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高速铁路对路基的变形要求极高,工后沉降不超过15mm。因此,控制无碴轨道线下路基沉降是路基设计的关键。而高速列车振动荷载下路基动力响应是路基变形分析的基础,因此,开展高速移动荷载下路基的力学响应具有重要的理论意义和很强的工程价值。
采取路基动力响应原位试验和数值模拟相结合的方式,对在振动荷载作用下路基动应力、加速度和速度沿水平和深度方向传递规律开展了系统的研究,揭示了路基动力响应传递机制。
本文的主要内容和成果如下:
1、在对高速铁路振动荷载进行了合理简化的基础上,自行研制了ZDJ20型振动试验机,该装置可提供正弦简谐激励,很好的模拟不同车速、不同轴重下高速列车对路基的振动,用于原位激振试验。
2、分析已有实车测试与研究资料,阐述了路基动力响应试验中动载参数的确定方法,采用最大动应力和动载频率两个控制参数,设计了路基动力响应原位试验方案。
3、开展了路基动力响应原位试验,并对路基中动应力、加速度和速度沿深度和水平方向的传递规律进行了研究。研究表明:本试验中路基土的自振频率为11Hz,阻尼比为0.036;动应力在深度和水平方向衰减规律明显,1m内动应力已衰减90%以上,衰减速率随距离增大而变慢,提出了反映承压板中心线下衰减趋势的幂函数公式;加速度和速度的衰减规律与动应力衰减规律基本一致,并提出了反映承压板中心线下加速度衰减趋势的幂函数公式。
4、采用有限元软件ANSYS建立了路基动力响应数值模型,采用三维时域粘弹性人工边界模拟无限域地基的边界问题,尽量减小应力波的反射与折射对计算结果的影响;并将数值模拟中的动应力和加速度的计算结果与实测结果进行对比分析,验证了模型的合理性和有效性。
5、利用已建立的有限元模型,深入研究了路基动力响应传递规律。研究表明:动应力沿深度和水平方向衰减规律与实测结果基本一致,提出了反映加载域中心线下动应力衰减的幂函数公式;引入并验证了振动荷载作用下应力扩散角的存在;提出了反映二位平面内动应力衰减规律的双变量幂函数公式;对加速度幅频曲线进行深入分析,得到路基土中的主要作用频率为基频和2倍频,且2倍频的振动能量较基频衰减快;加速度和速度沿深度和水平方向的衰减趋势与动应力衰减趋势基本一致。
以路基动力响应原位试验和数值模拟技术研究了路基在振动荷载作用下的动力传递规律,对高铁路基设计、施工、维护具有一定的指导意义。