i i p p f l ( 不良路基) 、p f 2 ( d o 等 路基) 、p f 3 ( 良好路基) 。 道碴层：运输条件越是艰苦，道碴层越厚：同时道碴厚度也取决于轨 枕的类型。 法国路基垫层相当于我国的基床表层，顶面呈3 5 坡度，可以根据其 下部的路基类型呈单层或多层。垫层起多重作用：保护路基的上部免受道 碴压伤和雨水的侵蚀；保护路基不受冻害影响：使传输过来的荷载均匀分 布，使路基上部的荷载应力在承载力的允许范围内。垫层可以包括： 1 ) 碴垫层：# h o d 级纯砾石( d 一3 0 m m ) 组成，压实系数民1 0 ，在任何 情况下都需要铺设碴垫层，碴垫层的厚度( c 曲随运输条件、轨枕类型和路基 类型不同而变化。 2 ) 底基层：由级配纯砾石构成，压实系数k h 1 0 。底基层的最小厚度为 1 5 e m 在土质优良的地区可不设底基层。 3 ) 防污染层：如果有必要可以用一层纯砂土垫一层防污染层，有时也可 以加一层合成毡垫。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 3 法国路基基床垫层示意图 在路堤的情况下，路基表层由与填方相同的土或用优质土构成：其压实 系数k b 0 9 5 ，路基表层也可以根据工程实际采用砂浆处理。在路堑的情况 下，路基表层压实系数磁t 0 9 5 ，厚度至少为3 0 c m 。法国铁路还规定只有 路基表层的变形模量e v 2 i 5 0 m n m 2 时才能实施垫层施工，各部位压实标准 见表1 1 。 表1 - 1 法国路基压实标准 e v 2 路基位置厚度c m k u材料 m n m 2 根据运输条件和轨枕 碴垫层1 0o d 级纯砾石 类型确定 根据实际需要设置一 底基层 o 9 5级配纯砾石 般1 5 优质土壤或砂浆 路基表层 o 9 55 0 现场处理 对于有碴轨道，路基结构分为路基保护层p p s ) 、防冻层( f s s ) 、填筑路 堤层、地基过渡层。其中，对路基保护层的材料和性能以及压实系数都有 严格的要求，最小厚度为0 2 0 m ：防冻层要求为粗粒土，主要起防冻和性能 过渡的作用：路堤填筑层分距路基面2 0 m 以内和2 0 m 以外两种情况，2 0 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 以内为路堤上部，一般厚度为0 5 m 。 对于无碴轨道，其与有碴轨道在路基的技术要求基本一致，其关键的 技术是采用水硬性胶结层( n g t ) 代替保护层0 s s ) 。对于h g t ，德国现采用 水硬性胶材料，即低标号水泥、石组成的素混凝土层，设计厚度一般为 3 0 0 n ，其功能主要是分布荷载，为无碴轨道结构提供基础，还可以起到 防、排水的作用。之所以采用低标号水泥，一方面体现了路基设计自上而 下刚度逐渐减少的理念，同时也可在满足使用功能的情况下降低造价。 德国铁路根据各层受力和填料要求综合采用e v 2 、e v d 、d p r 、n 。来控制 路基压实质量。路堤填筑部分也区分列车动荷载的影响，德国铁路路堤结 构各层的压实要求具体见表1 2 所示。 表1 2 德国铁路路基结构各部分压实标准 保护层基床面 规定厚度 线路类别a n e v 2 e v de v 2 e v d 颗粒 d p r 冻胀影响区 级配 域 线路上部结构 m n i m 2 】 i 【m n m 2 p 3 0 0 有碴1 2 05 0 k g l 21 0 07 07 07 08 0 4 5 3 5 新 无碴 1 2 05 0k g 21 0 04 04 04 06 03 5 3 0 建 p 2 3 0有碴1 2 05 0k g l 2 1 0 05 06 07 06 04 0 3 5 铁 m 2 3 0 无碴1 2 05 0k g 21 o o4 0 4 04 06 03 5 1 3 0 p 1 6 0 ，m 1 6 0 1 0 0 路 有碴 4 5k g l 21 0 04 0 5 0 6 04 53 5 ，3 0 g 1 2 0 r 1 2 0 r 8 0 ，g 5 0有碴 8 04 0k g l 尼1 m3 0 4 05 04 5 3 0 2 5 改 p 2 3 0有碴 8 04 0k g l 21 0 03 04 05 04 53 0 ，2 5 造 m 2 3 0 无碴 1 0 04 5k g 21 _ 0 04 04 04 04 53 0 | 2 s p 1 6 0 ，m 1 6 0 有碴5 03 5k g l ，21 加2 52 53 03 02 5 2 0 维 g 1 2 0 ，r 1 2 0 护r 8 0 g 5 0有碴4 0 3 0 k g l ，20 9 72 0 2 02 02 02 5 ，2 0 1 3 1 4 不同国家制定路基压实标准时考虑的因素 日本、德国、法国三国制定压实标准时考虑的因素如表1 - 3 所列。从表 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 卜3 可以看出，在确定基床表层厚度时，需对线路等级、基床底层情况等进行 综合考虑。日本结合最大动应力引起的基床表层弹性变形不超过2 5 衄，对 双层弹性地基进行计算后综合考虑：法国除动应力计算外，还考虑运量、养 护维修等因素，并用抗冻性进行检算：德国则除考虑动应力的影响外，根据抗 冻要求控制基床总厚度。 表1 3制定铁路路基压实标准时考虑的因素 国家路基部位考虑因素 级配碎石根据基床底层地基系数、轨道结构类型、线路等 尽本 基床表层级确定厚度 排水层基床底层为天然地基或路堑时设排水层 矿碴基床根据基床底层地基系数、轨道结构类型、线路等级 表层确定厚度 德国 路基保护压实度和e v 2 的取值根据线路等级决定，厚度根据下 层层e v 2 和本层e v 2 值确定 碴垫层根据轴重、运量、养护维修和轨道类型确定厚度 底基层( 防压实度与e v 2 的取值与线路等级相对应。并根据冻区 冻层)分类和线路等级，确定基床表层总厚度 法国 底基层 根据路基土质分类情况确定底基层厚度，并经过经防 冻检算 防污染层防污染层根据路基土质分类确定 油毛毡根据路基土质分类情况确定 1 3 2 我国铁路路基压实控制标准 总体来讲。对于压实状态的评价可以采用物理类指标密度与压实 度，这是目前在质量控制和评定时采用的主要指标”1 ；同时也可以采用力 学类指标一k 3 0 系数，弯沉、模量、c s r 直等多个具体指标。 目前我国高速铁路暂时对如压实标准有明确规定，我国东沪高速铁路 采用地基系数如、压实系数趿空隙率1 7 。参考京沪高速铁路设计暂行规 定姗1 ( 简称暂规) ，路基各位置具体对地基系数如的控制要求如表卜 4 、卜5 、卜6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表i 4 级配碎石基床表层压实标准 压实标准 填料厚度( )地基系数孔隙率备注 ( m p a m ) n 级配碎石 0 71 9 0 1 8 级配砂砾 0 7 1 9 0 1 8 路堤 囱 级配碎石0 5 51 9 0 1 8 当为软质岩、强风化的硬 中粗砂 0 1 51 3 0质岩及土质路堑时 表1 5 级配砂砾石基床底层压实标准 厚度细粒粗粒碎石 填料压实标准 ( m )土土类 地基系数k 3 0 ( 卵a m ) 1 1 01 3 01 5 0 a 、b 组填料及 2 3压实系数k 改良土 o 9 5 孔隙率n 2 8 2 8 表1 - 6 基床以下路堤填料及压实标准 细粒粗粒碎石 填料压实标准 4 - 类 地基系数幻d ( m p a m ) 9 01 l o1 3 0 a 、b 、c 组填 料及改良土 压实系数k o 9 0 孔隙率n 3 1 0 9 5 ，地基系数硒口：粗粒土为 i i 0m p a m ，细粒土7 0 船a m 。与我国标准比较，压实系数与我国客运 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 专线、高速铁路相同，值较我国要低。法国，路基表层压实系数为 o 9 5 ( 修正普氏) ，与我国相同。德国压实系数( 普氏) 是随线路等级而变 化，较我国相应等级要低，但变形模量要求较我国要高。 1 4 课题背景 目前，对路基动应力的研究国内外已经较多，国内铁道科学研究院、西 南交通大学等科研单位结合秦沈客运专线对路基动应力作了研究试验4 删， 国外日本、德国对轨下动应力分布作了系统的研究测试嘟锄：但对于路基在 不同行车速度即荷载频率下的弹性变形及振动加速度研究极少。随着我国 客运专线以及高速铁路的建设，对路基变形及旅客舒适度的要求将越来越高， 这就对线路的弹性变形提出了严格要求。对于高速铁路，控制设计主要因素 是变形而不是强度时“1 。目前，我国在铁路相关设计规范中对路基弹性变形 没有明确规定，只是建议不大于3 5 m m 嘲。因此，有必要对高速铁路不同动荷 载及作用频率下路基变形加以研究。 此外，我国研究客运专线路基压实标准建立始于上世纪9 0 年代，在当初 既有大秦线建设采用重型击实标准的基础上，参照国外高速铁路的建设经验 和标准，提出了采用重型击实标准控制路基的物理压实指标，采用地基刚度 系数k ，一控制路基力学指标的标准，这也是目前我国高速铁路压实控制的主 要参数，2 0 0 4 年1 2 月3 0 日修订发布的京沪高速铁路设计暂行规定( 铁建 设 2 0 0 4 1 5 7 号) 在路基基床表层和路基过渡段质量控制要求中引进了动态 变形模量e v d ，从而为我国高速铁路路基压实标准规定了更严格的要求。 鉴于以上背景，本文基于铁道部科技开发计划项目高速铁路基床结 构设计方法及计算参数的研究，采用有限元方法，利用有限元软件在土 工设计数值模拟方面的优势，对高速铁路路基的动力响应及压实控制进行 仿真研究，从而为高速铁路的设计施工提供参考。 1 5 本论文的研究方法 本文采用理论研究与数值仿真模拟的研究思路，对高速列车荷载作用 下路基动力响应、地基系数如、动态变形模量e v d 进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 建立合适的有限元仿真模型，对高速铁路压实标准血避行数值仿 真计算，研究均一土层下如与变形模量的关系、缸的影响范围、并对现行 国内高速铁路路基地基系数k 舯进行可操作性研究，从而为我国高速铁路如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 压实标准提供设计参考： ( 2 ) 建立合适的无限元仿真模型，对高速铁路压实标准e v d 进行数值仿 真计算，考虑不同土质条件和不同动模量的条件，对动荷载作用下模型的 动态沉降进行分析、最终模拟出j 病e v d 的关系，从而为我国高速铁路e v d 压实标准控制提供设计参考； ( 3 ) 查阅以往相关试验资料，建立高速铁路路基动力响应的三维有限 元研究模型，模型边界采用粘弹性人工边界，研究从列车荷载作用下路基 的应力和变形特点的角度，分析不同层位刚度的合理匹配，为高速铁路路 基动力响应提供研究参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章有限元仿真技术要点分析 岩土工程分析有很长的历史，早期的分析建立在观察和经验的基础 上，经过长期的努力，已逐渐形成一些经验计算公式和基于简化模型的解 析分析方法。 这些方法称为经典方法。以岩土工程中常用的土体稳定分析为例，土 体稳定分析包括边坡稳定分析，土压力计算和地基承载力计算等内容，它 是岩土工程中理论性和实践性很强的问题，也是经典力学最早试图解决而 至今仍不能圆满解决的问题。 随着大型土木工程和现代工业的发展，许多与岩土工程有关的问题需 要考虑更周全的影响因素，进行更合理的分析，以便控制设计和施工过 程。对于工程事故也可以提出正确的治理措施。这种考虑诸多影响因素的 更合理的分析要求同时研究变形过程和渐进破坏过程，这就不能摆脱过程 中的力学行为细节。在很多情况下，介质力学的细节起到很大作用，如隧 道的开挖过程也必须考虑初始地应力与开挖顺序之间关系的细节。 由于计算机技术和以有限元为代表的数值方法的发展，这一要求已在 很大程度上得以实现。有限元法全面满足了静力许可，应力应变之间的本 构关系，在理论上是完备的。有限元法又是数值分析方法，不受几何形状 的不规则、边界条件的多样性和材料的不均匀性的限制，更重要的是有限 元法可以分析变形与应力变化的过程，两不是仅仅进行临近破坏时的分 析，所以有限元法是一种把破坏分析与变形分析相结合，同时进行的方 法。与航天、航空、机械、结构等领域不同，岩土工程分析有其特殊的困 难。 首先是岩土介质力学性能的复杂性和不确定性。它的变形性态受许多 因素的影响，如物理结构、孔隙率、密度、应力历史、孔隙中的流体作 用、流变特性以及断层、节理、裂隙等地质特性的影响。这些因素使应 力应变性态变得十分复杂，而且呈现出非线性。岩土介质在应力、强 度以及孔隙压力特征方面往往是各向异性的，土壤或岩石沉积物在垂直与 水平方向上承受不同的地应力，这种初始地应力的各向异性佼不同方向的 强度不同，垂直与水平方向的动模量鼠和昂不同是一个常见的例子。所以 在进行岩土工程分析之前，都需要进行实验或现场验证，并要在此基础上 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 建立应力应变关系计算模型 其次是工程结构总是按照一定的操作顺序施工的，控制条件不一定是 施工结束时，而往往在施工过程中。岩土工程分析要动态地模拟施工过程 中结构形体的变化、材料的演变、约束与外载条件的改变等。即使施工期 每一步的受力状态是线性的，也不可以抹去施工过程中诸多特性的动态改 变所造成的影响，最终建立时的结构的变形和应力取决于中间形态的施工 顺序，企图用完善的结构计算成果去描述最终的受力状态是错误的，因为 每一步施工对应的结构是不同的，不能进行线性叠加来描述荷载效应，也 就是讲，这是材料非线性、几何非线性或边界非线性的综合体现，只能用 计算过程的模拟才能体现出来。岩土工程分析应当是一种动态的过程分 析。只有进行过程分析，其结果才是合理的。 还有岩工程分析往往涉及蓟画体介质和流体的相互作用，所以要弓j 入有效应力来更明确地描述固体骨架的受力状态。由于将固体骨架与孔隙 流体同步考虑，不仅需满足平衡方程，物理方程和几何方程。还需要考虑 有效应力原理和连续方程，使计算的复杂性和工作量都有明显的增加。近 年来环境岩土工程的发展要求进行考虑渗流场、应力场、温度场、化学场 等多场耦合的分析，对岩土工程的分析提出了更大的挑战。 综上所述，对实际工程进行分析，不大可能用解析方法来完成，只能 采用实验和数值模拟计算的方法。计算研究可以提供大量的宝贵的研究资 料，虽然试验研究需花费大量的人力、物力，试验周期往往也相当长，而 且所得到的实验室试样的试验成果往往相当有限，需进行处理才能得到可 用于分析工程岩土介质的宏观力学参数，但这是不可或缺的内容，是进行 数值分析的前提。岩土工程数值模拟中的基本方法是有限元法，尤其是对 于大范围的工程施工效应的动态分析，有限元法是十分有效的。有限元法 可以较好地解决上述岩土工程分析问题的困难。 但如何提高有限元仿真计算的精确性成为有限元仿真技术的一个关键 问题，影响有限元仿真计算的精确性主要可以从以下四个方面来说明： n 在利用有限元进行动力仿真计算时，有限元仿真的边界处理对有限 元仿真计算有着重要的影响。目前有限元动力仿