铁路沥青混凝土轨下基础力学行为及结构优化研究

作     者：董治辰 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋鑫

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：铁路沥青混凝土轨下基础 力学行为 有限元法 弹性层状体系 损伤分析 疲劳开裂 永久变形 结构优化 

摘      要：随着铁路不断向高速重载化发展,作为一种以沥青为基材的轨下基础,沥青混凝土轨下基础凭借诸多优势得到愈加广泛的应用。然而目前对沥青混凝土轨下基础的理论研究仍欠深入,这是由于轨下基础结构由多个构件共同组成,这些构件受力特性迥异,材料表现出强烈的非线性与黏弹性行为;另一方面,轨下基础部分结构暴露于自然环境当中,深受温度、湿度等环境因素的影响。 本文在回顾、归纳前人的研究内容基础之上,综合运用有限元方法与弹性层状体系理论,针对铁路沥青混凝土轨下基础开展了较为深入的精细化数值分析,论文主要工作如下: (1)选取两款基于层状体系理论的轨下基础结构电算程序KENTRACK与GEOTRACK,对两款程序前处理、计算求解、结果输出等关键环节开展了横向比较,并以传统有砟轨道结构为算例,分析讨论了两者在基本用途和关键力学响应结果的差异性;综合对比推荐了可更好对沥青混凝土轨下基础进行准确计算的电算软件,为后续对沥青混凝土轨下基础进一步研究奠定了基础。 (2)针对美国常用的四种结构类型:普通道床式、沥青下垫层式、沥青上覆式和复合式轨下基础,考虑材料的非线性与黏弹性力学性质,分析了四者力学响应的差异性,并从疲劳开裂和永久变形两种损伤模式出发开展四个季度的损伤分析,明确了轨下基础损伤控制模式,横向对比了不同结构的损伤规律,探明了沥青混凝土层对轨下基础结构性能的改善。 (3)阐明了美国复合式沥青混凝土轨下基础与我国规范所规定的铁路路基结构二者之间的异同,在我国规范规定的铁路路基形式之上,建立了沥青混凝土轨下基础基准模型,基于KENTRACK程序的损伤分析模式,分析了其损伤规律,进而与传统有砟轨道轨下基础进行横向对比;对沥青层温度、基床底层模量、道砟厚度、沥青层厚度以及荷载等因素进行了单因素分析,基于响应面法建立了沥青混凝土层损伤预估模型,分析了各因素之间的交互影响,提出了沥青混凝土轨下基础结构优化初步建议。