动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法

动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法 第63卷第10期2019年10月铁道标准设计RAILWAY STANDARDDESIGNV0163No100ct201910042954 (2019)10002205动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法商拥辉12，徐林荣2?，陈钊锋2(1黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店463000；2中南大学土木工程学院，长沙410075；3高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙410075)摘要高铁循环列车动荷载作用下，基床累积变形不仅与列车安全运营密切相关，同时对指导线路服役期精细化维修管理意义重大而目前基床累积变形分析存在途径偏少、精度偏低等问题。 为探索适合高铁基床累积变形分析方法依托沪宁城际铁路路基工程背景，基于动、静荷载引起动变形(沉降)的新思路，将运营期沉降数据推算工后沉降与建设期沉降数据推算工后沉降差值(推算法)，以及运营期沉降与静载计算固结沉降差值(估算法)作为列车动载引起的累积变形，由此提出一种由实测数据推算与估算基床累积变形的新途径，并将该方法用到实例分析中。 结果表明推算与估算获取累积变形随时间发展规律吻合，均呈快速一缓慢一稳定3阶段特征，估算结果一致性好于推算基床累积变形在铁路运营前3年基本达到稳定，量值控制在35mm以内；数值模型验证了“推算与估算”方法可行。 关键词高速铁路；铁路路基；列车动载；累积变形；推算与估算U2131A DOl1013238iissn10042954201812020002Calculation Methodof CumulativeDeformation of the BedofHighspeed RailwayBased onDynamic andStatic LoadSeparationsHANG Yonghuil”，xu Linron一?，cHEN zhaofen矿(1Institute ofArchitecture andEngineering，Huanghuai university，zhumadian463000，china；2school ofcivilEngineering，Central SouthUniversity，Changsha410075，China；3High SpeedRailway ConstmctionTechnologyNa【ional EngineeringLaboratory，Hunan Changsha410075，China)AbstractUnder the dynamic loadof highspeed cyclictrain，the cumulative defbrmation of the roadbedis notonly closelyrelated to the saf宅叩eration of山e train，but alsoimportant toguide therefinedmaintenance managementAt present，there arefew approachesto analyzethe cumulatiVedefo瑚ation ofthebed，and theauracy islowIn orderto explorea suitabledefbrmation analysismethod，this paper，with referencetothesubgmde engineeringproject ofShanghai-Nanjing intercityrailway andbased ontheidea thatthedynamicdefb瑚ation(settling)is causedby dynamicand staticloads，puts fblwarda newmethodto calcula土e andestimate theaumulative defbrmation of thebed withmeasured databy takingthedifkrence value(calcula土e method)between20181202；修回日期20190102基金项目国家自然科学基金面上项目 (51778634)作者简介商拥辉(1985一)，男，讲师，2018年毕业于中南大学土木工程专业，工学博士，主要从事轨道交通特殊土路基与隧道工程方面的教学及科研工作，E_maildpeter163。 Dostconstmction setement aftercalculation ofsettlementdataduring operationperiodandconstmction period，and thedifkrence valuefestima土ion method)between consolidationsettlementand staticload calculationconsolidationsetement asthe cumulative defbrmation caused17西安市城市轨道交通线网规划修编领导小组办公室西安市城市轨道交通线网规划(修编)报告R西安西安市城市轨道交通线网规划修编领导小组办公室，2叭418西安市规划局，西咸新区规划局，成阳市住房和城乡建设规划局关中城市群都市区城市轨道交通线网规划报告R西安西安市规划局xx19吴一凡，刘彦随，李裕瑞中国人口与土地城镇化时空耦合特征及驱动机制J地理学报，2018，73 (10)1865187920钟绍林，庞登璃，何晓峰国内外轨道交通运营研究对我国城际铁路建设条件的启示J铁道标准设计，2018，62 (10)1318万方数据第10期商拥辉，徐林荣，陈钊锋一动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法23引言bv traindvnamic loadThis methodhas beenused incase analvsisThe researchresults showthat thecumula土ivedef01mation obtainedbv calc讧lation andestimation isconsistent withthe developmentlaw oftimeand characterizedby thethIeestagesof fast，slow andstableThe consistencyof theestimationresuhs isbetter thanthat ofthe calculationThe cumula【ivedefbrmationofthebed beesDrimarilvstable inthe firstthreeyearsof railwayoperation，and thevalue iscontr0Ued within35mmThenumerical modelverifiesthat the“calculation andestimationmethod isfbasibleKey wordshighway；railway subgrade；train load；aumulatiVe deformation；calculation andestima一“on实现长期循环荷载作用下基床结构累积变形有效控制是建造高铁技术难点之一1引。 各国对发展高铁非常重视，相应制定了各自控制标准。 例如日本规定路基面动变形小于25mm33；德国荷载引起沉降限值为5mm4中国高铁动载引起路基基床变形以35mm为控制条件5。 标准无法反映累积变形随时间与空间变化规律。 Seed6|、Barksdale7|、Gidel81等分别对黏性土累积变形进行了研究。 并建立了简化经验公式；王建华9I、蔡英10、陈云敏11、钟辉虹121及黄茂松等13提出了能够兼顾考虑加载次数、频率和波形、应力水平及超固结比等影响因素的软土累积变形经验公式。 高铁路基核心基床采用A、B组填料，承担动应力幅值与加载频率与一般干线有别，邓国栋14、梅慧浩15等借助TAJ一2000大型动三轴试验仪，提出了能够考虑频率、围压及应力路径等因素的粗颗粒填料的累积变形经验模型。 经验公式建立在诸多简化之上，且存在物理指标定义不明确、参数选取困难等问题。 随着“列车一轨道一基床”力学模型不断完善，部分学者借助数值模拟对高铁基床累积变形规律进行了探索。 孔祥辉等16总结了动应力沿路基深度逐渐减小，基床表层内衰减可达45边学成等17I总结了列车动载作用100万次基床累积变形约23n；叶阳升等18|总结了列车动载作用400万次基床累积变形1428mm。 数值模型能够建立实际列车一基床振动机制，可以实现多种荷载工况路基变形分析，相比经验公式而言具有较大进步，不足之处在于数值模型多假设，材料均值、材料本构模型及计算参数与实际工况仍存在差异。 就目前而言，测试途径仍是获取基床累积变形最可靠方法。 屈畅姿19、王启云20等借助11单线无砟轨道路基模型，总结基床累积变形随加载次数呈先快速后趋于增长趋势，稳定时累积变形约2mm。 即便足尺模型，仍存在设备精度差异与地基模拟局限等问题。 郑键斌21结合现场激振试验，总结了京沪高铁桩板式低路堤路面沉降主要发生在加载前120万次，200万次结束时达到039mm王亮亮22I总结了云桂高铁石灰膨胀土路基面和地基面，激振200万次时累积沉降分别为28mm和03mm。 原位激振试验有效避免了室内模型试验地基无限域引起的测试精度问题。 缺点在于单轴载作用难以考虑转向架之间动力叠加问题，而效果最好的现场行车试验所需费用昂贵，推广研究范围有限。 高铁在建造与运营过程中，对路基沉降积累大量测试数据，如能将其利用达到分析路基累积变形的目的则意义重大。 基于此，笔者在充分分析运营期路基沉降组成特点上，基于分离动、静荷载引起沉降的新思路，提出一种结合实测数据推算与估算基床累积变形的新方法，并应用到沪宁城际铁路分析中，为探索高铁路基基床累积变形提供一种新的借鉴途径。 1推算与估算新思路概述结合路基运营期沉降组成特点，基于分离运营期动、静荷载引起沉降的思路，提出基床累积变形推算及估算新方法，具体表述如下。 (1)推算方法。 将运营期沉降数据推算工后沉降M，与建设期沉降数据推算工后沉降M，差值近似作为动载引起变形S，。 S1=M1一M2 (1) (2)估算方法。 将运营期沉降6，与对应静载计算固结沉降6，差值近似作为动载引起变形S，。 S2=6162 (2)由式 (1)和式 (2)可知，推算与估算涉及计算内容由运营期沉降数据推算工后沉降；由建设期沉降数据推算工后沉降静载条件复合地基固结沉降计算。 其中，和工作内容可以归结于对实测数据进行规律性顺延推测。 目前，结合实测数据进行路基沉降推测方法较多，文中采用课题组致力完善的动态神经网络法23|，固结度计算借鉴课题组最新成果相关内容川。 万方数据24铁道标准设计第63卷2脚估算实例分析篇高燃篇；蒿篇驾21计算断面选取自运营以来，对全线路基共6974个测点(CP点、底座沪宁城际铁路正线全长300209km，于xx年板、轨道板和基准轨)进行多期次沉降监测，线路运行状7月2日正式运营。 全线位于江苏省境内，软土路基长态良好。 计算选取断面参数详见表1表4。 表1断面土层物理力学参数表2CFG桩参数桩长m桩径桩间变形模压缩模弹性模布置断面1断面2断面3断面4m距m量MPa量MPa量MPa方式1416181705241000150001000正方形垫层厚垫层容重度m(kNm3)断面1O520284填土容重(kNm3)2022推算与估算结果分析图1为4个断面推算累积变形曲线随时问发展曲线。 OI一 2、謇-3器一。 毳一s一6780120240360480600720840960l080l200l320l4401560n、司d图1累积变形推算结果由图1可知不同断面累积变形曲线离散度较大，这与各断面路基填筑高度、软土地基参数及cFG桩长相关。 其中断面3累积变形发展速率与量值相对较大，主要考虑路基填筑高度(536m)较高，相应竖向荷载较大，软土层易受上部附加应力(静+动荷载)产生变形，侧面也说明累积变形与地基前期处治存在关联；不同断面推算累积变形整体发展趋势吻合基本呈现“快速一缓慢一稳定”3阶段特征，说明推算方法具有一定的合理性。 可以反映累积变形随时间变化的发展特点；采用平均值分析各断面累积变形一时间关系可知运营前2年累积变形随时问发展迅速。 速率125mrna，随后趋于缓慢发展；运营3年后，累积变形随时间增幅相对较小，速率仅为022ma；稳定时断面 1、断面 2、断面3和断面4推算累积变形值依次为095，242，719mm和342mm，平均值约为349mm。 图2为4个断面估算累积变形曲线随时间发展曲线。 由图2可知与4个断面的推算结果离散性略大不同。 不同断面估算曲线吻合度相对更高运营期前26年累积变形快速发展平均速率约为067mna，随后263年累积变形速率降为038mma运营3年后累积变形趋于稳定速率约为020mna(该阶段速率与推算结果速率o22ma基本相等)；最终稳定时断面 1、断面 2、断面3和断面4估算累积变形值依次为192，216，242mm和221mm，平均值约为218mm。 时间d图2累积变形估算结果考虑到推算结果的离散性特性，仅将推算平均值与估算平均值进行对比分析，探索两者之问的差异。 由图3可知推算与估算平均值曲线发展规律吻合，验证了两种不同方法获取累积变形结果具有一定可信性；然而推算结果整体大于估算结果，差值约为131mm，侧面说明两种方法存在一定误差。 为此，需橐万方数据第10期商拥辉徐林荣。 陈钊锋一动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法要进一步借助数值模型对其合理性进行验证。 0051Oil5嚣之。 器之s一3O一354O0120240360480600720840960l080lxx3xx40l560叫l司rf图3推算与估算结果对比3推算与估算结果可靠性论证31数值模型建立结合沪宁城际高速铁路工况，建立列车一轨道一路基空间动力系统数值模型，模型建立过程参考文献25。 地基模型x、l，、z方向尺寸为60m30m200m。 为近似模拟地基无限域边界条件，模型地基部件】，方向限制法向位移，底边采用固定约束。 模型除基床上部轨道结构、复合地基垫层及CFG桩采用BEAM单元外其他采用部件C3D8R实体单元，建立模型详见图4，地表以上路基部件计算参数见表5地基与CFG桩基等部件参数详见表1表4。 (h)桩一筏复合局部(c)轨道结构局部模型图4数值模型为便于计算，将列车荷载简化为能考虑速度、轮重、线路平顺性等因素的函数表达式F()=Po+朋h(2叮r钉)2sinf (3)表5计算参数式中，P。 为车轮静载；M为簧下质量；“为反映路况几何不平顺矢高(取35mm)；秽为列车速度；为几何不平顺曲线波长(取10m)。 按照公式 (3)可输出列车激励力时程曲线(举例图5)。 200至160京120萋so餐40帆忡W帅椭!l忡帅002()4060810l21416l820叫间s图5计算中施加的动力波形32数值模型合理性分析数值模型建立在诸多简化基础之上，需要对其合理性进行验证。 文献26结合室内模型试验，对高铁路基振动响应进行了测试，获取了不同深度动应力，借助本文建立数值模型对该文献中试验工程进行模拟，通过对比两者之间的差异论证本文数值模型的合理性。 由表6可知采用本文数值模型分析结果与室内模型测试结果基本吻合，不同深度位置两者动应力误差范围0073kPa；数值模型计算结果略高于模型测试结果，说明本文模型计算结果相对保守，偏安全。 可见，本文数值模型建立方式与计算参数选取合理，计算的精度可以满足后续分析需求。 表6数值结果与模型测试动应力对比kPa距路基圭婆!竺!坐!王里!型!主堕!塑!型!鬻嚣嚣“误差嚣嚣。 差值嚣桀翠差值度m计算试26厌左计算试26左咀计算试26左咀n1R731R66n n71q1q1R R5n341q q71962n351731O62186218010611214O47141313470661023O3212321159O7398400411311122O0933数值模拟与推算与估算结果对比分析结合上述数值模型对断面1断面4累积变形进行计算。 由图6可知不同断面累积变形随时问增加均呈现快速、缓慢和稳定3阶段变化特征；累积变形在运营开始后前15年内发展相对较快。 速率约粥矾罟8屹m吼坦砣捞0OOO跖钇眇U吼坦墙盯眩殳殳4577O123万方数据26铁道标准设计第63卷011mrn月运营开始后15年3年累积变形进入缓慢发展阶段，变形速率为003mrn月。 稳定时，断面1断面4累积变形值基本范围238265mm。 量基鼙制罢三踹O3691215182l24273033363942454851545760时间月图6累积变形数值计算结果由数值结果可知，4个断面获取累积变形曲线较为吻合，与估算结果类似。 因此，可通过推算估算与数值计算平均值对比分析不同方法获取累积变形差异，对比曲线详见图7。 量三龄制士描时I司r图7累积变形平均值对比由图7可知不同方法获取累积变形曲线随时间均呈快速、缓慢和稳定3阶段特征且在运营前3年期趋于稳定；推算法、模型计算及估算法3种不同途径获取路基累积变形平均值依次为3 5、22mm和25一；快速发展阶段，数值模拟与推算曲线较为吻合，而累积变形进入缓慢阶段后逐渐与估算结果更为接近，两者差值约为o6mm。 考虑推算结果的离散性，估算结果与数值结果吻合验证了本文所提估算方法具有较高的可靠性。 同时，推算方法作为一种新的思路，后期仍需进一步对其推算过程进行完善。 4结论依托工程实例，提出高速铁路基床累积变形特性推算与估算新方法，主要结论如下。 (1)推算、估算及数值计算基床累积变形曲线随时问发展均呈快速、缓慢和稳定3阶段特征。 且累积变形在运营前3年基本稳定，3种方法获取累积变形平均值为35，22mm和25mm。 (2)推算方法引入动态神经网络，估算方法静载沉降计算考虑了桩一土变形协调及其接触面的荷载传递特性，两种方法存在差异但获取累积变形规律大致一致。 相比推算法4个断面结果离散性较大，估算法一致性较好，且与数值模型计算结果一致性较为接近。 (3)推算及估算主要借助现场测试沉降数据及路基力学参数进行累积变形分析，在保证分析结果满足精度要求的同时，相比室内路基模型试验和现场激振试验，具有更高经济、实用和科研价值，值得推广应用。 参考文献1刘钢，罗强，张良，等基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法J中国科学技术科学，xx，44 (7)7447542翟婉明，赵春发，夏禾，等高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的基础科学问题J中国科学技术科学，xx，44 (7)6456603m，Seong-MinVib眦ion andstability of瓤“loaded beams0nelastic foundationunder movillgha珊onic loadsJEngiIlee血gStmctures，xx，26 (1)941054Takemiya HSubstructure si瑚ulation ofinhomogeneous trackandlayered gmunddyTlamic intemctionunder tminpassageJJ0umal ofEngineeriIlgMechaIlics，xx，131 (7)6997115中华人民共和国铁道部高速铁路设计规范TBl0621xxs北京中国铁道出版社，xx6seed HB，chan cK，Monismith cL E任bctof repeated load onthestrength aJlddef0珊ationofpacted clayJHigllway Re8earchRecord，1955，345415587Barksdale RDLabomtory evaluation0fmttingin basecour8ematerial8cIn Pmceedings0fthe7Ihird Intemationalconference onStnlctumlDes岫of AsphaltPavements，IJ0ndon，197216卜1678Gidel G，Homych P，chauvin JJ，et a1A new印pmach forinvestigating the pe瑚anent def0珊ation behaviourof unboundgmnularmateTial u8ingtherepeatedloadtriaxial印paratusJBulletin desI小oI。 atoires desPoints etChaussees，xx，233521，1149王建华，要明伦软黏土不排水循环特征的弹塑性模拟J岩土工程学报，1996，18 (3)111810蔡英，曹新文重复加载下路基填土的l临界动应力和永久变形初探J西南交通大学学报，1996，31 (1)1511陈云敏，陈颖平，黄博应力水平对结构性软黏土静力和动力变形特性影响的试验研究J岩石力学与工程学报，xx，25 (5)93794512钟辉虹，黄茂松，吴世明，等循环荷载作用下软黏土变形特性研究J岩土工程学报，xx，24 (5)62963213黄茂松，李进军，李兴照饱和软黏土的不排水循环累积变形特性J岩土工程学报，xx，28 (7)89189514邓国栋，张家生，王启云，等高速铁路粗粒土填料动力参数试验研究J铁道科学与工程学报，xx，11 (2)768315梅慧浩，冷伍明，刘文劫，等持续动荷载作用下基床粗粒土填料累积塑性应变试验研究J铁道学报，xx，39 (2)11912616孔祥辉，蒋关鲁循环荷载下红层泥岩土累积变形特性J长江科学院院报，2叭2，29 (12)6872，77万方数据第63卷第10期2019年10月铁道标准设计RAIIjWAY STANDARDDESIGNV0163No100ct201910042954 (2019)10002706基于旅游交通出行链的旅游轨道交通规划分析韩亚品1，卢祝清2，李三兵2(1商务部国际贸易经济合作研究院，北京100710；2中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)摘要随着长距离交通方式和旅游的发展，进入景区的最后一段路程成为旅游出行新的瓶颈，众多景区首选轨道交通破解这一难题，急需新的规划方法满足旅游轨道交通发展需求。 通过分析旅游交通出行链，确定旅游轨道交通主要承担区域出行和景区内漫游功能。 结合客流特征和工程实施条件。 提出4种线路规划形式旅游轨道交通线路衔接景区游客集散中心与城市交通枢纽、穿越景区连接景点与交通枢纽、连接景区内不同景点、兼顾观光功能及作为纯体验项目。 通过对主要旅游轨道交通系统制式对比分析，初步确定旅游轨道交通系统制式的选择原则。 研究有利于旅游轨道交通规划建设过程中明确功能定位、选择系统制式，协调轨道交通与景区之间的关系。 关键词旅游；出行链；轨道交通；规划；系统制式；单轨交通U23A DOI1013238iissn10042954201901100003Analysis ofTourist RailTransit PlaImingBasedon TouristTraIIfic TripChainHANYapinl，Lu zhuqin92，u sanbin孑(1Chinese Academyof IntemationalTrade alldEconomic Cooperation，Beijing100710，China；2China RailwayEn萄neering DesigIl粕d ConsultingGmup Co，Ltd，Beijing100055，China)AbstractWith the deVelopment oflongdistance tmnsportationand tourism，t11e lastlegbeforethescenic areahas beethe newbonleneck ofa touristtripMany scenicareas pref色r Iail tIansitto solvethisproblemNew planningmethods areurgenny neededto meetthedeVelopmentneeds oftourist railtransitBy analyzingthe touristtl?afEictrip chain，it isdete珊ined thatthe touristmil t