青藏線含融化夾層和地下冰凍土路基列車行駛振動(dòng)響應(yīng).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(dòng)效應(yīng)引起的沉陷問(wèn)題日益顯著,直接關(guān)系到客貨列車的安全營(yíng)運(yùn)、青藏線能否提速等關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí),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(jìn)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(zhǎng)期服役性能為應(yīng)用背景,系統(tǒng)構(gòu)建了一整套考慮熱效應(yīng)的大型高含冰量多年凍土路基振動(dòng)響應(yīng)三維模型。通過(guò)建立

2、含相變路基溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型、精確求解軌-枕作用力實(shí)現(xiàn)路基響應(yīng)模型的溫度-應(yīng)力耦合,并采用室內(nèi)試驗(yàn)提供模型參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)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(dòng)響應(yīng)規(guī)律。具體工作可總結(jié)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(chǎng)預(yù)測(cè)模型。針對(duì)青藏鐵路北麓河含厚層地下冰試驗(yàn)段地層結(jié)構(gòu)、氣候條件以及溫升趨勢(shì),計(jì)算分析了路堤建成后未來(lái)50年路基地溫分布走勢(shì)。計(jì)算結(jié)果與

3、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,驗(yàn)證了該溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型的正確性。
　　(2)針對(duì)青藏鐵路客、貨列車編組形式及軌道結(jié)構(gòu)特征,基于課題組研發(fā)的車輛-軌道動(dòng)力耦合仿真程序ZL-TNTLM,并突破以往僅選取某一特定荷載時(shí)程或采用過(guò)于簡(jiǎn)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(dòng)力型激擾和寬軌縫等不同激勵(lì)因素的作用,從而獲得了較符合實(shí)際的軌-枕作用力。并重點(diǎn)研究分析了車輛軸重、時(shí)速、以及各種激勵(lì)因素下軌-枕作用力響應(yīng)特性及影響規(guī)律。
　

4、　(3)基于低溫動(dòng)三軸試驗(yàn),系統(tǒng)研究了列車移動(dòng)荷載作用下冰的動(dòng)力性能,建立了其在長(zhǎng)期動(dòng)載下永久變形預(yù)測(cè)模型,并給出主要影響因素及變化規(guī)律。計(jì)算的動(dòng)力參數(shù)主要為多年凍土路基內(nèi)厚層地下冰提供必要的參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,可采用粘彈性模型來(lái)描述冰的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
　　(4)基于上述工作,首次建立了以120個(gè)軌-枕作用力作為列車荷載輸入并考慮熱效應(yīng)的大型三維路基振動(dòng)響應(yīng)模型。引入前述溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果,不僅與多點(diǎn)荷載輸入共同作用于模型從而實(shí)現(xiàn)

5、熱-力耦合,還可體現(xiàn)多年凍土路基凍融過(guò)程。模型參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)選取,采用等效線性化本構(gòu)模型和無(wú)限元透射邊界,基于顯示動(dòng)力分析方法開(kāi)展數(shù)值計(jì)算,可初步得到青藏鐵路多年凍土路基振動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)。結(jié)果表明該模型采用的多組軌-枕作用力多點(diǎn)動(dòng)力輸入可很好反映列車的移動(dòng)特性。路基表層應(yīng)力響應(yīng)和青藏鐵路列車行駛加速度反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。
　　(5)采用上述已驗(yàn)證的數(shù)值模型,計(jì)算得到了青藏客貨列車以不同時(shí)速行駛并在不同激勵(lì)因素作

6、用時(shí)不同溫度分布狀態(tài)場(chǎng)地的振動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)提取的豎向加速度和應(yīng)力時(shí)程及其1/3倍頻程譜分析,分別從時(shí)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(chǎng)地效應(yīng),并分析了列車時(shí)速、激勵(lì)因素和編組型式對(duì)路基振動(dòng)響應(yīng)的影響。同時(shí),初步探討了青藏列車行駛多年凍土路基應(yīng)力路徑響應(yīng)特性,及其受路基深度、列車時(shí)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(yīng)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(guò)程