CN116305422B - 一种面向长期服役性能的高铁路基力学−经验设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向长期服役性能的高铁路基力学‑经验设计方法，包括确定线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，并据此确定路基填料及压实标准；初拟基床表层和底层厚度，并采用轨道‑路基动力解析模型确定路基顶面列车动荷载；然后采用数值计算方法确定路基内动应力，据此计算基床表层动变形，最后利用考虑土体循环累积变形的力学‑经验模型计算路基总变形量。本发明大幅提升了高铁路基顶面列车动荷载和基床表层动变形的计算精度，并考虑了运营期内循环列车荷载对路基土体循环累积变形的影响，有效保证了高铁路基设计过程中在路基承载力、基床表层动变形和路基累积变形控制上的安全。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法。
背景技术
高速铁路路基长期服役性能的评估和预测是对高铁路基进行合理设计和维护的前提，而路基沉降(变形)则是评价高铁路基长期服役性能的重要指标。我国现行的《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中对高铁路基变形的控制主要是采用拟静力的方法来考虑列车动力荷载，并以路基压实系数、地基系数以及动态变形模量作为变形控制指标的弹性设计方法来控制路基变形。该计算方法虽简便，但实际铁路工程设计中，仍然出现许多因路基变形控制不准而引发的路基劣化问题，不断劣化的高铁路基严重影响其长期服役性，最终危及高速列车的运行安全。
高铁路基设计需要保证列车荷载作用下路基的长期安定性，而列车荷载作用下路基的动力响应是路基安定性最直接的影响因素。路基动力响应分析主要分为路基面动荷载和路基内动应力分布，现行高铁设计规范中路基面动荷载采用列车等效均布荷载，即列车动荷载通过上部轨道结构按照某一扩散角向下传递至路基顶面，并沿横向均布于路基顶面，然而实际路基面的动荷载呈现“马鞍形”分布，两者之间存在明显的差异，同时路基顶面的应力峰值也会出现较大误差，便造成了路基承载力设计的不安全。另外，现行规范中路基内动应力及其分布计算是按照半空间体Boussinesq解进行求解的，浅层路基内(距离路基顶面深度3m以内)动应力的Boussinesq解与实测结果吻合较好，而深层路基内(3m以外的区域)动应力的Boussinesq解与实测结果偏差较大。高速铁路建成后路基变形主要包括自重作用下路基本体压密变形、列车荷载作用下路基产生的附加变形以及支承路基的地基的压密变形(即工后固结变形)。现有设计规范中通过在施工期控制路基填料材质、压实标准及路基各层厚度便可将前两部分变形控制在有限数值内，而地基工后固结变形则是通过变形计算，并结合工后线路变形观测数据回归分析来确定变形的变化趋势，经分析评估后确认工后变形稳定且满足变形要求后方可进行上部轨道结构的铺设。然而实际工程中，依然出现了较多运营期内高铁路基因列车循环动荷载作用引起的累积变形超限。目前，现有高铁路基设计中并没有考虑运营期内循环列车荷载作用引起的路基累积变形，并且高速铁路线路里程长、跨度大、列车运行速度快，线路跨区域的地质及气候条件复杂多变，列车动荷载及自然环境营力都将对运营期内高铁路基的累积变形产生较大影响，进而造成路基变形控制上的不安全。
总的来说，目前高铁路基设计精细化程度偏低，路基内动力响应是较为复杂的动力学问题，而现有设计方法仅将其处理为简化的拟静力学问题，同时该方法中路基是基于路基面动变形和基床底层动应变控制的弹性设计方法进行设计的，并未考虑运营期内循环列车荷载下路基土体循环累积变形的影响，进而造成了高铁路基设计上的不安全。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：本发明实施例提出了一种面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，所述方法具体包括如下步骤：
确定线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，并据此确定路基填料及压实标准；
初拟基床表层和基床底层厚度，并计算高铁路基顶面的列车动荷载；
获取路基内动应力及其分布情况，据此计算基床表层动变形，并利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型计算高铁路基的总变形量。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明重新考虑了路基顶面的列车动荷载，即基于轨道-路基动力解析模型，大幅提升了路基顶面列车动荷载的计算精度，提升了高铁路基承载力设计的安全性。
2)本发明重新考虑了路基内土体动应力，即基于2.5维或3维有限元分析模型，大幅提升了路基内土体动应力的计算精度，同时确定路基内动应力分布，基于此大幅提升了基床表层动变形的计算精度，进而提升了高铁路基基床表层动变形控制的安全性，所获取的路基动应力及其分布为运营期内循环列车荷载作用下服役路基土体循环累积变形计算提供计算基础。
3)本发明基于考虑土体循环累积变形的力学-经验模型，在获取路基内动应力及其分布的基础上，对循环列车荷载作用下高铁路基循环累积变形进行了计算，有效考虑了运营期内循环列车荷载对路基土体循环累积变形的影响，提升了高铁路基累积变形控制的安全性。
附图说明
图1为高速铁路有砟/无砟轨道结构典型横断面示意图；
图2为基于长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法流程图；
图中：钢轨1、扣件系统2、轨道板3、水泥乳化沥青砂浆层4、底座板5、基床表层6、基床底层7、轨枕8及道床层9。
具体实施方式
下面结合该实施例和附图对本发明做进一步的说明，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，高速铁路有砟轨道结构自上而下的基本组成依次为钢轨1、扣件系统2、轨枕8、道床层9、基床表层6及基床底层7，高速铁路无砟轨道结构自上而下的基本组成依次为钢轨1、扣件系统2、轨道板3、水泥乳化沥青砂浆层4、底座板5、基床表层6以及基床底层7。随着客运和货运需求的增大，高铁里程、列车轴重以及发车频次均不断增大，高铁路基是直接暴露于自然环境中的土方构筑物，区域性气候变化和高频循环列车动荷载对路基的长期服役性能产生不利影响。高铁路基长期服役性能的评估和预测是对其进行合理设计和维护的前提，而路基沉降则是评价高铁路基长期服役性能的重要指标，目前我国现行《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中高铁路基设计的精细化程度偏低，路基内动力响应是较为复杂的动力学问题，而现有设计方法仅将其处理为简化的拟静力学问题，同时该方法中路基是基于路基面动变形和基床底层动应变控制的弹性设计方法进行设计的，并未考虑运营期内循环列车荷载下路基土体循环累积变形的影响，进而造成了高铁路基设计上的不安全。另外，实际铁路工程设计中，仍然出现许多因路基变形控制不准而引发的路基劣化问题，不断劣化的高铁路基严重影响其长期服役性，最终危及高速列车的运行安全。
因此，本发明提供了一种面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，本实施例中基于高铁线路所在区域的地域特征和运输需求，确定了轨道的结构形式、路基横断面形状及宽度，并据此确定了路基填料及压实标准，然后对初拟厚度的基床表层和基床底层，采用轨道-路基动力解析模型大幅提升了路基顶面列车动荷载的计算精度，保证了高铁路基承载力设计的安全性；基于2.5维或3维有限元分析模型，大幅提升了路基内土体动应力的计算精度，同时确定路基内动应力分布，基于此大幅提升了基床表层动变形计算精度，保证了高铁路基基床表层动变形控制的安全；基于所获取的路基内动应力及其分布，结合考虑土体循环累积变形的力学-经验模型，对循环列车荷载作用下高铁路基循环累积变形进行了计算，有效考虑了运营期内循环列车荷载对路基土体循环累积变形的影响，提升了高铁路基累积变形控制的安全性。判别路基顶面列车动荷载是否满足路基承载力要求、基床表层动变形及路基累积变形是否满足规范规定的要求，如果不满足，则返回至初始路基结构设计当中，重新调整路基填料、路基各层厚度及压实标准，重新计算路基顶面列车动荷载、基床表层动变形和路基累积变形，直至满足路基承载力和规范要求。本发明大幅提升了高铁路基顶面列车动荷载和基床表层动变形的计算精度，并基于土体循环累积变形的力学-经验模型，有效考虑了运营期内循环列车荷载对路基土体循环累积变形的影响，并计算了高铁路基循环累积变形，有效保证了高铁路基设计在路基承载力、基床表层动变形和路基累积变形控制上的安全。
如图2所示，本发明方法具体包括以下子步骤：
步骤1)，确定线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度。
具体地，在本实例中基于线路所在区域的地域特征和运输需求，首先确定所选线路的轨道结构形式(即有砟轨道或无砟轨道结构),然后充分考虑路基稳定性、线路养护情况、安全线间距、曲线超高设置、通信信号和电力电缆槽布置、接触网立柱和声屏障基础在内的因素，确定路基横断面形状及宽度。
步骤2)，基于步骤1)所确定的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，确定路基填料及压实标准。
具体地，在本实例中根据线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，考虑路基填料的级配、强度、弹性模量、抗磨耗性、抗破碎性及水稳特性，选用符合高速铁路设计规范要求的路基填料及对应的路基压实标准，以满足路基压实至规范高速铁路设计规定的最小压实度，符合路基承载力、填料颗粒的抗磨耗、抗破碎及路基排水性要求。
步骤3)，初拟基床表层厚度和基床底层厚度，通过轨道-路基动力解析模型计算路基顶面的列车动荷载。其中，所述高铁路基顶面列车动荷载需满足路基承载力要求。
所述步骤3)还包括：
判别计算得到的路基顶面列车动荷载是否满足高铁路基承载力要求。所述高铁路基顶面列车动荷载需满足路基承载力要求。
具体地，若计算得到的路基顶面列车动荷载满足地基承载力要求，则进行下一步路基稳定性设计；若路基顶面列车动荷载不满足承载力要求，则重新调整初拟的基床表层和基床底层厚度，重新计算路基顶面的列车动荷载，判别其是否满足高铁路基承载力要求；若仍不满足，则重新调整路基填料及压实标准，并调整基床表层和基床底层厚度，再重新计算路基顶面列车动荷载，然后重新判别其是否满足高铁路基承载力要求,重复上述优化步骤直至满足路基承载力要求为止，待计算获取的路基顶面列车动荷载满足路基承载力要求后，再进行下一步路基稳定性设计。
步骤4)，获取高铁路基内动应力及其分布情况。
在本实例中，采用2.5维或3维有限元分析模型计算高铁路基内动应力及其分布情况。
步骤5)，基于计算所获取的路基内动应力及其分布情况，分别计算基床表层动变形量w和高铁路基总变形量s。
具体地，基床表层动变形w计算方法如下：确定路基各层模量，基于所获取的路基内动应力及其分布情况，计算基床底层应变，然后根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中应变控制准则，将允许应变范围内当量空间中基床底层所需的上覆等效厚度作为基床表层厚度，最后结合基床表层应变计算基床表层动变形w。
利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型获取高铁路基总变形量s的过程包括：
采用分层总和法计算高铁路基的总变形量，首先基于所获取的路基内动应力及其分布计算路基各层的累积应变，然后根据路基各层的厚度转换为路基各层的累积变形。路基各层的累积应变利用考虑散粒体材料循环累积变形的力学-经验公式进行计算，计算公式如下：
其中，α,K按照下式进行计算：
式中，J2为偏应力张量第二不变量，I1为应力张量第一不变量，N为循环加载的次数，ε0,ρ,β,m及n为计算公式(1)的拟合参数，公式(2)中c,分别为路基填料粘聚力和内摩擦角(即填料的材料参数)；/>表征了偏应力作用下路基填料的软化响应，αI1+K表征了应力作用使路基填料硬化的效应；上述两参数反应了循环荷载作用下路基应力状态对路基循环累积变形的影响。
具体地，针对循环加载作用下的高铁路基，首先获取路基各层累积变形计算模型中的各项拟合参数(ε0,ρ,β,m及n)以及路基各层填料的材料参数然后基于所获取的路基内动应力及其分布情况，求取该应力状态下的偏应力张量第二不变量(J2)和应力张量第一不变量(I1)，最后基于上述计算公式(1)分别计算路基各层的累积应变。
根据路基各层的厚度将计算所得的路基累积应变转化为路基的累积变形，然后累加路基各层的累积变形，最后得到高铁路基的总变形量s。
特别地，然后需要说明的是，上述计算模型中的模型拟合参数(ε0,ρ,β,m及n)及路基各层填料的材料参数的确定均考虑了循环荷载作用的影响，上述参数均可通过室内单元体试验、有限元数值模型计算、现场试验及调研已有文献研究成果进行获取。
所述方法还包括：
判别基床表层动变形和高铁路基总变形量是否符合设计规范中规定的基床表层动变形临界值(Cw)和路基总变形量临界值(Cs)，若不满足，则需要重新计算基床表层动变形和路基总变形量，直至满足规范规定的要求为止。
具体地，计算所获取的基床表层动变形w和高铁路基总变形量s，分别满足小于现行《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中规定的基床表层动变形临界值和路基总变形量临界值，若满足规范规定要求，则完成了高铁路基设计；若不满足规范规定要求，则重新调整基床表层和基床底层厚度，并通过轨道-路基动力解析模型重新计算路基顶面列车动荷载，待其满足高铁承载力要求后再进行路基稳定性设计，即基于2.5维或3维有限元分析模型，大幅提升路基内动应力的计算精度，并确定路基动应力的分布，然后据此计算了基床表层动变形w，并利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型，计算高铁路基的总变形量s，然后重新判别其是否满足规范规定的要求；若仍不满足，则需重新调整路基填料的种类和压实度，并调整基床表层和基床底层的厚度，然后重新计算路基顶面列车动荷载，待其满足高铁路基承载力要求后，再基于2.5维或3维有限元分析模型计算高铁路基内动应力及其分布情况，然后分别计算基床表层的动变形w和高铁路基的总变形量s，重新判别其是否满足规范的要求，直至计算获取的基床表层动变形w和高铁路基总变形量s满足规范规定的要求为止，即完成高速铁路路基的设计。
综上所述，本发明根据线路所在区域的地域特征和运输需求，确定了轨道的结构形式、路基横断面形状及宽度，并据此确定了路基填料和压实标准，然后根据初拟的基床表层和基床底层厚度，采用轨道-路基动力解析模型计算了路基顶面列车动荷载，待其满足高铁路基承载力要求，然后基于2.5维或3维有限元分析模型，计算了高铁路基内动应力及其分布，据此确定了基床表层动变形w，同时利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型计算了高铁路基的总变形量s，然后分别判别w和s是否满足小于规范规定的基床表层动变形和路基总变形量的临界值，通过调整路基填料、路基各结构层压实度及厚度，重新计算路基顶面列车动荷载、基床表层动变形及路基总变形量，直至满足路基承载力和规范规定的要求为止，即完成了高速铁路路基的设计。
相较于忽略运营期内循环列车荷载作用下服役路基土体循环累积变形影响且设计精细化程度较低的传统高铁路基设计方法，本发明基于轨道-路基动力解析模型，大幅提升了路基面列车动荷载的计算精度，并基于2.5维或3维有限元分析模型，大幅提升了路基内土体动应力的计算精度，同时确定路基动应力分布，基于此大幅提升了基床表层动变形的计算精度，然后利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型，有效考虑了运营期内循环列车荷载对路基土体循环累积变形的影响，并计算了高铁路基循环累积变形，有效提升了高铁路基承载力设计、高铁路基基床表层动变形及高铁路基累积变形控制的安全性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
确定线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，并据此确定路基填料及压实标准；初拟基床表层和基床底层厚度，并计算高铁路基顶面的列车动荷载；
获取路基内动应力及其分布情况，据此计算基床表层动变形，并利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型获取高铁路基的总变形量；
利用考虑土体循环累积变形的力学-经验模型获取高铁路基总变形量的过程包括：
采用分层总和法计算高铁路基的总变形量，首先基于所获取的路基内动应力及其分布并利用考虑散粒体材料循环累积变形的力学-经验公式计算路基各层的累积应变，公式如下：
其中，α,K按照下式进行计算：
式中，J2为偏应力张量第二不变量，I1为应力张量第一不变量，N为循环加载的次数，ε0,ρ,β,m及n为计算公式(1)的拟合参数，公式(2)中c,分别为路基填料的粘聚力和内摩擦角；表征了偏应力作用下路基填料的软化响应，αI1+K表征了应力作用使路基填料硬化的效应；
根据路基各层的厚度将计算所得的路基累积应变转化为路基的累积变形，然后累加路基各层的累积变形，最后得到高铁路基的总变形量s。
2.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，确定线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度的过程具体为：
基于高铁线路所在区域的地域特征和运输需求，确定线路的轨道结构形式，所述线路的轨道结构形式包括有砟轨道和无砟轨道；
考虑路基稳定性、线路养护情况、安全线间距、曲线超高设置、通信信号和电力电缆槽布置、接触网立柱和声屏障基础在内的因素，确定路基横断面形状及宽度。
3.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，根据线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度确定路基填料及压实标准的过程具体为：
基于线路的轨道结构形式、路基横断面形状及宽度，考虑路基填料的级配、强度、弹性模量、抗磨耗性、抗破碎性及水稳特性，选用符合高速铁路设计规范要求的路基填料及对应的路基压实标准，以满足路基压实至规范高速铁路设计规定的最小压实度，符合路基承载力、填料颗粒的抗磨耗、抗破碎及路基排水性要求。
4.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，初拟基床表层和基床底层厚度，并计算高铁路基顶面列车动荷载的过程包括：初拟基床表层和基床底层的厚度，通过轨道-路基动力解析模型计算路基顶面的列车动荷载。
5.根据权利要求1或4所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，确定高铁路基顶面列车动荷载还包括：判断计算所得路基顶面列车动荷载是否满足高铁路基承载力要求；
若高铁路基顶面列车动荷载不满足路基承载力要求，则需进行以下优化步骤：
重新调整初拟的基床表层和基床底层厚度，重新计算路基顶面的列车动荷载，判别其是否满足高铁路基承载力要求；若仍不满足，则重新调整路基填料及压实标准，并调整基床表层和基床底层厚度，再重新计算路基顶面列车动荷载，然后重新判别其是否满足高铁路基承载力要求,重复上述优化步骤直至满足路基承载力要求为止。
6.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，获取路基内动应力及其分布情况包括：采用2.5维或3维有限元分析模型计算高铁路基内动应力及其分布情况。
7.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，计算基床表层动变形的过程包括：确定路基各层模量，基于所获取的路基内动应力及其分布情况，计算得到基床底层应变，然后根据应变控制准则，将允许应变范围内当量空间中基床底层所需的上覆等效厚度作为基床表层厚度，最后结合基床表层应变计算基床表层动变形。
8.根据权利要求1所述的面向长期服役性能的高铁路基力学-经验设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
判定基床表层动变形和高铁路基总变形量是否符合设计规范中规定的基床表层动变形临界值和路基总变形量临界值；
若不满足设计规范规定的要求，重新调整初拟的基床表层和基床底层厚度，重新计算路基顶面的列车动荷载，使其满足高铁路基承载力要求后，再计算高铁路基内动应力及其分布情况，然后分别计算基床表层动变形w和高铁路基总变形量s，并重新判别其是否满足设计规范规定的要求；
若仍不满足，则重新调整路基填料及压实标准，并调整基床表层和基床底层厚度，再重新计算路基顶面的列车动荷载，使其满足高铁路基承载力要求后，再计算高铁路基内动应力及其分布情况，然后分别计算基床表层动变形w和高铁路基总变形量s，重复上述优化步骤直至满足设计规范为止，即完成高速铁路路基的设计。
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