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客运专线全风化花岗岩改良土隧—隧过渡段动力特性及稳定性研究

何群  
【摘要】: 我国铁路客运专线建设正处于全面发展的时期,面临的问题和困难很多。在沿线缺乏A、B组填料的新建客运专线上,能否采用路堑弃碴或其改良土取代A、B填料组填筑路基,是关乎运营质量、工程造价、环境保护的关键技术。本文针对新建武广客运专线穿越全风化花岗岩地段长、A、B组填料缺乏和各类过渡段密集等特点,结合国家和铁道部课题,对列车动荷载作用下全风化花岗岩改良土隧-隧过渡段的动力特性和稳定性开展研究,在综合分析国内外相关研究成果的基础上,通过室内试验、现场试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对车辆-轨道-路基相互耦合的三维动力分析和全风化花岗岩的路用性能等理论上的难题和工程实际问题进行了系统而深入的研究,取得了以下主要成果和结论: (1)基于多刚体动力学和分布参数法,建立了车辆-轨道空间耦合时变的计算模型;基于总势能修正泛函理论建立了轨道-轨下基础的三维动力有限元分析模型;并以垂向轮载力作为上述两种计算模型的衔接耦合条件,提出了车辆-轨道-路基系统三维动力分析模型。 (2)针对我国客运专线轨道结构的技术指标,基于轨道刚度合理值的概念,对采用钢轨允许应力法、轨道允许变形法和临界速度法确定的轨道整体刚度进行对比分析,确立了适用于高速运营的客运专线的轨道刚度计算方法。 (3)结合武广客运专线隧-隧过渡段无碴轨道的设计型式和结构尺寸,运用Eisenmann多重叠合梁理论,建立了计算无碴轨道部件刚度的列式,以用于无碴轨道各结构层刚度。 (4)应用振动力学原理对低接头轨道结构、应用叠合梁理论和Eisenmann多层理论对双块式无碴轨道结构进行了力学分析,获得其静、动力学特征。通过比较轨下结构层的计算动应力与容许动应力,验证了设计的合理性。 (5)结合本文研究目标,制定了全风化花岗岩原状土、重塑土和改良土的试验方案。室内试验结果表明,全风化花岗岩素土难以满足无碴轨道客运专线对路基动、静强度、刚度和长期水稳性的要求,不宜直接作为客运专线路基填料。掺加一定剂量水泥的改良土,能用作基床底层及路基本体填料。获得了水泥掺量、压实度、含水量、龄期对改良土的强度和水稳定性的影响规律,以指导现场施工。 (6)采用本文所建立的车辆-轨道动力分析模型,对实际工程进行数值模拟,提出了运用车辆-轨道空间耦合时变模型,应将路基视为柔性结构的观点。发现由折角与刚度差所产生的不平顺对轨道和路基起着严重的破坏作用,在其它条件都理想化状态下,当折角θ≥3‰时,其相应的横向位移、脱轨系数Q/P、垂向、横向轮载力都超过了《高速铁路线桥隧设计参数选择研究》的允许值。 (7)通过轨道-轨下基础的动力有限元分析,得出了水泥掺量为5%的全风化花岗岩改良土能用作隧-隧过渡段基床底层及路基本体填料的结论。发现与有碴轨道相比,采用无碴轨道后作用于路基面的有效振动加速度和动应力显著降低。


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