高速铁路压实标准仿真与基床动力响应分析

论文摘要

路基对高速铁路的安全性起着至关重要的作用，尤其在铁路运行速度日益提高的前提下，如何提高路基的刚度和强度，减小工后沉降，增加整体稳定性成了需要迫切解决的问题。因此，采用科学的压实控制方法以及如何减小不断增加的车速对路基的影响成了世界各国在高速铁路路基技术研究上的重点。我国目前在路基的压实控制标准采用地基系数k30，并逐步引进动态变形模量Evd的控制标准，此外对高速铁路路基的动力响应也做了大量的试验和理论研究。本文基于有限元的研究方法，对k30、Evd以及高速铁路路基动力响应进行了数值仿真分析研究。建立平板荷载试验仿真模型，对地基系数k30进行仿真研究。研究了k30与E的关系，得到了k30与变形模量E的关系表达式E=0.208 k30；以沉降百分比为控制标准研究了k30试验的影响范围，得出k30试验在深度方向的影响范围约为1.1m、而在侧向的影响范围约为0.7m；此外对高速铁路路基k30进行了可操作性研究，提出了在铁路路基计算分析中，基床表层、基床底层、路堤下部以及地基变形模量最小值可分别取45MPa、35MPa、20MPa和15MPa。建立动态平板载荷试验仿真模型，对动态变形模量Evo进行仿真研究。研究动态变形模量Evd与动模量的关系，得到了不同种类土Evd与动模量Ed的关系式；以应力和沉降两种标准研究Evd试验的影响范围，综合得出Evd仿真试验的影响范围大致为：深度1.8m、侧向0.8m；并通过Evd与Ed的关系、k30与E的关系以及Ed与E的关系三者综合分析得出Evd与k30的关系。参考高速铁路设计标准，建立路基动态有限元分析模型，从列车荷载作用下路基的应力和变形特点的角度，分析不同层位刚度的合理匹配。通过研究得出，加速度、速度和沉降在动荷载作用下受刚度的变化影响最大，说明采用加速度、速度及沉降三项指标作为高速铁路设计的控制参数是较为合理的；分析了路基综合刚度、基床表层刚度、基床底层刚度以及路堤下部刚度对路基动力响应的影响，提出了不同层位刚度的合理匹配。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高速铁路路基动力响应研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 试验研究
• 1.3 高速铁路路基压实标准研究现状
• 1.3.1 国外高速铁路路基压实控制标准
• 1.3.2 我国铁路路基压实控制标准
• 1.3.3 国内外高速铁路压实标准比较
• 1.4 课题背景
• 1.5 本论文的研究方法
• 第2章 有限元仿真技术要点分析
• 2.1 仿真边界处理
• 2.1.1 人工边界
• 2.1.2 无限元边界
• 2.2 非线性动力学分析步选择
• 2.2.1 动力学问题基本方程
• 2.2.2 Newmark时间积分方法
• 2.2.3 显式Newmark时间积分方法
• 2.2.4 隐式Newmark时间积分方法
• 2.2.5 小结
• 2.3 土体本构模型的选择
• 2.3.1 Mohr-Coulomb模型
• 2.3.2 修正的Drucker-Prager模型
• 2.3.3 Drucker-Prager塑性与蠕变的耦合模型
• 2.3.4 修正的剑桥（Cam-day）模型
• 2.3.5 小结
• 2.4 初始地应力的平衡
• 30有限元仿真分析'>第3章 高速铁路压实标准k₃₀有限元仿真分析
• 3.1 计算模型及计算方案
• 3.1.1 计算断面及参数选取
• 3.1.2 计算方案及计算模型
• 3.2 均一土层情况分析
• 30与土的变形模量的关系'>3.2.1 k₃₀与土的变形模量的关系
• 30的影响范围'>3.2.2 k₃₀的影响范围
• 30可操作性研究'>3.3 国内高速铁路路基地基系数k₃₀可操作性研究
• 30研究'>3.4 路基综合地基系数k₃₀研究
• 30的分析研究'>3.4.1 含软土下卧层时综合地基系数k₃₀的分析研究
• 30的影响性分析'>3.4.2 上部填土高度对综合地基系数k₃₀的影响性分析
• 3.4.3 填土软硬层次分布对综合地基系数的影响
• 3.5 结论
• 第4章 高速铁路压实标准Evd无限元仿真分析
• 4.1 动态变形模量Evd测试方法及测试原理
• 4.2 动态变形模量Evd研究现状
• 4.3 动态变形模量Evd无限元仿真技术
• 4.3.1 模型确定
• 4.3.2 无限元分析关键技术控制
• 4.4 Evd试验影响范围分析
• 4.5 动态沉降分析
• 4.5.1 不同土质条件下的对比
• 4.5.2 不同动模量条件下的对比
• 30关系分析'>4.6 动态变形模量Evd与k₃₀关系分析
• 4.7 结论
• 第5章 高速铁路路基动力响应有限元分析
• 5.1 有限元计算模型
• 5.1.1 有限元模型边界条件
• 5.1.2 材料参数设定
• 5.1.3 荷载模拟
• 5.2 有限元计算结果
• 5.2.1 路基综合刚度变化影响研究
• 5.2.2 基床表层刚度变化影响研究
• 5.2.3 基床底层刚度变化影响研究
• 5.2.4 路堤下部刚度变化影响研究
• 5.3 刚度匹配的综合分析
• 5.4 结论
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本文主要创新之处
• 6.3 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及主要科研工作