CN113062148A

CN113062148A - 一种高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法

Info

Publication number: CN113062148A
Application number: CN202110339577.5A
Authority: CN
Inventors: 方明镜; 胡婷; 聂良涛
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: CN113062148B

Abstract

本发明公开了一种高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法，步骤如下：S1、对施工现场情况勘察和调研；S2、筛选沥青混合料材料和配比，并对填料取样，获取材料相关参数；S3、根据材料参数及推荐的几何结构参数，建立三维足尺数值计算模型，根据基床底部的容许应力值对基床表层进行厚度优化，标定沥青支承层和基床表层的厚度；S4、根据数值模型优化后的结构层参数，构建室内足尺模型，设置加载头，预埋压力传感器，验证优化后的结构，不断调试以满足要求；S5、确认设计方案后，编制基床表层厚度的设计参数对照表。本发明提供的高速铁路基床表层厚度设计方法灵活性强，可强化轨道整体下部结构的承载能力，延长轨道服役寿命，产生可观的经济和环保效益。

Description

一种高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法

技术领域

本发明涉及高速铁路设计和建造技术领域，具体涉及一种高速铁路沥青混凝土铺装轨道结构基床表层厚度的灵活性设计方法。

背景技术

高速铁路和重载铁路是全球铁路发展的两大方向。因此，要求铁路下部结构具有良好的防水、减振、耐久性和可维护性等性能。传统水泥基无砟轨道直接铺设于柔性级配碎石基床表层，整体刚度大、振动强、易开裂、防水差、维护难，且混凝土材料弹性模量较大，泊松比较小，列车动荷载在混凝土道床板中衰减相对较慢。同时，我国目前所有设计规范对于高速铁路道床、基床等结构层的厚度均有统一规定，而实际工程中，由于路基基底条件的差异以及现场外部环境的不同，铁路下部结构层厚度在一定程度上可以进行灵活性设计，以便在满足实际运营时的安全性和平顺性的前提下，节省材料，降低施工成本。

沥青混合料作为一种典型的粘弹性材料，能够在路基基床与混凝土底座板间形成过渡层，不透水的密实性沥青混凝土可作路基的防水层，且有助于提高其抗变形能力，控制轨道结构的永久变形和保持其几何条件的稳定，减少病害和延长维修周期，节省维护的人力物力。同时，热拌沥青(HMA)，环氧改性沥青(EMA)和废旧橡胶改性沥青(CRMA)等沥青混合料也正在铁路建造领域进行广泛研究和测试。因此，考虑将具有粘弹性优势的沥青材料作为高速铁路道床或强化基床的材料，有利于列车动荷载的衰减和对路基的保护，实现通过控制铁路道床进而调节下部基础结构层，从而优化路基基床表层厚度，为今后我国高速铁路沥青道床的设计和施工提供一个可行、可靠的技术参照，在一定程度上强化轨道下部结构的承载能力，延长轨道的服役寿命，降低维护需求，并有望填补目前国内该领域研究的空白。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明针对目前高速铁路道床板刚度大，相关设计规范对于结构层厚度过于统一的不足，提供一种高速铁路基床表层厚度的灵活性设计方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法，该方法适用于沥青混凝土柔性铺装板式轨道结构，包括以下步骤：

S1、对施工现场的水文、地质条件、气候条件、环境温度等进行勘察和调研；

S2、根据现场调研，对沥青混合料进行选材和配合比设计，并对现场路基各结构层代表性填料取样，进行室内材料试验，获取材料相关参数；

S3、根据室内试验获得的材料参数及现有规范推荐的几何结构参数，建立三维足尺数值计算模型，结合高速铁路设计规范中基床底部的容许应力值对基床表层的厚度进行优化，标定改进后的沥青支承层厚度及对应的基床表层厚度；

S4、根据数值模型优化后的结构层参数，构建室内足尺模型，设置加载头，荷载大小和频率与S3中一致，预埋压力传感器，验证优化后的结构能否满足对于基床底部容许应力的要求，不断调试以满足要求；

S5、确认设计方案后，编制不同基底条件、环境温度、上覆材料及厚度尺寸对应的高速铁路基床表层厚度的设计参数对照表。

进一步，沥青混凝土铺装板式轨道结构自下而上依次是基底、基床底层、基床表层、透层、沥青混凝土支承层、粘层土工布和轨道板。

进一步，所述步骤S2中沥青混合料的选材需根据S1中调研情况确定，相关材料试验包括动三轴蠕变试验及DSC试验，所需材料参数包括各结构层的力学参数与热力学参数。

进一步，所述步骤S3的方法如下：首先，根据S1中调研的施工现场的实地工程及地质条件，结合现有高速铁路设计规范对于轨道板和传统路基基床表层和底层的结构层设计厚度，并选取合适的沥青支承层厚度，利用有限元软件或结合离散元耦合建立沥青混凝土铺装无砟轨道的几何模型；然后，根据S2中的现场采样和材料实验，获得数值模型所需的建模材料参数，输入模型；接着选定合适的边界条件及加载条件，确定约束条件；最后进行模型的网格划分。

更进一步，所述有限元软件包括但不限于ABAQUS和ANSYS在内的通用有限元软件，也包括MIDAS等专业性有限元软件，利用有限元与离散元耦合建立三维立体或二维壳体模型。

进一步，所述步骤S3中数值模型的荷载加荷方式采用定点激振加载。

进一步，步骤S3中所建立的数值计算模型的结构层厚度尺寸根据现有规范初步拟定，沥青支承层(应力扩散厚度)为H，基床表层为D，基床底部动应力为σ。

进一步，所述步骤S3和步骤S4中的基床底部容许应力根据高速铁路路基动静应力之比为0.2时标定，可选取合适的安全系数，确保结构绝对安全，静应力根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中路基面高速列车及轨道均布荷载求得。

进一步，所述步骤S3中优化后的结构层尺寸为沥青支承层(应力扩散厚度)为H_i，基床表层为D_i′，当基床底部动静应力比为0.2时，该动应力记为σ_i，经安全系数换算后标定为应力扩散厚度为H_i，基床表层厚度为D_i′的结构的基床底部容许应力，记为[σ_i]，而后根据H_i和[σ_i]反算基床表层厚度D_i，得到基床表层与应力扩散层厚度和基床底部应力的函数关系为：D_i＝f(H_i,σ_i)，由数值模型输出得到。安全系数参考《铁路路基设计规范》，也可根据大量现场试验数据获得(传统轨道路基数据作为参考)。

进一步，所述步骤S3和步骤S4中的基床底部容许应力安全系数为

进一步，所述步骤S4中室内足尺模型试验预埋压力传感器的位置为轨下截面的沥青支承层顶部、基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部，温度计的埋设位置为基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部。

进一步，所述步骤S4中现场试验是对步骤S3中的结构层优化参数进行复核，根据压力传感器测得实际结构基床底部动应力值，验证步骤S3中由函数D_i＝f(H_i,σ_i)优化所得结构是否满足要求，若满足，则确认该设计方案；若不满足，则改变步骤S3中应力扩散层厚度H_i，进而调节基床表层厚度D_i，得到新的函数关系，再进行足尺模型试验复核，直至满足要求为止；同时，若工程标段的工况条件发生改变，使得现有设计不再适用，则需重新进行上述S1至S4步骤完成新工况下的标定。

进一步，所述步骤S5中编制高速铁路基床表层厚度的参数对照表，包括不同基底条件、环境温度、上覆材料及结构层厚度尺寸所对应的基床表层厚度，作为对该工程标段的结构及材料设计标定。

进一步，本方法适用于基底处理达到现行《铁路路基设计规范》要求，路基整体稳定性良好，具有良好支承强度和刚度的基础条件的工程建设标段，若用于特殊土路段，需根据相应规范对基底进行处理，同时，选择适合的沥青混凝土材料及沥青支承层厚度，进而因地制宜地进行设计。在不同标段内根据实际工程地质状态及气候条件的不同，存在结构层几何和材料设计不同的情况。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的高速铁路基床表层厚度的设计方法，其结构能在保证高速铁路轨道高平顺性的前提下，沥青支承层能够分散上部列车荷载，减弱列车动荷载的向下传递，形成轨道支承层与下部基础层的协调性匹配，设计灵活性强。另一方面，通过该方法确定的基床表层厚度在减弱列车动荷载产生的振动及噪声的同时，能够有效调节原有路基基床表层的结构层厚度或优化基床表层的填料等级，强化轨道整体下部结构的承载能力，延长轨道服役周期，降低维护需求。此外，本发明可根据现场条件因地制宜，根据外部环境和基底条件选择沥青层材料及厚度，根据环境和沥青层材料及厚度选择基床表层；同时，对于同一工程的不同标段，根据不同的基底条件和地域环境差异，选择适合各标段的结构层厚及沥青混凝土材料，以获得最优的匹配效果。本发明预期产生可观的经济和社会效益，并促进新型无砟轨道铺装结构和材料的开发，推动轨道工程行业的发展

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法的设计流程图；

图2是沥青混凝土铺装轨道结构层示意图；

图3是室内足尺试验段压力传感器与温度计布设位置及加载装置示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式，本实施方式仅为对说明书及附图的说明，其中参数取值仅作参考。

实施例1

如图1所示，本发明为一较佳实施例的高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法，包括以下步骤：

S1、对施工现场的水文、地质条件、气候条件、环境温度等进行勘察和调研。

本实施例中，工程全标段桩号为K0+000至K20+436，其中K0+000至K12+516标段处于温带地区，地质条件良好，K12+517至K20+436标段处于高寒冻土地区，路基土体含水率较高，地下水位较高。现仅以标段K0+000至K12+516的温区施工区域为例进行说明。

如图2所示，本实施例中，将沥青混凝土作为高速铁路的应力扩散层，整体结构由下自上依次是基底、基床底层、基床表层、透层、沥青混凝土铺装层、粘层土工布和混凝土轨道板。

S2、根据现场调研，对沥青混合料进行选材和配合比设计，并对现场路基填料取样，进行室内材料试验，获取相关材料参数。

本实施例中，对于标段K0+000至K12+516，可选用普通基质沥青混合料作为沥青混凝土支承层材料，进行室内动三轴蠕变试验及DSC试验，获得基质沥青混合料的动态模量参数及热力学参数；同时，对现场取样的路基土体进行试验，得到力学特性良好的土基材料参数，标段各结构层的热力学参数参见表1。

表1标段K0+000至K12+516热力学设计参数(推荐)

S3、根据室内试验材料参数及现有规范几何结构参数，建立数值计算模型，结合高速铁路设计规范中基床底部的容许应力值对基床表层的厚度进行优化，标定改进后的沥青支承层厚度及对应的基床表层厚度。

本实施例中，建立的数值计算模型为ABAQUS有限元模型，其结构层厚度尺寸根据S1中调研的施工现场的实地工程及地质条件，结合现有高速铁路设计规范对于轨道板及传统路基基床表层和底层的结构层设计厚度，并选取合适的沥青支承层厚度，建立沥青混凝土铺装无砟轨道的几何模型；而后，根据S2中的现场采样和材料实验，获得数值模型所需的建模材料参数，输入模型。

本实施例中，所建立的数值模型结构及力学材料参数参见表2。根据现场实际地质及工程基底条件，调研当地气候及温度、湿度环境，在确保基底处理达到现行《铁路路基设计规范》要求，路基整体稳定性良好，具有良好支承强度和刚度的基础条件的前提下，选取初始沥青支承层(应力扩散厚度)为H＝150mm，基床表层为D’＝400mm，模型的加载方式采用定点激振加载，模拟不同设计行车速度的高速列车行驶(若当地环境条件或工程地质条件发生变化，如高寒地区、湿陷性黄土地区等，则需另外设计沥青混凝土支承层的材料及厚度初始值)。按照《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中对于路基面列车及轨道均布荷载的简化形式，计算路基面下随深度增大的静应力值，并输出模型基床底部的动应力值，此时，基床底部动应力为σ满足路基基床底部动应力与静应力之比≤0.2的要求。而后，根据容许安全系数对基床底部容许动应力取值进行换算，安全系数可取值1.25，则基床底部的容许动应力为[σ]＝σ/1.25，此时，反算容许应力下所需的基床表层厚度D。

表2数值模型结构层参数(推荐)

部件	材料	单元	结构层尺寸(m)	E(MPa)	υ	密度(kg/m<sup>3</sup>)	阻尼
								钢轨	钢	实体	-	206000	0.25	7850	0.015
轨道板	水泥混凝土	实体	0.19(宽:2.4)	36000	0.16	2500	0.03
								支承层	沥青混凝土	实体	变化(宽:3.0)	4000	0.35	2400	0.09
基床表层	级配碎石	实体	变化	250	0.3	1800	0.035
								基床底层	中砂	实体	2.3	200	0.35	2000	0.039
土基	黏土	实体	5.0	110	0.4	1800	0.035

本实施例中，调节数值模型中沥青混凝土支承层厚度为H₁＝200mm，仍然以与前次一致的时速模拟定点激振荷载加载大小及频率，调节基床表层厚度为D₁′，使得此时基床底部动应力恰好满足动静应力之比≤0.2的要求，记录下D₁′数值及基床底部的动应力数值σ₁，计算得到对应的基床底部容许应力[σ₁]，再次反算动应力衰减至容许应力时的基床表层厚度D₁；继续调节沥青混凝土支承层厚度为H₂＝250mm，调节基床表层厚度为D₂′，使得此时基床底部动应力恰好满足动静应力之比≤0.2的要求，记录下D₂′数值及基床底部的动应力数值σ₂，计算得到对应的基床底部容许应力[σ₂]，再次反算动应力衰减至容许应力时的基床表层厚度D₂；以此类推，继续调节沥青混凝土支承层厚度，直至沥青层厚度增加至400mm(现有资料显示沥青支承层最优厚度为200-350mm，该上限值可根据后续研究进行调整)，而后对沥青支承层厚度调节变化值进行加密，例如，按照10mm厚度递增，进而得到加密后的基床表层优化厚度，对应记录优化后的沥青支承层厚度H_i、基床表层厚度D_i以及基床底部的动应力σ_i，此时，由于σ_i就是动静应力之比为0.2对应的基床底部动应力值，[σ_i]为沥青支承层为H_i，基床表层为D_i时的基床底部容许应力，可得到基床表层厚度与支承层厚、基床底部动应力间的函数关系：D_i＝f(H_i,σ_i)(i＝1,2,3…)。

本实施例中，按照步骤S3中优化后的沥青支承层厚度H_i、基床表层厚度D_i建造室内足尺模型(i＝1,2,3…)，模型开挖土体箱尺寸、预埋的元器件的埋设位置如图3所示，压力传感器的埋设位置为轨下截面的沥青支承层顶部、基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部，温度计的埋设位置为基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部。利用反力***和分配梁，采用两个加载头模拟一个转向架对钢轨的作用。以CR400AF动车组为基本依据，静轴重取17t。两个加载头各自连接激振器获得激振荷载，因二者间距为固定轴距2.5m，利用加载频率调整两个激振荷载相位差模拟不同的列车速度。

本实施例中，分别根据(i＝1,2,3…)时的建造足尺模型测得的基床底部动应力与数值模型标定的函数D_i＝f(H_i,σ_i)所得结构是否满足规范设计要求，若满足，则确认该设计方案；若不满足，则返回步骤S3，改变数值模型中的应力扩散层厚度H_i，进而调节基床表层厚度D_i，得到新的函数关系，再次进行室内足尺试验复核，直至满足规范要求为止。

本实施例中，进入K12+517至K20+436施工标段时，现有设计不再适用，需重新进行现场勘查，由于处于高寒地区，选用改性沥青混凝土改善沥青支承层的低温性能，例如，可选用废旧橡胶改性沥青混凝土，该标段各结构层材料热力学参数设计参见表3。同时，由于高原地区土体冻融深度较大，路基结构层的力学参数也会改变，进而影响S3和S4中的数值模型和室内足尺模型结构层力学参数，需重复步骤S1至S4对该标段重新标定。

表3标段K12+517至K20+436热力学设计参数(推荐)

S5、确认设计方案后，编制不同基底条件、环境温度、上覆材料及厚度尺寸对应的高速铁路基床表层厚度的参数对照表。

本实施例中，所编制的高速铁路基床表层厚度的参数对照表作为对该工程标段的结构及材料设计标定，且本工程不同标段，由于工况条件不同，沥青混凝土铺装轨道整体各结构层材料及厚度设计有所差异。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高速铁路基床表层厚度灵活性设计方法，其特征在于，该方法适用于沥青混凝土柔性铺装板式轨道结构，包括以下步骤：

S1、对施工现场的水文、地质条件、气候条件、环境温度进行勘察和调研；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：沥青混凝土铺装板式轨道结构自下而上依次是基底、基床底层、基床表层、透层、沥青混凝土支承层、粘层土工布和轨道板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中沥青混合料的选材需根据S1中调研情况确定，相关材料试验包括动三轴蠕变试验及DSC试验，所需材料参数包括各结构层的力学参数与热力学参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3的方法如下：首先，根据S1中调研的施工现场的实地工程及地质条件，结合现有高速铁路设计规范对于轨道板和传统路基基床表层和底层的结构层设计厚度，并选取合适的沥青支承层厚度，利用有限元或结合离散元耦合建立沥青混凝土铺装无砟轨道的几何模型；然后，根据S2中的现场采样和材料实验，获得数值模型所需的建模材料参数，输入模型；接着选定合适的边界条件及加载条件，确定约束条件，加荷方式采用定点激振加载；最后进行模型的网格划分。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中所建立的数值计算模型的结构层厚度尺寸根据现有规范初步拟定，沥青支承层(应力扩散厚度)为H，基床表层为D，基床底部动应力为σ。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3和步骤S4中的基床底部容许应力根据高速铁路路基动静应力之比为0.2时标定，可选取适当的安全系数，确保结构绝对安全，静应力根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中路基面高速列车及轨道均布荷载求得。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中优化后的结构层尺寸为沥青支承层(应力扩散厚度)为H_i，基床表层为D_i′，当基床底部动静应力比为0.2时，该动应力记为σ_i，经安全系数换算后标定为应力扩散厚度为H_i，基床表层厚度为D_i′的结构的基床底部容许应力，记为[σ_i]，而后根据H_i和[σ_i]反算基床表层厚度D_i，得到基床表层与应力扩散层厚度和基床底部应力的函数关系为：D_i＝f(H_i,σ_i)，由数值模型输出得到；所述安全系数的换算方法为：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S4中室内足尺模型试验预埋压力传感器的位置为轨下截面的沥青支承层顶部、基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部，温度计的埋设位置为基床表层顶部、基床表层底部和基床底层底部。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S4中室内足尺试验是对步骤S3中的结构层优化参数进行复核，根据压力传感器测得实际结构基床底部动应力值，验证步骤S3中由函数D_i＝f(H_i,σ_i)优化所得结构是否满足要求，若满足，则确认该设计方案；若不满足，则改变步骤S3中应力扩散层厚度H_i，进而调节基床表层厚度D_i，得到新的函数关系，再进行足尺模型试验复核，直至满足要求为止；同时，若工程标段的工况条件发生改变，使得现有设计不再适用，则需重新进行上述S1至S4步骤完成新工况下的标定。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5中编制高速铁路基床表层厚度的参数对照表，包括不同基底条件、环境温度、上覆材料及结构层厚度尺寸所对应的基床表层厚度，作为对该工程标段的结构及材料设计标定，在不同标段内根据实际工程地质状态及气候条件的不同，存在结构层几何和材料设计不同的情况。