青藏鐵路列車(chē)行駛多年凍土場(chǎng)地路基振動(dòng)反應(yīng)與振陷預(yù)測(cè).pdf

1、迄今，關(guān)于列車(chē)行駛凍土場(chǎng)地路基振動(dòng)反應(yīng)與穩(wěn)定性的研究工作在國(guó)內(nèi)外均少有開(kāi)展，而對(duì)于凍土層對(duì)路基振動(dòng)反應(yīng)的影響與列車(chē)長(zhǎng)期行駛振陷預(yù)測(cè)的研究更罕見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。我國(guó)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(chē)不到兩個(gè)月多年凍土區(qū)部分路段便出現(xiàn)路基下沉與開(kāi)裂現(xiàn)象，從而引起鐵路部門(mén)的高度重視；并且，專(zhuān)家也嚴(yán)肅指出，列車(chē)重復(fù)荷載影響青藏鐵路凍土工程的問(wèn)題，已成為過(guò)去研究不足而目前則顯得越來(lái)越突出的一個(gè)極其重要的工程問(wèn)題。鑒于上述，本論文

2、以青藏鐵路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和完善寒區(qū)鐵路路基抗振設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)節(jié)為應(yīng)用背景，對(duì)青藏鐵路軌道交通荷載作用下的凍土動(dòng)力性能、振陷預(yù)測(cè)、凍土路基振動(dòng)反應(yīng)及其主要影響因素做了一些基礎(chǔ)性的研究工作。具體研究?jī)?nèi)容、研究方法與相應(yīng)成果如下。
　　針對(duì)軌道交通荷載的振動(dòng)特點(diǎn)，通過(guò)低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路基凍結(jié)粘土的動(dòng)力非線性本構(gòu)關(guān)系、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其主要影響因素，特別是提出了這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)與凍土的負(fù)溫、圍壓、含水量、頻率、動(dòng)剪應(yīng)變幅

3、值、動(dòng)應(yīng)力幅值之間變化關(guān)系曲線與相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。
　　通過(guò)低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路基凍結(jié)粘土在軌道交通荷載作用下的動(dòng)殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率特性及其主要影響因素；通過(guò)引入動(dòng)靜應(yīng)力比的概念，提出了采用冪函數(shù)擬合動(dòng)靜應(yīng)力比、負(fù)溫、含水率、頻率與軸向動(dòng)殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率之間變化關(guān)系曲線，并給出相應(yīng)的擬合公式；研究了青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路基凍結(jié)粘土在長(zhǎng)期軌道交通荷載作用下的動(dòng)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(gè)振陷預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▌?dòng)力殘余應(yīng)變累積模型），尤其是結(jié)合凍土動(dòng)殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率試驗(yàn)和長(zhǎng)期動(dòng)荷載試驗(yàn)提出的振陷預(yù)測(cè)模型二，綜合考慮了單元的應(yīng)力狀態(tài)、荷載作用的振次和凍土的負(fù)溫、含水率、頻率、圍壓等因素的影響。
　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了青藏多年凍土場(chǎng)地和大慶季節(jié)凍土場(chǎng)地鐵路列車(chē)行駛引起鋼軌、軌枕、路堤、場(chǎng)地的振動(dòng)反應(yīng)，據(jù)此研究了鋼軌、軌枕、路堤、場(chǎng)地列車(chē)行駛振動(dòng)反應(yīng)特性，以及凍土層對(duì)路堤振動(dòng)反應(yīng)的影響。獲得了兩點(diǎn)極其有益的認(rèn)識(shí)：⑴青藏鐵路、大慶鐵

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

6、可靠性驗(yàn)證；據(jù)此，研究了北麓河試驗(yàn)段路基凍融狀態(tài)、列車(chē)行駛速度、軌縫寬度對(duì)路基列車(chē)行駛振動(dòng)荷載的影響。建立了軌枕－道床－路基－場(chǎng)地動(dòng)力系統(tǒng)的路基振動(dòng)反應(yīng)分析模型（非線性粘彈性模型），編研了相應(yīng)的動(dòng)力有限元仿真程序 ZL-RNTLM；據(jù)此，進(jìn)行了北麓河試驗(yàn)段多年凍土場(chǎng)地列車(chē)行駛路基振動(dòng)反應(yīng)分析且做了定量評(píng)價(jià)，并對(duì)比研究了季節(jié)變化、車(chē)輛類(lèi)型、行車(chē)速度、路堤高度對(duì)多年凍土場(chǎng)地路基振動(dòng)反應(yīng)的影響。
　　基于青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段的長(zhǎng)期沉降監(jiān)

7、測(cè)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(lái)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(wú)明顯衰減趨勢(shì)，未來(lái)的沉降變形量也許達(dá)到可觀量級(jí)，應(yīng)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(chē)長(zhǎng)期行駛引起多年凍土場(chǎng)地路基凍

8、土上限的振陷預(yù)測(cè)途徑與影響因素，并對(duì)北麓河試驗(yàn)段路基未來(lái)50年列車(chē)行駛引起凍土上限的振陷量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
　　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(chǎng)地和季節(jié)凍土場(chǎng)地路基列車(chē)行駛振動(dòng)反應(yīng)與振害問(wèn)題。尤其是所做的大量低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)、青藏鐵路多年凍土場(chǎng)地路基振動(dòng)反應(yīng)與長(zhǎng)期沉降變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、大慶季節(jié)凍土場(chǎng)地鐵路路基振動(dòng)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)、成果，以及分析所獲得的一些認(rèn)識(shí)，對(duì)于進(jìn)一步深入研究?jī)鐾羷?dòng)力學(xué)、軌道交通動(dòng)力學(xué)具有重要意義，