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《西南交通大学》 2015年
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大轴重重载铁路路基基床结构设计方法及技术标准研究

吕文强  
【摘要】:当前,重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低已成为世界铁路发展的重要趋势。重载铁路具有轴重大、轴间距小及列车编组长等主要技术特点。轴重提高导致路基动荷载幅值明显增大,轴间距减小使动荷载作用深度显著增加,列车编组增加会造成路基承受的连续作用次数增加,以上效应均将加剧列车/线路系统的动力相互作用,加快路基的累积变形和疲劳破坏。因此,与普速铁路相比,对于大轴重重载铁路路基基床的设计与修建要求更加严格。我国《重载铁路设计规范(报批稿1》中,从填料选择和压实质量进行控制给出了基床结构型式及各结构土层厚度等具体要求。但依然存在诸多问题,如基床仍以构造设计为主,缺乏基于力学分析的基床结构设计计算方法;基床结构型式的单一化倾向严重,不同地域环境的适应性有待提高;基床技术标准均参考了《高速铁路设计规范》,故结构厚度、填料及压实控制标准等指标针对性不足,其参数选取上值得商榷;基床结构的技术标准与国外重载铁路技术先进国家相比存在明显差异,我国重载铁路制定的基床结构厚度、填料及压实控制标准,尤其是强化基床表层厚度明显偏高,严重制约了我国重载铁路技术的健康发展。在技术上,重载铁路轨道刚度的变化是否对轨枕分担轮载力作用产生影响应需分析;路基作为一种土工构筑物,一直以来没有符合自身承载特性的活载图式,只能参考桥梁结构活载图式进行结构分析与设计,但由于路基与桥梁结构的受力特征、结构特性存在显著差异,原有列车标准活载模式也并不与之相适应,明确的基床承受荷载作用模式是结构设计与分析的重要前提,故需对其研究;目前我国铁路基床结构设计理论还处于初期发展阶段,没有建立系统的基于结构分析的设计方法,尤其对于重载铁路,路基承受高周循环动荷载作用下产生的累积塑性变形及结构损伤对线路的影响非常突出,因此应充分考虑高周循环动荷载影响,从强度、支承刚度和长期服役性能等方面对重载铁路路基设计理论及技术标准进行完善。综上所述,开展大轴重重载铁路路基基床结构设计方法及技术标准研究具有重要意义,研究成果将为我国重载铁路路基的设计提供指导。在对国内外重载铁路设计技术及应用成果收集、整理及吸收的基础上,采用理论分析及数值模拟,并结合现场实车测试等研究手段,以构建基于动强度、支承刚度及高周长期稳定性为控制准则的基床结构三因素综合设计计算方法为核心,开展了重载铁路技术条件下轨枕分担轮载力作用、重型车辆轨道结构荷载传递性能、大轴重车辆荷载特征下路基动力作用特性分析,以及基床结构承受车辆荷载作用效应空间分布规律的主要影响因素等相关研究工作,建立了基于车辆荷载-轨道系统-基床结构多体耦合作用效应的分析模型和路基面承受车辆轴载作用效应模式及参数指标,提出了能综合反映大轴重车辆荷载作用特点和重型轨道结构传递车辆荷载能力的重载铁路基床结构荷载空间分布效应的设计计算方法,明确了大轴重重载铁路基床结构设计的荷载技术条件,优化了基床结构竖向多层的构筑型式及各结构土层的厚度,完善了基床各结构层位的填料动强度或动承载能力技术标准及其K30值表达。主要研究工作及结论如下:1、基于Gauss函数分布的轨枕分担轮载力近似计算方法根据Winkler连续均匀弹性地基无限长梁钢轨垂向挠曲变形曲线形态保持不变,只随轮载力作用位置产生移动的特点,提出了基于Gauss函数表达的轨枕分担轮载力近似计算方法。研究表明:轨枕分担轮载力比值可通过轨枕位置处对应的地基反力Gauss函数分布系数与轨枕间距的乘积获得;单轮载力作用于轨枕正上方时,相邻5根轨枕的分担率依次为9.24%、24.14%、33.24%、24.14%、9.24%,所得结果得到了现场实车测试及室内大型模型试验的验证,较经验法工程应用精度有了较大的提高;与重载铁路有砟轨道路基结构有限元计算结果的对比表明,该方法同样适用于重载铁路条件下轨枕分担轮载力比值的确定。2、重载铁路路基基床结构承受列车荷载作用特征分析根据铁路机车车辆类型及构造特点,归纳出我国铁路主型机车车辆车型荷载作用模式,基于车型荷载轴间距与我国主型轨道结构枕间距相匹配的原则,构建了对应于客货列车运行条件下轴间距分别为2400mm和1800mm的路基轴型荷载模式,对比分析了单、双及四轴荷载模式下路基基床结构应力分布特征,并与铁路列车标准活载(2005)ZH图式(中国货运铁路活载)作用下路基应力对比,得出影响路基应力分布特征的关键因素主次关系为轮轴重轮轴间距轮轴数;同时,提出了重载铁路基床结构分析的四轴荷载模式及其与之对应的路轨一体化计算模型,与单轴荷载相比,最大差值(增量)约为14.8kPa,主要影响区域距路基面1.5~2m深度范围内,相对差值达67%~87%,且随深度的增加而增大;并且与实测值比较,路基面最大峰值动应力理论计算值(即为路基面极限动应力)和路基动应力理论计算值(即为路基常遇动应力)均略大,从结构设计的角度上讲偏于安全。3、重载铁路路基基床结构数值计算分析用ABAQUS大型有限元分析软件建立有砟轨道路基结构模型,进行空间线弹性有限元数值模拟,分析了在不同的基床表层填料(A组填料或级配碎石)、轮轴数(单、双及四轴)、轮载作用位置(单轮载力情况:轨枕正上方,两轨枕1/2、1/3、1/4、1/5和1/6处)、轴重(轴重25t、30t、35t)及轨下胶垫弹簧刚度变化(弹簧刚度为70kN/mm、80kN/mm、90kN/mm)条件下,列车轮载力在轨枕上的分布规律。同时,对不同基床表层填料(A组填料或级配碎石)、不同轴重(轴重25t、30t、35t)以及不同轮轴作用条件下的重载铁路路基结构应力、变形的动力特性进行了研究。4、大轴重重载铁路路基基床结构设计原则及技术标准结合已有典型基床填料在高周循环荷载下累积塑性变形状态试验分析,获取基床结构各层位土层的不同累积塑性变形状态对应的填料动强度参数指标或基于K30值表达的动承载力及长期稳定荷载阈值表达式,同时对K30试验所得变形模量进行应变及循环加载修正以得到路基实际工作状态下的循环变形模量,从而明确填料状态设计参数。根据工程结构分析与设计原理,构建了基于动强度、支承刚度及高周长期稳定性为控制指标的大轴重重载铁路基床结构设计控制原则及计算方法,提出了级配碎石强化基床表层厚度宜随基床底层填料变化的建议,并对基床结构进行竖向多层构筑型式优化,得出基床上表层、基床下表层、基床上底层、基床中底层和基床下底层的5层结构体系;针对级配碎石填料在超大轴重(40t)荷载条件下承载不足,提出了采用强度更高且具有良好隔水性能的沥青混凝土替代级配碎石作为基床表层强化填料的优化处理措施;为实现路基上部具有良好的防排水功能要求,提出了“上封下排”的基床表层两层结构型式,上表层采用渗透系数为10-4cm/s的弱透水性骨架密实Ⅰ型级配砾石填料,下表层采用渗透系数为10-2cm/s的透水型的骨架孔隙Ⅱ型级配砾石填料。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U213.1

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【参考文献】
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