土质路基无碴轨道基床动态特性的研究

1、土质路基无碴轨道基床动态特性的研究 无碴轨道主要由直接支承列车荷重的钢轨、道床板、混凝土基础及等构成。 路基基床由基床表层和基床底层组成。 支承轨道结构及列车荷载的基床表层和基床底层必须具有以下几个功能：（1）适当的弹性，以保证行车的安全性和舒适性；（2）适当的强度，以防止下部路堤的劣化；（3）较好的荷载分散传递功能；（4）良好的排水性等。 开展了以30cm级配碎石为基床表层、以A、B组填料为基床底层的基床大比例动态模型试验；进行了遂渝线无碴轨道路基基床动态性能等现场行车试验； 对基床的动态特性进行了综合试验研究。 基床大比例动态模型试验 试验模型分两组：组为0.3m基床表层1.9m基床底层组

2、为0.3m基床表层1.9m基床底层并降雨级配碎石AB组填料（灰岩风化层，属碎石类土） 边界条件的模拟 ：n 按平面应变问题考虑，线路纵向采用固定钢板挡墙模拟其边界条件 模型土的分层厚度及压实标准控制 ：n 基床表层及底层的填筑分层厚度取10cm n 级配碎石压实后的K为0.99，n为15 n AB组填料压实后的K为0.96，n为15混凝土基础及钢轨的模型设计 ：n 将轨道板一并折算到混凝土基础里；混凝土基础采用整体现场浇筑 0,501,600,51,60,30,6A、B组填料级配碎石1:1.5混凝土基础板0,209,201,800,400,752,60土工隔栅46可埋式动位移计W8静土压力盒Y

3、5板上百分表B位移观测桩G加速度传感器J电阻式土压力盒D6159沉降板(百分表)C7图 例线路纵向1,12断面位置0,400,500,500,30图1 试验模型及仪器布置 模型尺寸、测点布置如图1所示模型试验动荷载加载方式分级静载 循环加载 分级循环加载 共分5级，分别为10、20、30、40、46.5 kN 循环加载共分9级，加载频率为6Hz，每级循环加载次数为6000次，加载波形为正弦波。各级激振力上、下值为：41.5-51.5、36.5-56.5、31.5-61.5、26.5-66.5、21.5-71.5、16.5-76.5、11.5-81.5、6.5-86.5、0-93 kN。模型试验

4、方法动轮载力 ：模型施加的最大单个动轮载为46.5KN FCS0118四通道电液伺服协调加载试验系统 n 降雨前、后附加静应力在路基横断面方向上呈马鞍形分布，钢轨下方值最大，中心处和基础板边值较小，随着外加荷载的增加，附加静应力的马鞍形分布更趋明显。1401201008060402000.00.20.40.60.81.01.21.41.6板边轨下板边轨下5 级4 级3 级2 级 附加应力值/kPa板下路基面横向宽度/m1 级板中1401201008060402000.00.20.40.60.81.01.21.41.6轨下轨下板边板边5 级4 级3 级2 级 附加应力值/kPa板下路基面横向宽度

5、/m1 级板中图2 降雨前路基表面附加静应力的横向分布 图3 降雨后路基表面附加静应力的横向分布 路基基床静力学特性结果与分析路基基床静力学特性结果与分析 图4 降雨前附加静应力在中线下沿路基深度的分布 图5 降雨后附加静应力在中线下沿路基深度的分布 1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100 110 120路基面下1.6m 路基面下0.3m(表层与底层分界面)路基面下1.1m路基面下0.7m 1级 2级 3级 4级 5级附加应力值/kPa 中线下深度/m 1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.001020304

6、05060708090100110120路基面下1.6m路基面下1.1m路基面下0.7m 1级 2级 3级 4级 5级附加应力值kPa 中线下深度m 路基面下0.3m表层与底层分界面n附加静应力随路基深度的增加而减小，在基床表层范围内减小速率较快，在基床底层范围内减小较缓慢，这是由于基床表层土体比基床底层土体具有更好的荷载的分散传递功能；n与降雨前相比，降雨后对应级别的附加静应力值普遍增大，这是由于降雨后土体的荷载的分散传递功能变差，从而导致在相同外加荷载的条件下，降雨后轨下基床中的附加静应力值变大。 n 从图中可以看出，随着外加动荷载值的增大，动应力也相应增大。动应力在路基横断面方向上的分布

7、是不均匀的，轨下动应力值最大，中线下次之，靠近混凝土基础板端部动应力值最小，总体上在横断面上呈马鞍形分布，且随着外加动荷载值的增大，动应力呈马鞍形分布的趋势更加明显。 图6 降雨前路基表面动应力的横向分布 图7 降雨后路基表面动应力的横向分布 10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板边轨下板边轨下 板底路基面横向宽度/m动应力/kPa 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板边板边轨下轨下 板底路

8、基面横向宽度/m动应力/kPa 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中降雨前、后动应力在基床内的分布规律降雨前、后动应力在基床内的分布规律 图8 降雨前动应力轨下沿基床深度分布 图9 降雨后动应力轨下沿基床深度分布 n从图中可以看出，动应力随深度的增加而逐渐减小，在基床表层内衰减较快，在基床底层内衰减较慢。降雨后与降雨前相比，不论是在横向还是沿深度方向，对应动应力值都增大，这是由于降雨后路基土体的有效内摩擦角变小，从而导致土体的应力扩散角变小，在加载条件不变的情况下，承担受力的土体的体积减小，因此导致轨下动应力值增大。所以在实际工程中，应充分重视路基的防排水。 1.81.61

9、.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下0.3m路基面下0.3m路基面下0.3m 路基面下0.3m表层与底层分界面 动应力/kPa沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下1.6m路基面下1.1m路基面下0.7m 路基面下0.3m表层与底层分界面 动应力/kPa沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级0.300.250.200.150.100.050.000.0 0.2 0

10、.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0板边板边轨下轨下 板横向宽/m加速度/ms-2 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中0.300.250.200.150.100.050.000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0轨下板边轨下板边 板横向宽/m加速度/ms-2 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中图12 降雨前路基表面加速度横向分布 图13 降雨后路基表面加速度横向分布 降雨前、后加速度、动位移在基床内的分布规律降雨前、后加速度、动位移在基床内的分布规律 图12图13为加速度

11、在基床横断面方向和深度方向的分布，从图中可以看出，加速度在横断面方向上都呈马鞍形分布趋势，其值都随外加动荷载值的增大而增大。图14 降雨前加速度轨下沿路基深度方向分布 图15 降雨后加速度轨下沿路基深度方向分布 1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40路基面下1.1m路基面下0.7m路基面下0.3m基础板顶面 加速度/ms-2沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级路基面1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00 0.05 0.10 0.15 0.20

12、0.25 0.30 0.35 0.40路基面下1.1m路基面下0.7m路基面下0.3m路基面基础板顶面 加速度/ms-2沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级图14图15为加速度在轨下沿路基深度方向的分布。从图中可以看出，加速度都随外加动荷载值的增大而增大，随深度的增加而减小。与降雨前相比，降雨后动态响应增强，对应的加速度值增大。也就是说加速度的分布规律与动应力的分布规律是相似的。 图16 降雨前基础板动位移横向分布 图17 降雨后基础板动位移横向分布 图18 降雨前动位移轨下沿路基深度方向分布 图19 降雨后动位移轨下沿路基深度方向分布 1.00.90.80.7

13、0.60.50.40.30.20.10.00.00.20.40.60.81.01.21.41.6轨下轨下 板横向宽/m动位移/mm 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.00.00.20.40.60.81.01.21.41.6轨下轨下 板横向宽/m动位移/mm 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级板中1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00.10.20.30.40.50.60.7基础板顶面路基面路基面下1.1m路基面下0.3m 动位移/mm沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级

14、5级 6级 7级 8级 9级1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00.10.20.30.40.50.60.7基础板顶面路基面路基面下0.3m路基面下1.1m 动位移/mm沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级图16图19为动位移在基床横断面方向和深度方向的分布。从图中可以看出，动位移在横断面方向上也呈马鞍形分布趋势，其值都随外加动荷载值的增大而增大，随深度的增加而减小。与降雨前相比，降雨后动态响应增强，对应的动位移值增大。也就是说动位移的分布规律与动应力及加速度的分布规律也是相似的。 n 图20为降雨前、后轨下方路基面下0.3m处的动应力、动位移

15、和加速度三者之间的关系，图21为降雨前、后轨下方路基面下0.7m处的动应力、动位移和加速度三者之间的关系。n 从图中可以看出，动位移和加速度的值随动应力的增大而增加，且三者之间基本呈线性关系。与降雨前相比，降雨后对应的动应力、动位移和加速度的值也增大，这于前面的分析结果是一致的。图20 降雨前、后轨下方路基面下0.3m处加速度、动位移与动应力的关系曲线 图21 降雨前、后轨下方路基面下0.7m处加速度、动位移与动应力的关系曲线 5101520253035404550550.000.050.100.150.200.250.300.350.400.000.050.100.150.200.250.3

16、00.350.40动位移/mm加速度/ms-2动应力D7/kPa 加速度J7（降雨前） 动位移W5（降雨前） 加速度J7（降雨后） 动位移W5（降雨后）051015202530350.000.050.100.150.200.000.050.100.150.20动位移/mm加速度/ms-2动应力D11/kPa 加速度J9（降雨前） 动位移W6（降雨前） 加速度J9（降雨后） 动位移W6（降雨后）降雨前、后基床中动应力、动位移、加速度的关系降雨前、后基床中动应力、动位移、加速度的关系 遂渝线无碴轨道路基实车试验结果与分析遂渝线无碴轨道路基实车试验结果与分析 4.03.53.02.52.01.51.

17、00.50.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0板边轨下5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h横断面距离/m 动应力值kPa板中8765432-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0板边缘轨下横断面距离/m动应力值/kPa5 km/h 70 km/h 80 km/h 90 km/h100 km/h 110 km/h 120 km/h 130 km/h 板中图22 动车组（长枕埋入式）路基面动应力沿横向分布规律 图23 货车（长枕埋入式）路基面应力沿横向分布规律 n

18、 由图可知，动车组与货车通过时，路基面动应力沿横向分布均呈马鞍形；动车组通过时，路基面动应力幅值范围为1.373.35kPa，速度影响系数范围为-0.007910.03599，货车通过时，路基面动应力幅值范围为3.185.91kPa，速度影响系数范围为-0.010680.02045，由此可知，动应力受车速影响较小，受轴重影响较大。 图24 动车组（双块式）基床动应力沿深度分布规律 图25 货车（双块式）基床动应力沿深度分布规律 051015203.02.52.01.51.00.50.0 5 km/h160 km/h180 km/h190 km/h200 km/h210 km/h220 km/h深度/m动应力/kPa051015203.02