高速铁路无碴轨道改良土路基疲劳试验及其仿真分析

论文摘要

我国高速铁路现阶段正处于全面发展建设时期,面临的问题和困难很多,在路基填筑方面,主要是沿线A、B填料缺乏,大多是以路堑的弃碴作为填料,或者采用风化物的改良土取代A、B组填料。而不同土类填筑的路基在列车动荷载作用下的动力特性和变形特征,以及对路基有何影响,目前尚无系统的研究成果。针对上述情况,本文在综合分析国内外全风化花岗岩研究现状的基础上,结合武广客运专线相关研究课题,通过理论分析、现场试验和数值模拟等方法,对循环荷载作用下全风化花岗岩改良土路基的动力响应进行了广泛而深入的研究,取得了以下几方面的主要研究成果和结论：（1）从理论上论证了所用疲劳试验方法的科学性和可行性。（2）建立了三维空间的动力有限元模型,同时详细地考虑了路基的各部分组成,引入弹塑性的循环蠕变模型,对全风化花岗岩改良土路基结构的动力响应进行了计算,得到了循环荷载作用下路基的动力响应规律和垂向荷载传递规律。疲劳试验的动力有限元分析表明：①循环荷载作用下全风化花岗岩改良土路基的动力响应值较小,基床表面的动应力分布为69.9-73.2kPa,动位移分布为0.17-0.38mm,满足花岗岩全风化物改良土路基的动力学性能指标的控制值要求。②循环荷载对全风化花岗岩改良土路基基床部分影响较大,动力响应值随深度的增加快速衰减,深度大于2.75m时路基动力响应已经很小,路基面往下4.2m深度处的动力响应已趋近于0。③路基的动力响应随激振力的周期性变化大致呈“N”形变化。（3）现场的疲劳试验试验表明：①弹塑性循环蠕变模型可以用来较好地评价周期性荷载作用下花岗岩全风化物改良土路基的累积塑性变形特性。②全风化花岗岩改良土不能用于浸水路基填料,而且必须加强排水、防水、隔水措施。③本文建立的全风化花岗岩改良土路基有限元模型是可靠的,可以用它进行实际工程的数值模拟与分析研究。④由数值仿真计算结果与现场实测结果对比分析可知,全风化花岗岩改良土能用于高速铁路基床底层和路基本体填筑,长期循环载荷作用下,其动力性能稳定性好,完全满足设计指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 花岗岩残积土的研究现状
• 1.2.2 轨下结构理论与仿真计算的研究现状
• 1.2.3 路基材料的动态特性研究
• 1.3 本文的研究方法与内容
• 第二章 疲劳试验的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 动力相似性原理
• 2.2.1 模型试验原理
• 2.2.2 自振频率的相似性
• 2.2.3 外载荷的相似性
• 2.2.4 弹性结构动力响应的相似性
• 2.2.5 弹性结构动力破坏的相似性
• 2.2.6 重力的相似性
• 2.3 疲劳试验原理
• 2.4 列车荷载模拟
• 2.5 无碴轨道土质路基的动态响应特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 改良土路基的疲劳特性有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 路基本体的本构模型
• 3.2.1 弹性模型
• 3.2.2 粘弹性模型
• 3.2.3 弹塑性模型
• 3.2.4 本构模型选择
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 模型概述
• 3.3.2 单元介绍
• 3.3.3 约束边界条件
• 3.3.4 循环荷载
• 3.4 动力响应分析
• 3.5 动力学性能控制标准的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 疲劳试验及其与仿真结果对比
• 4.1 疲劳试验机参数及测试仪器设备
• 4.1.1 疲劳试验机参数
• 4.1.2 测试仪器设备
• 4.2 疲劳试验装置及工作原理
• 4.3 疲劳试验现场测试元器件布置
• 4.4 疲劳试验研究内容及方法
• 4.4.1 研究内容
• 4.4.2 研究方法
• 4.5 PMS-500型疲劳机的加载及工况
• 4.5.1 循环加载设备概况
• 4.5.2 论加载指标
• 4.5.3 实际加载指标
• 4.5.4 加载工况
• 4.6 疲劳试验结果及分析
• 4.6.1 信号的时域分析
• 4.6.2 改良土路基的动态响应时程曲线
• 4.6.3 基床的动态响应
• 4.6.4 动力响应沿路基深度的分布特征
• 4.6.5 路基塑性变形规律
• 4.6.6 动刚度与弹性变形的关系
• 4.6.7 人工模拟降雨及效果检验
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 研究工作总结及主要创新点
• 5.1.1 研究工作总结
• 5.1.2 主要创新点
• 5.2 今后研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢