提速列车荷载下粉土的力学响应与路基稳定性研究

论文摘要

列车循环荷载下路基表现出来的动力特性是引起线路运行条件恶化的主要原因。随着列车速度提高、轴重增加、运量加大,加剧了线路和列车的振动,增加了路基承受动荷载与振动频率的水平,提高了路基的振动加速度,加快了路基的累积变形和疲劳破坏。当前,对铁路既有线细粒土路基基床在提速列车动荷载与物理状态改变下的动态参数及规律研究较少,特别是对黄河冲积粉土这种特殊的路基填料在密实度变化与增湿条件下的应力-应变关系、强度特点、以及在列车循环荷载下的动态力学行为,甚至还没有过专门的研究。而现行的提速线路路基技术条件没有考虑列车荷载对路基的动力作用,使得列车长期运行对路基的影响难以定量计算,路基的评判与加固缺乏理论指导,给铁路运输带来安全隐患。本文在铁道部科技研究开发计划项目“京九线粉土路基病害整治技术试验研究（2005G012）”支持下,并结合铁路提速现状,以现场调查和实测为基础,以室内静、动力学试验为手段,通过理论分析和数值模拟,对提速列车荷载下粉土的力学响应与路基稳定性进行了研究,取得了以下几个方面的研究成果:（1）通过试验,掌握了黄河冲积粉土的土质特性,对非饱和粉土在密实度变化与增湿条件下的应力-应变关系、屈服特性、以及强度特点进行了对比研究;调查了黄河冲积粉土铁路路基的病害特点及现状。（2）通过试验,认识了粉土在列车循环荷载与土体物理状态改变下的变形与强度破坏演化机理,得到了影响粉土动态稳定性的主要控制性因素;研究了列车循环荷载下粉土累积塑性变形、回弹变形、回弹模量、临界动应力和动强度的变化规律,建立了上述力学参数与动应力和土体物理状态指标间的关系模型。（3）采用车轨耦合动力模型及现场实测数据,研究了提速列车动荷载的变化规律及数学模拟;通过ABAQUS建立轨道路基三维数值动力计算模型,对提速列车移动荷载下粉土路基的瞬态动力响应进行了分析,对比了列车轴重、速度、线路平顺性对路基动力响应的影响,并将计算结果与实测现象进行了比较;此外,还探讨了列车轴距、道床厚度、材料刚度、阻尼等参数对路基动力响应的影响规律,并借助正交设计原理,对各影响参数的显著性进行了评价。从机理上更深入了解了提速线路路基的动力特性。（4）通过分析当前国内外铁路组织和学者提出的不同的路基结构设计原则,结合既有路基的特点,探讨了采用基床动强度和路基累积变形作为提速下路基长期稳定的控制参数的合理性;在此基础上,以京九线粉土路基为对象,分析在不同运输条件、养护维修、道床厚度、路基容许变形下,路基结构要求的差异,并与现行技术条件进行了比较。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 粉土的工程特性研究进展
• 1.2.2 路基土的动力性能研究进展
• 1.2.3 路基动力响应研究进展
• 1.2.4 铁路路基技术条件研究进展
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 黄河冲积粉土的特性及对铁路路基运营影响研究
• 2.1 黄河冲积粉土的形成
• 2.2 黄河冲积粉土的土质特性
• 2.3 黄河冲积粉土的力学特性
• 2.3.1 粉土的变形与屈服特性
• 2.3.2 粉土的强度特性
• 2.4 铁路粉土路基运营的特殊问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 列车循环荷载下粉土的力学响应研究
• 3.1 列车荷载下路基的循环应力特点
• 3.2 循环荷载下粉土动态特性的影响因素研究
• 3.2.1 试验条件设计
• 3.2.2 动应力幅值与加载频率对粉土动态特性的影响
• 3.2.3 围压对粉土动态特性的影响
• 3.2.4 含水率对粉土动态特性的影响
• 3.3 循环荷载下粉土的累积变形预测模型
• 3.3.1 变形分析
• 3.3.2 模型建立
• 3.4 循环荷载下粉土的回弹模量预估模型
• 3.4.1 回弹模量的变化特性
• 3.4.2 模型建立
• 3.5 循环荷载下粉土的临界回弹应变
• 3.6 循环荷载下粉土的临界动应力与动强度
• 3.7 本章小结
• 第4章 提速列车荷载下粉土路基的动力响应分析与参数研究
• 4.1 提速列车动荷载的模拟
• 4.1.1 既有线提速列车动荷载的变化
• 4.1.2 列车动荷载的模拟
• 4.2 列车荷载下路基的动力分析模型
• 4.2.1 数值模型
• 4.2.2 材料模型及参数
• 4.2.3 运动方程的建立与求解
• 4.3 提速列车荷载下粉土路基的动力响应分析
• 4.3.1 路基的动应力
• 4.3.2 路基的动变形
• 4.3.3 路基的加速度
• 4.4 路基动力响应的参数影响研究
• 4.4.1 列车轴距的影响
• 4.4.2 道床厚度的影响
• 4.4.3 材料刚度的影响
• 4.4.4 材料阻尼的影响
• 4.4.5 参数显著性评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 提速列车长期运营荷载下粉土路基的稳定性研究
• 5.1 提速下路基长期稳定性控制参数研究
• 5.1.1 技术参数确定
• 5.1.2 分析方法
• 5.1.3 影响规律研究
• 5.2 提速下粉土路基长期稳定性的结构条件
• 5.2.1 计算参数
• 5.2.2 路基结构的临界条件
• 5.2.3 与现行技术条件的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文内容总结
• 6.2 主要创新之处
• 6.3 进一步研究的建议
• 参考文献
• 作者简历