青藏鐵路列車行駛多年凍土場地路基振動反應與振陷預測.pdf

1、迄今，關(guān)于列車行駛凍土場地路基振動反應與穩(wěn)定性的研究工作在國內(nèi)外均少有開展，而對于凍土層對路基振動反應的影響與列車長期行駛振陷預測的研究更罕見文獻報道。我國凍土分布遼闊，現(xiàn)有一半以上鐵路干線位于凍土區(qū)。青藏鐵路通車不到兩個月多年凍土區(qū)部分路段便出現(xiàn)路基下沉與開裂現(xiàn)象，從而引起鐵路部門的高度重視；并且，專家也嚴肅指出，列車重復荷載影響青藏鐵路凍土工程的問題，已成為過去研究不足而目前則顯得越來越突出的一個極其重要的工程問題。鑒于上述，本論文

2、以青藏鐵路的運營維護和完善寒區(qū)鐵路路基抗振設計的技術(shù)細節(jié)為應用背景，對青藏鐵路軌道交通荷載作用下的凍土動力性能、振陷預測、凍土路基振動反應及其主要影響因素做了一些基礎性的研究工作。具體研究內(nèi)容、研究方法與相應成果如下。
　　針對軌道交通荷載的振動特點，通過低溫動三軸試驗，系統(tǒng)研究了青藏鐵路北麓河試驗段路基凍結(jié)粘土的動力非線性本構(gòu)關(guān)系、動力學參數(shù)及其主要影響因素，特別是提出了這些動力學參數(shù)與凍土的負溫、圍壓、含水量、頻率、動剪應變幅

3、值、動應力幅值之間變化關(guān)系曲線與相應的經(jīng)驗表達式。
　　通過低溫動三軸試驗，系統(tǒng)研究了青藏鐵路北麓河試驗段路基凍結(jié)粘土在軌道交通荷載作用下的動殘余應變增長速率特性及其主要影響因素；通過引入動靜應力比的概念，提出了采用冪函數(shù)擬合動靜應力比、負溫、含水率、頻率與軸向動殘余應變增長速率之間變化關(guān)系曲線，并給出相應的擬合公式；研究了青藏鐵路北麓河試驗段路基凍結(jié)粘土在長期軌道交通荷載作用下的動力累積殘余變形特性及其主要影響因素，合理提出了兩

4、個振陷預測經(jīng)驗模型（動力殘余應變累積模型），尤其是結(jié)合凍土動殘余應變增長速率試驗和長期動荷載試驗提出的振陷預測模型二，綜合考慮了單元的應力狀態(tài)、荷載作用的振次和凍土的負溫、含水率、頻率、圍壓等因素的影響。
　　現(xiàn)場監(jiān)測了青藏多年凍土場地和大慶季節(jié)凍土場地鐵路列車行駛引起鋼軌、軌枕、路堤、場地的振動反應，據(jù)此研究了鋼軌、軌枕、路堤、場地列車行駛振動反應特性，以及凍土層對路堤振動反應的影響。獲得了兩點極其有益的認識：⑴青藏鐵路、大慶鐵

5、路不同季節(jié)條件下路堤振動加速度反應沿監(jiān)測橫斷面的衰減規(guī)律，并給出了相應的擬合函數(shù)式；⑵凍結(jié)期的凍土層對路堤豎向和縱向振動反應有放大作用，而對橫向振動反應有削弱作用，春融期路堤豎向和縱向振動反應較凍結(jié)期有所降低，而橫向振動反應卻被放大。
　　基于大系統(tǒng)的統(tǒng)一分析理念，建立了列車－鋼軌－軌枕－道床－路基動力系統(tǒng)的列車－軌道垂向耦合動力學模型，編研了相應的動力仿真程序ZL-TNTLM，并根據(jù)青藏鐵路北麓河試驗段列車行駛現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了

6、可靠性驗證；據(jù)此，研究了北麓河試驗段路基凍融狀態(tài)、列車行駛速度、軌縫寬度對路基列車行駛振動荷載的影響。建立了軌枕－道床－路基－場地動力系統(tǒng)的路基振動反應分析模型（非線性粘彈性模型），編研了相應的動力有限元仿真程序 ZL-RNTLM；據(jù)此，進行了北麓河試驗段多年凍土場地列車行駛路基振動反應分析且做了定量評價，并對比研究了季節(jié)變化、車輛類型、行車速度、路堤高度對多年凍土場地路基振動反應的影響。
　　基于青藏鐵路北麓河試驗段的長期沉降監(jiān)

7、測記錄，研究了多年凍土路基分層（路基頂面、路基底面、凍土上限）沉降變形特性及其影響因素。結(jié)果表明，路基沉降變形主要來自原天然上限以下多年凍土層的壓縮變形，凍土上限的沉降量隨路堤增高、富冰凍土增厚而顯著增大，約占路基頂面累積沉降的57.4％~69.6%；目前，部分路基沉降變形仍處于勻速變化階段且無明顯衰減趨勢，未來的沉降變形量也許達到可觀量級，應引起高度重視
　　基于上述研究成果，首次探討了青藏鐵路列車長期行駛引起多年凍土場地路基凍

8、土上限的振陷預測途徑與影響因素，并對北麓河試驗段路基未來50年列車行駛引起凍土上限的振陷量進行了預測。
　　本論文的研究成果，有利于加深理解含融化夾層多年凍土場地和季節(jié)凍土場地路基列車行駛振動反應與振害問題。尤其是所做的大量低溫動三軸試驗、青藏鐵路多年凍土場地路基振動反應與長期沉降變形現(xiàn)場監(jiān)測、大慶季節(jié)凍土場地鐵路路基振動反應現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)、成果，以及分析所獲得的一些認識，對于進一步深入研究凍土動力學、軌道交通動力學具有重要意義，