既有铁路有改良层过渡段结构-构造特性及其动力响应研究

Existing railway reconstruction for high speed is part of the high speed railway construction. While reconstruction in bridge transition section with improvement layer, the analysis of special structure- tectonic characteristics, dynamic-static stress field distribution and critical control indicators are the base for speed up. However, the classical theory can only calculate the stress and deformation of homogeneous subgrade; some analytic methods can reflect the impact of structure-tectonic, which can only be used to calculate stress-deformation for new construction railway subgrade and not for existing railway. The study exploring structure-tectonic characteristics in existing railway after many years operation with field prototype test. A complex-compliance constitutive equation will be established based on layered visco-elasticity system and improved soil structure damage theory, the dynamic stress-strain field in bridge transition section will be comprehensive analyzed in numerical simulation model by adding tectonic effect characteristics. The new structure-tectonic mechanism will be analyzed and new structure-tectonic development will be predicted combine with the analysis of weathering characteristics on road shoulder. Finite element model will be expanded based on the track-trackbed-subgrade finite element model established by the Ministry of Education Engineering Center in our school, dynamic parameters test data under the new structure-tectonic as input to analyze track dynamic response after speed up. The critical control indicators will be proved in transition with improved layer by inversion-analysis, which is the technical and standard base for transition section subgrade evaluation for speed up.

既有铁路提速改造是高速铁路建设的一部分。既有铁路提速时，解析路桥过渡段有改良层路基运营后的特殊结构-构造特性，路基中动-静应力场分布是提速改造的前提。但是经典的理论只能对均质路基的变形进行计算，一些能够体现结构-构造对矢量场影响的解析方法只能用于新建铁路路基应力、变形计算，不能反映既有铁路过渡段特殊结构-构造特性的影响。本项研究采用现场原型试验，探索多年运营后过渡段的结构-构造特性。基于层状粘弹性体系和改良土结构损伤理论，建立复柔量表征应力-应变关系的本构方程，在数值仿真模型中加入新构造的影响特性，全面解析新构造作用下路基中动静应力-应变场分布，分析产生新构造的机理和预测新构造的发展。基于已构建的轨道-道床-路基数值模型进行扩展，把新构造作用下轨道的动参数测试数据作为输入，分析提速后轨道的动力响应，反演分析有改良层过渡段路基的临界控制指标，为过渡段路基评价和加固改造提供技术依据与标准。

既有铁路提速改造是高速铁路建设的一部分。既有铁路提速时，解析路桥过渡段的强度与刚度是否满足要求是提速改造的前提。. 通过现场多个路桥过渡段路基的动态变形模量、轻型动力触探、瑞雷面波仪等仪器对既有铁路的勘察，得到了过渡段路基的特殊结构-构造及勘察数据统计规律。路基基本结构为轨下路基改良层厚度较路肩厚约10-15cm，轨下Evd值数学预估模型为“Evd轨下=Evd路肩+30MPa”。在瑞雷波勘探数据统计中，提出了以30cm为基准按层厚加权的数据处理方法，并建立了与承载力的相关关系。数据统计表明，过渡段路基30-120cm深度内，承载力随深度增加而减小，90-120cm层是承载力最弱的部分。0-120cm是理论是承受动应力最主要的部分，因此是加固的重点。在120-240cm的勘探深度内，承载力和瑞雷波速随深度的增加而增加，240cm以下不用加固。. 现场动力学测试包括基床表面动应力测试、轨道整体刚度挠度测试及车体加速度测试。测试数据表明，多数过渡段刚度变化率超过了0.3，挠度超过了2mm。在新丰河过渡段，机车产生的动应力最高可达196.03kPa。分析可得过渡段演变关系为“过渡段路基承载力低-刚度变化率大-轨道挠度大-路基面动应力很大-路基道砟囊病害”。通过对新丰河基床加固，过渡段轨道的整体刚度平均提升了23.14%，轨道挠度平均降低了31.40%。. 建立基于ANSYS轨道-道床-路基耦合数值仿真模型。考虑了货车和动车两种工况，以过渡段各测点的轨道刚度作为输入，得出了过渡段的轨道挠度、基床表面动应力、轨道垂向加速度、车体垂向加速度及轮轨力。分析表明轨道挠度容易超出限制指标，而其它指标均在限制指标之内。. 通过计算与反演分析，提出了适应于既有铁路过渡段路基的控制指标：基床表层承载力不宜低于210kPa，基床底层承载力不宜低于180kPa，路基表面Evd不宜低于55MPa，当有改良层时，改良层厚度不宜低于20cm。当使用瑞雷波勘探时，基床表层波速不宜低于175m/m，基床底层不宜低于164m/s。当采用外观控制时，过渡段相对于桥沉降不宜大于15cm，低于8cm不用加固；当用空洞病害构造时，必须进行加固。. 课题理论联系实际，成果将进一步提高既有铁路过渡段的研究水平，同时为过渡段加固与否提供理论支撑，具有一定的学术价值。