大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究.pdf

1、當(dāng)前，重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低已成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢。重載鐵路具有軸重大、軸間距小及列車編組長等主要技術(shù)特點。軸重提高導(dǎo)致路基動荷載幅值明顯增大，軸間距減小使動荷載作用深度顯著增加，列車編組增加會造成路基承受的連續(xù)作用次數(shù)增加，以上效應(yīng)均將加劇列車/線路系統(tǒng)的動力相互作用，加快路基的累積變形和疲勞破壞。因此，與普速鐵路相比，對于大軸重重載鐵路路基基床的設(shè)計與修建要求更加嚴(yán)格。我國《重載鐵路設(shè)計規(guī)范（報批稿）》中，

2、從填料選擇和壓實質(zhì)量進行控制給出了基床結(jié)構(gòu)型式及各結(jié)構(gòu)土層厚度等具體要求。但依然存在諸多問題，如基床仍以構(gòu)造設(shè)計為主，缺乏基于力學(xué)分析的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法;基床結(jié)構(gòu)型式的單一化傾向嚴(yán)重，不同地域環(huán)境的適應(yīng)性有待提高;基床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均參考了《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，故結(jié)構(gòu)厚度、填料及壓實控制標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)針對性不足，其參數(shù)選取上值得商榷;基床結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國外重載鐵路技術(shù)先進國家相比存在明顯差異，我國重載鐵路制定的基床結(jié)構(gòu)厚度、填料及壓實控制標(biāo)

3、準(zhǔn)，尤其是強化基床表層厚度明顯偏高，嚴(yán)重制約了我國重載鐵路技術(shù)的健康發(fā)展。在技術(shù)上，重載鐵路軌道剛度的變化是否對軌枕分擔(dān)輪載力作用產(chǎn)生影響應(yīng)需分析;路基作為一種土工構(gòu)筑物，一直以來沒有符合自身承載特性的活載圖式，只能參考橋梁結(jié)構(gòu)活載圖式進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，但由于路基與橋梁結(jié)構(gòu)的受力特征、結(jié)構(gòu)特性存在顯著差異，原有列車標(biāo)準(zhǔn)活載模式也并不與之相適應(yīng)，明確的基床承受荷載作用模式是結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的重要前提，故需對其研究;目前我國鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計

4、理論還處于初期發(fā)展階段，沒有建立系統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計方法，尤其對于重載鐵路，路基承受高周循環(huán)動荷載作用下產(chǎn)生的累積塑性變形及結(jié)構(gòu)損傷對線路的影響非常突出，因此應(yīng)充分考慮高周循環(huán)動荷載影響，從強度、支承剛度和長期服役性能等方面對重載鐵路路基設(shè)計理論及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行完善。綜上所述，開展大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究具有重要意義，研究成果將為我國重載鐵路路基的設(shè)計提供指導(dǎo)。
　　在對國內(nèi)外重載鐵路設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用成果收

5、集、整理及吸收的基礎(chǔ)上，采用理論分析及數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實車測試等研究手段，以構(gòu)建基于動強度、支承剛度及高周長期穩(wěn)定性為控制準(zhǔn)則的基床結(jié)構(gòu)三因素綜合設(shè)計計算方法為核心，開展了重載鐵路技術(shù)條件下軌枕分擔(dān)輪載力作用、重型車輛軌道結(jié)構(gòu)荷載傳遞性能、大軸重車輛荷載特征下路基動力作用特性分析，以及基床結(jié)構(gòu)承受車輛荷載作用效應(yīng)空間分布規(guī)律的主要影響因素等相關(guān)研究工作，建立了基于車輛荷載-軌道系統(tǒng)-基床結(jié)構(gòu)多體耦合作用效應(yīng)的分析模型和路基面承受車輛

6、軸載作用效應(yīng)模式及參數(shù)指標(biāo)，提出了能綜合反映大軸重車輛荷載作用特點和重型軌道結(jié)構(gòu)傳遞車輛荷載能力的重載鐵路基床結(jié)構(gòu)荷載空間分布效應(yīng)的設(shè)計計算方法，明確了大軸重重載鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載技術(shù)條件，優(yōu)化了基床結(jié)構(gòu)豎向多層的構(gòu)筑型式及各結(jié)構(gòu)土層的厚度，完善了基床各結(jié)構(gòu)層位的填料動強度或動承載能力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其K30值表達。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　1、基于Gauss函數(shù)分布的軌枕分擔(dān)輪載力近似計算方法
　　根據(jù)Winkler連續(xù)

7、均勻彈性地基無限長梁鋼軌垂向撓曲變形曲線形態(tài)保持不變，只隨輪載力作用位置產(chǎn)生移動的特點，提出了基于Gauss函數(shù)表達的軌枕分擔(dān)輪載力近似計算方法。研究表明:軌枕分擔(dān)輪載力比值可通過軌枕位置處對應(yīng)的地基反力Gauss函數(shù)分布系數(shù)與軌枕間距的乘積獲得;單輪載力作用于軌枕正上方時，相鄰5根軌枕的分擔(dān)率依次為9.24％、24.14％、33.24％、24.14％、9.24％，所得結(jié)果得到了現(xiàn)場實車測試及室內(nèi)大型模型試驗的驗證，較經(jīng)驗法工程應(yīng)用精度

8、有了較大的提高;與重載鐵路有砟軌道路基結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果的對比表明，該方法同樣適用于重載鐵路條件下軌枕分擔(dān)輪載力比值的確定。
　　2、重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)承受列車荷載作用特征分析
　　根據(jù)鐵路機車車輛類型及構(gòu)造特點，歸納出我國鐵路主型機車車輛車型荷載作用模式，基于車型荷載軸間距與我國主型軌道結(jié)構(gòu)枕間距相匹配的原則，構(gòu)建了對應(yīng)于客貨列車運行條件下軸間距分別為2400mm和1800mm的路基軸型荷載模式，對比分析了單、雙及四軸荷

9、載模式下路基基床結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征，并與鐵路列車標(biāo)準(zhǔn)活載(2005)ZH圖式（中國貨運鐵路活載）作用下路基應(yīng)力對比，得出影響路基應(yīng)力分布特征的關(guān)鍵因素主次關(guān)系為輪軸重＞輪軸間距＞輪軸數(shù);同時，提出了重載鐵路基床結(jié)構(gòu)分析的四軸荷載模式及其與之對應(yīng)的路軌一體化計算模型，與單軸荷載相比，最大差值（增量）約為14.8kPa，主要影響區(qū)域距路基面1.5～2m深度范圍內(nèi)，相對差值達67％～87％，且隨深度的增加而增大;并且與實測值比較，路基面最大峰值

10、動應(yīng)力理論計算值（即為路基面極限動應(yīng)力）和路基動應(yīng)力理論計算值（即為路基常遇動應(yīng)力）均略大，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度上講偏于安全。
　　3、重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)數(shù)值計算分析
　　用ABAQUS大型有限元分析軟件建立有砟軌道路基結(jié)構(gòu)模型，進行空間線彈性有限元數(shù)值模擬，分析了在不同的基床表層填料（A組填料或級配碎石）、輪軸數(shù)（單、雙及四軸）、輪載作用位置（單輪載力情況:軌枕正上方，兩軌枕1/2、1/3、1/4、1/5和1/6處）、軸重(

11、軸重25t、30t、35t)及軌下膠墊彈簧剛度變化(彈簧剛度為70kN/mm、80kN/mm、90kN/mm)條件下，列車輪載力在軌枕上的分布規(guī)律。同時，對不同基床表層填料（A組填料或級配碎石）、不同軸重(軸重25t、30t、35t)以及不同輪軸作用條件下的重載鐵路路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的動力特性進行了研究。
　　4、大軸重重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
　　結(jié)合已有典型基床填料在高周循環(huán)荷載下累積塑性變形狀態(tài)試驗分析，

12、獲取基床結(jié)構(gòu)各層位土層的不同累積塑性變形狀態(tài)對應(yīng)的填料動強度參數(shù)指標(biāo)或基于K30值表達的動承載力及長期穩(wěn)定荷載閾值表達式，同時對K30試驗所得變形模量進行應(yīng)變及循環(huán)加載修正以得到路基實際工作狀態(tài)下的循環(huán)變形模量，從而明確填料狀態(tài)設(shè)計參數(shù)。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計原理，構(gòu)建了基于動強度、支承剛度及高周長期穩(wěn)定性為控制指標(biāo)的大軸重重載鐵路基床結(jié)構(gòu)設(shè)計控制原則及計算方法，提出了級配碎石強化基床表層厚度宜隨基床底層填料變化的建議，并對基床結(jié)構(gòu)進行

13、豎向多層構(gòu)筑型式優(yōu)化，得出基床上表層、基床下表層、基床上底層、基床中底層和基床下底層的5層結(jié)構(gòu)體系;針對級配碎石填料在超大軸重(40t)荷載條件下承載不足，提出了采用強度更高且具有良好隔水性能的瀝青混凝土替代級配碎石作為基床表層強化填料的優(yōu)化處理措施;為實現(xiàn)路基上部具有良好的防排水功能要求，提出了“上封下排”的基床表層兩層結(jié)構(gòu)型式，上表層采用滲透系數(shù)為10-4cm/s的弱透水性骨架密實Ⅰ型級配礫石填料，下表層采用滲透系數(shù)為10-2cm/