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双线重载铁路路基动力响应规律研究

铁道学报 2024年第1期46卷 145-155页

作者：董俊利冷伍明徐方张期树杨奇刘思慧中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

建立双线重载线路的轨枕-路基-地基三维有限元仿真模型,分析双线重载路基的动力响应规律。研究发现,列车于本侧轨道下方路基面引起的动应力沿横向均呈“马鞍形”分布。上行线列车通过时,本侧线路钢轨下方路基动应力均随深度的增加而减小... 详细信息

建立双线重载线路的轨枕-路基-地基三维有限元仿真模型,分析双线重载路基的动力响应规律。研究发现,列车于本侧轨道下方路基面引起的动应力沿横向均呈“马鞍形”分布。上行线列车通过时,本侧线路钢轨下方路基动应力均随深度的增加而减小;不同运行模式下,路基中心处动应力则均随深度的增加先增大后减小。路基面竖向动位移沿横向呈现明显的凹形分布特性,满载列车单向运行引起的动位移峰值可达到空载列车单向运行的5.36倍。列车轴重对路基速度响应的影响相对较小;轴重由25 t增至30 t时,本侧线路钢轨下方路基面处加速度峰值增加约10%。双线列车运行引起的路基动力响应水平大于单向列车运行的工况;上行线满载列车在下行线钢轨下方路基面引起的加速度、速度和动位移峰值均大于空载列车单向运行于下行线的工况。

关键词：双线重载铁路路基有限元分析动力响应

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新型预应力路基的静动载试验系统及应用分析

铁道科学与工程学报 2024年

作者：徐方吴其长董俊利冷伍明张期树杨奇中南大学土木工程学院中南林业科技大学土木工程学院中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室

为深入研究静力加载与列车循环动荷载作用下新型预应力路基的工作性状，研制缩尺预应力路基模型试验系统（包括相似设计、模型箱构建、路基模型填筑、轨道结构设计、预应力施加方法、静力加载系统和列车动荷载模拟），开展了不同预应力... 详细信息

为深入研究静力加载与列车循环动荷载作用下新型预应力路基的工作性状，研制缩尺预应力路基模型试验系统（包括相似设计、模型箱构建、路基模型填筑、轨道结构设计、预应力施加方法、静力加载系统和列车动荷载模拟），开展了不同预应力和列车轴重下的静动力模型试验，通过监测路基各测点处的竖向和侧向变形、加速度和动位移，量化分析施加水平预应力对路基性能的改善规律，深入分析预应力构件与路基结构的协同工作机理。研制的预应力路基静动载模型试验系统，为揭示水平预应力对路基静动力性能的强化机制提供了切实可行的物理和试验技术平台。研究结果表明，施加的预应力经扩散后可引起路基面产生隆起变形，当单排侧压力板施加100 kPa预压应力后，路基面最大隆起量为0.062 mm；荷载板试验中，相较于无预应力工况，预应力100 kPa下各测点处的沉降量下降了9.93%～15.77%。此外，预应力可限制荷载作用下路基坡面的外挤变形；列车动荷载试验下，各测点处的加速度和动位移均随预应力的增加而减小；预应力100 kPa下测点处的动位移幅值为无预应力工况下的82.97%～91.63%，说明施加预应力对路基的动力变形存在切实的抑制效应。研制的试验系统及获得的分析结果对明晰预应力加固对铁路路基服役性能的影响规律具有指导价值和意义。

关键词：预应力路基试验系统静动载变形加固性能

分级变围压条件下粉土路基填料回弹模量试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：陈有为冷伍明徐方张期树董俊利聂如松杨奇中南大学土木工程学院中南林业科技大学土木工程学院

新型预应力路基通过施加水平预应力，改善路基土的围压状态，可达到路基加固或路基病害整治的目的。为探究水平预应力对粉土路基填料回弹特性的影响，开展同一试样分级变围压的系列循环动三轴试验，研究该条件下粉土填料回弹模量的变化... 详细信息

新型预应力路基通过施加水平预应力，改善路基土的围压状态，可达到路基加固或路基病害整治的目的。为探究水平预应力对粉土路基填料回弹特性的影响，开展同一试样分级变围压的系列循环动三轴试验，研究该条件下粉土填料回弹模量的变化规律，并提出了相应的回弹模量经验预测模型。试验结果表明：分级增大围压不仅可提高粉土填料的回弹模量，还可改善试样的应力状态，使原本常围压下呈塑性破坏的试样最终转变为弹性稳定状态。每次分级增长围压均会引起试样回弹模量的瞬时骤增，而后其值随动荷载作用振次逐步趋于稳定。分级变围压的振次间隔会影响试样回弹模量的稳定值，且振次间隔越小，试样回弹模量的稳定值越高。就稳定型试样而言，低动应力水平下增大围压引起的试样回弹模量增幅大于高动应力水平的试验工况。分级增大围压对试样回弹模量的增益效应并不能补偿含水率增加带来的负面影响。基于试验结果，改进现有回弹模量预测模型，提出了综合考虑路基土动应力状态和应力历史的回弹模量预测模型，并对分级变围压加载下稳定试样的回弹模量进行预测，取得了良好的预测效果。研究结果可为进一步揭示水平预应力加固路基的效果和机制提供参考，同时对预应力路基的设计具有重要指导意义。

关键词：粉土路基填料回弹模量分阶段变围压动三轴试验影响因素

重载列车作用下新型预应力路基动应力响应规律研究

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第8期54卷 3286-3302页

作者：董俊利冷伍明张期树徐方聂如松中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004

基于车辆−轨道耦合动力学理论,建立列车−轨道−预应力路基和常规路基共2种三维动力有限元模型,通过引入重载铁路高低不平顺轨道谱,分析不同轴重列车运行下,这2种路基结构动应力响应差异化规律。研究结果表明:1)受轨道不平顺的影响,2股钢... 详细信息

基于车辆−轨道耦合动力学理论,建立列车−轨道−预应力路基和常规路基共2种三维动力有限元模型,通过引入重载铁路高低不平顺轨道谱,分析不同轴重列车运行下,这2种路基结构动应力响应差异化规律。研究结果表明:1)受轨道不平顺的影响,2股钢轨正下方路基面的动应力沿路基面中线呈非对称分布,且差异性显著;2)2种路基结构在轨下路基面上的动应力峰值沿线路纵向的随机波动程度随轴重增大而增大,而预应力加固结构在一定程度上可控制这种波动程度,且列车轴重越大,控制优势越明显。在轨下基床层不同深度处,预应力路基内的动应力平均值略低于常规路基的动应力平均值;3)列车轴重对动应力变异水平存在放大效应,而在预应力路基基床内,其动应力变异系数均小于常规路基的动应力变异系数,表明预应力加固结构在维持路基动应力稳定方面具有积极效应;4)在基床内不同深度处,2种路基结构动应力峰值沿线路纵向均服从正态分布;5)列车轴重越大,钢筋附加动应力水平越高,但远低于静态目标张拉应力,且各排钢筋动响应程度沿坡面从上至下是逐渐衰减的。

关键词：重载铁路预应力路基轨道不平顺数值仿真动应力峰值

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新型预应力路堤侧压力板设计间距研究

中南大学学报（自然科学版） 2023年第4期54卷 1379-1392页

作者：冷伍明董俊利艾希徐方张期树中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075 中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063

基于Boussinesq和Cerruti公式推导的水平附加应力计算公式,提出新型预应力路堤加固薄弱点O处的附加应力分析方法。通过大量工况计算获得多块侧压力板联合作用下预应力路堤薄弱区域内薄弱点O处水平附加应力的扩散规律,并以该点处附加应... 详细信息

基于Boussinesq和Cerruti公式推导的水平附加应力计算公式,提出新型预应力路堤加固薄弱点O处的附加应力分析方法。通过大量工况计算获得多块侧压力板联合作用下预应力路堤薄弱区域内薄弱点O处水平附加应力的扩散规律,并以该点处附加应力作为预应力加固的控制下限,探索侧压力板布置间距的设计方法。研究研究表明:1)单块侧压力板上、下板角不同外延面内的水平附加应力系数K均随水平深度系数hc的增加先增大后减小;2)加固薄弱点O处的附加应力系数KO可根据相邻4块侧压力板的附加应力扩散效应叠加求得,且在不同侧压力板间距下,KO均随hc的增加先增大后减小,即KO与hc的关系曲线均存在峰值点;3)定义侧压力板沿路堤坡向和纵向的净间距与板宽之比分别为净间距系数a和b,发现在不同路堤坡率及加固系数KP下,薄弱点O处的水平附加应力有效扩散深度系数hcp均分别随b和a的增大呈线性递减和线性递增关系,同时b和a呈指数型负相关关系;4)通过多元拟合分别建立了hcp与b(或a)以及b与a的函数关系式,可依据拟合关系设计侧压力板的布置间距。

关键词：预应力路堤侧压力板板间距水平附加应力设计方法

双线重载路基动应力分布与扩能适应性评价研究

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中国铁道科学 2023年第4期44卷 28-39页

作者：董俊利冷伍明张期树徐方梅慧浩中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中铁十一局集团有限公司湖北武汉430061

针对线路未来扩能要求,以朔黄双线重载铁路路基为研究对象,建立轨枕-路基-地基三维有限元模型,模拟分析列车轴重、行车速度和运行模式对路基动应力分布规律的影响,并采用塑性安定极限动应力方法对不同工况下的路基动力稳定性开展适应性... 详细信息

针对线路未来扩能要求,以朔黄双线重载铁路路基为研究对象,建立轨枕-路基-地基三维有限元模型,模拟分析列车轴重、行车速度和运行模式对路基动应力分布规律的影响,并采用塑性安定极限动应力方法对不同工况下的路基动力稳定性开展适应性评价。结果表明:不同运行模式下,列车于本侧轨道下方路基面引起的动应力沿横向呈“马鞍形”分布,且满载列车运行时会在空载侧路基面引起小幅动应力;荷载作用区内动应力随深度增加逐渐减小,而在荷载作用区域外动应力随深度增加先增后减,满载线钢轨下方动应力传递至基床层底部时衰减量超过70%;满载线钢轨下方路基面动应力随列车轴重和行车速度的增加而线性增大;以0.2倍自重应力线确定路基动应力影响深度,满载线钢轨下方路基在满载单向与双向运行模式下的影响深度为2.80~4.23 m,已超过基床层设计厚度2.50 m,须对路基动力稳定性开展评估。塑性安定极限动应力方法可用于评估不同轴重、行车速度和含水率条件下的重载路基动力稳定性,对评价既有重载铁路路基扩能适应性具有指导和借鉴作用。

关键词：重载铁路路基动应力动力稳定性有限元

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新型预应力路基静力加固性能与机理研究

铁道科学与工程学报 2023年第7期20卷 2488-2499页

作者：张期树冷伍明徐方阮波董俊利中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 湖南铁院土木工程检测有限公司湖南长沙410075

预应力路基作为一种新型铁路路基结构形式和路堤快速加固技术,其实际加固性能与机理方面的研究还相对滞后。以重载路基为背景,通过填筑室内大比尺物理路基模型,对其开展条形荷载板试验,主要测试分析路基在3种不同加固状态下路基面沉降... 详细信息

预应力路基作为一种新型铁路路基结构形式和路堤快速加固技术,其实际加固性能与机理方面的研究还相对滞后。以重载路基为背景,通过填筑室内大比尺物理路基模型,对其开展条形荷载板试验,主要测试分析路基在3种不同加固状态下路基面沉降、边坡侧向变形的变化规律。此外,为进一步探究预应力差异化加固模式对路基承载变形特性的影响,建立与条形荷载板试验相匹配的三维有限元模型,开展多工况数值仿真对比计算,重点探究加固结构布设位置、排数以及不同预应力大小对路基体受荷变形规律的影响。研究结果表明:预应力路基在控制路基面沉降和坡面侧向变形方面较普通路基存在显著优势,预应力加固结构可有效提升路基的弹性工作区间,延缓路基进入塑性发展阶段,且其加固效果随分级荷载的增大得以逐步显现。在控制路基边坡侧向变形方面,增加加固排数是最有效的加固途径。在排数限定时,考虑在坡面侧向变形最大区域布置加固结构对约束边坡整体变形最有利,提高预应力也可进一步限制边坡侧向变形。因预应力钢筋具有较高的抗拉强度,可与路基体协同承载抗变形。研究结果论证了预应力路基的加固效果,并初步揭示了其作用机理。

关键词：预应力路基加固性能与机理荷载板试验数值仿真差异化加固

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列车荷载作用下新型预应力路基振动特性研究

岩石力学与工程学报 2023年第11期42卷 2847-2860页

作者：董俊利冷伍明徐方张期树李忠阮波姚康中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 湖南铁院土木工程检测有限公司湖南长沙410004

掌握预应力路基在列车荷载作用下的工作性状和加固机制可为其工程设计提供技术参考。通过开展1∶5的缩尺模型试验,探究列车轴重和预应力对路基加速度响应的影响,并建立预应力路基三维动力有限元模型,重点分析预应力路基加速度场的分布... 详细信息

掌握预应力路基在列车荷载作用下的工作性状和加固机制可为其工程设计提供技术参考。通过开展1∶5的缩尺模型试验,探究列车轴重和预应力对路基加速度响应的影响,并建立预应力路基三维动力有限元模型,重点分析预应力路基加速度场的分布特性及预应力加固机制。结果表明:(1)在列车动荷载循环加卸载作用下,路基竖向加速度响应的波峰和波谷均在小范围内波动变化,可采用波峰和波谷均值来反映路基的长期振动程度;(2)路肩位置处竖向加速度峰值随列车轴重和预应力的增加分别呈线性递增关系和指数型衰减关系,建立了描述加速度峰值、列车轴重和预应力三者关系的经验模型;(3)路基竖向加速度峰值与预应力水平存在高度相关性,且加速度响应沿路基横向与深度方向传播时衰减明显,侧压力板周边区域受预应力的影响程度显著高于路基内部区域;(4)水平预应力可减小路基的竖向振动,通过调整预应力大小和增大路基坡率等措施,可实现对路基核心区域的有效加固。研究结果对于进一步了解预应力路基的加固机制具有一定参考意义。

关键词：路基工程预应力路基模型试验加速度响应数值仿真加固机制

基于大型动三轴试验和神经网络的粗粒土临界动应力研究

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铁道学报 2023年第5期45卷 119-127页

作者：徐方翟斌冷伍明叶新宇张期树赵春彦中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075

为研究基床粗粒土填料的累积塑性变形特性、动力稳定性和临界动应力,开展不同围压、动应力和含水量的系列大型动三轴试验。结果表明:粗粒土的累积塑性应变ε_(p)随动荷载振动次数N的关系曲线可分为破坏型、稳定型和临界型。建立分析εp-... 详细信息

为研究基床粗粒土填料的累积塑性变形特性、动力稳定性和临界动应力,开展不同围压、动应力和含水量的系列大型动三轴试验。结果表明:粗粒土的累积塑性应变ε_(p)随动荷载振动次数N的关系曲线可分为破坏型、稳定型和临界型。建立分析εp-N曲线类型与土体围压、含水量及动应力相关性的灰色关联模型,结果表明曲线类型受围压、动应力及含水量的影响显著,且三者对决定粗粒土的动力稳定状态具有同等重要作用。构建预测粗粒土临界动应力的BP神经网络模型,分析表明粗粒土的临界动应力随围压增加而近似线性增大,随含水量的增加而非线性减小;综合试验和模型分析结果,提出考虑围压和含水量影响效应的粗粒土临界动应力经验公式。

关键词：粗粒土临界动应力累积塑性变形动三轴试验神经网络