青藏線含融化夾層和地下冰凍土路基列車行駛振動響應.pdf

1、目前,青藏鐵路含融化夾層高溫高含冰量多年凍土路基由列車荷載振動效應引起的沉陷問題日益顯著,直接關系到客貨列車的安全營運、青藏線能否提速等關鍵問題。同時,在全球氣候暖化背景下,青藏鐵路未受保溫措施的低溫基本穩(wěn)定多年凍土路基必將進一步退化為高溫不穩(wěn)定多年凍土路基。鑒于此,本論文以青藏鐵路低溫高含冰量多年凍土路基在氣候暖化和列車荷載共同作用下長期服役性能為應用背景,系統(tǒng)構建了一整套考慮熱效應的大型高含冰量多年凍土路基振動響應三維模型。通過建立

2、含相變路基溫度場預測模型、精確求解軌-枕作用力實現路基響應模型的溫度-應力耦合,并采用室內試驗提供模型參數、現場監(jiān)測實現模型驗證等方法,探索青藏客貨列車行駛下高溫高含冰量多年凍土路基的振動響應規(guī)律。具體工作可總結如下:
　　(1)基于附面層原理,并合理考慮施工期的影響,建立了多年凍土路基相變溫度場預測模型。針對青藏鐵路北麓河含厚層地下冰試驗段地層結構、氣候條件以及溫升趨勢,計算分析了路堤建成后未來50年路基地溫分布走勢。計算結果與

3、監(jiān)測數據吻合良好,驗證了該溫度場預測模型的正確性。
　　(2)針對青藏鐵路客、貨列車編組形式及軌道結構特征,基于課題組研發(fā)的車輛-軌道動力耦合仿真程序ZL-TNTLM,并突破以往僅選取某一特定荷載時程或采用過于簡化的荷載作為輸入的局限,綜合考慮軌道高低不平順、諧波、動力型激擾和寬軌縫等不同激勵因素的作用,從而獲得了較符合實際的軌-枕作用力。并重點研究分析了車輛軸重、時速、以及各種激勵因素下軌-枕作用力響應特性及影響規(guī)律。
　

4、　(3)基于低溫動三軸試驗,系統(tǒng)研究了列車移動荷載作用下冰的動力性能,建立了其在長期動載下永久變形預測模型,并給出主要影響因素及變化規(guī)律。計算的動力參數主要為多年凍土路基內厚層地下冰提供必要的參數。試驗結果顯示,可采用粘彈性模型來描述冰的動應力-應變關系。
　　(4)基于上述工作,首次建立了以120個軌-枕作用力作為列車荷載輸入并考慮熱效應的大型三維路基振動響應模型。引入前述溫度場預測結果,不僅與多點荷載輸入共同作用于模型從而實現

5、熱-力耦合,還可體現多年凍土路基凍融過程。模型參數根據室內試驗選取,采用等效線性化本構模型和無限元透射邊界,基于顯示動力分析方法開展數值計算,可初步得到青藏鐵路多年凍土路基振動響應狀態(tài)。結果表明該模型采用的多組軌-枕作用力多點動力輸入可很好反映列車的移動特性。路基表層應力響應和青藏鐵路列車行駛加速度反應現場監(jiān)測結果進一步驗證了模型的可靠性。
　　(5)采用上述已驗證的數值模型,計算得到了青藏客貨列車以不同時速行駛并在不同激勵因素作

6、用時不同溫度分布狀態(tài)場地的振動響應。通過提取的豎向加速度和應力時程及其1/3倍頻程譜分析,分別從時域、頻域角度研究了軌道交通荷載作用下含融化夾層和厚層地下冰高溫多年凍土路基場地效應,并分析了列車時速、激勵因素和編組型式對路基振動響應的影響。同時,初步探討了青藏列車行駛多年凍土路基應力路徑響應特性,及其受路基深度、列車時速和溫度狀態(tài)的影響規(guī)律。
　　本文研究成果有助于加深理解熱效應下高含冰量低溫基本穩(wěn)定多年凍土普通道砟路基的退化過程