高速铁路路基结构设计方法技术

本发明专利技术涉及一种高速铁路路基结构设计方法，包括确定高速铁路路基结构形式，确定路基面荷载分布形式；建立多层路基系统模型；建立单层土体应力应变关系解析解；提出考虑各层材料差异的路基应力与位移表达式；考虑路基填料应变与变形模量的非线性关系，构建基于迭代计算的路基结构设计方法；基于路基面动变形与基床底层动应变综合控制准则，优化路基结构。本发明专利技术的设计方法基于多层系统理论，能够更合理的表征路基基床各层结构在服役过程中的物理规律，经济有效的给出路基设计的最优结果，同时保证高铁路基设计的平稳性与高效性。

Design method of subgrade structure of high speed railway

【技术实现步骤摘要】
高速铁路路基结构设计方法
本专利技术涉及高速铁路
，尤其涉及一种高速铁路路基结构设计方法。
技术介绍
路基是铁路的基础，关系到铁路的安全、高效运行。路基是轨道结构的基础，随着列车运行速度的不断提高，特别是高速铁路的应用，要求路基结构要为上部结构提供更加平顺而稳定的支撑，路基的合理设计与填筑工程的压实质量是决定其结构性能好坏的根本。当前，针对高铁路基的设计方法，主要采用控制路基面动变形和基床底层动应变的设计准则，但是进行了大量的简化，并没有科学经济的基床结构计算办法，对于同一级的铁路，基床只做了统一的规定。而对于高速铁路路基基床结构在长期循环荷载作用下的服役性能的评估缺少科学有效的研究方法。另外，高速铁路路基基床的设计的经济性要求与安全性要求是互相矛盾的两个因素，如何寻求两者之间的合理平衡也是高度铁路路基基床设计工作所要解决的关键问题，及给出基床结构设计的最优解。目前高速铁路路基基床设计的主要流程为：（1）确定路基面初始动荷载；（2）确定基床表层的计算模量；（3）确定基床底层的计算模量；（4）基于空间的当量假定，对层状体系作当量转化；（5）计算当量空间的应力；（6）计算应变；（7）确定基床底层所需等效覆盖层厚度；（8）确定基床表层厚度；（9）计算路基面动变形；（10）基于路基面动变形与基床底层动应变综合控制准则，调整路基基床设计厚度。该方法主要是根据下层的情况来设计上层的厚度，如为复合表层，一般也综合为一层。对于模量的选取，室内试验与实测数据，根据弹性假设和Odemark模量与层厚当量假定，并经验性的考虑应变水平对模量大小的影响，并未进行系统的理论推导。当前，针对高铁路基的设计方法，主要采用控制路基面动变形和基床底层动应变的设计准则，但是进行了大量的简化。荷载计算：未考虑真正意义上的振动荷载，而是简化成动应力幅值公式，并通过静轴重和冲击系数来反应列车特性，并通过弹性力学解析解公式（boussinesq公式）来大致确定路基内部各结构层应力水平。模量计算：采用Odemark的模量与厚度当量假定，将不同模量的层状结构等效成均质半空间体，考虑应变水平对模量大小的非线性影响，对模量进行选取。从而给出能够满足变形和应变要求的路基压实质量，以达到对路基变形条件的控制。控制指标：高速铁路路基建设期压实质量由物理(压实系数K、相对密度Dr、孔隙率n)和力学(地基系数k30、变形模量Ev2、动态变形模量Evd)双指标进行控制。据此，《高速铁路设计规范》给出了满足高铁运行安全与稳定的不同指标限值，但是由于没有适当的基床结构计算办法，对于同一级的铁路，基床只做了统一的规定。而且，由于传统的点式检测路基压实质量的方法速度较慢，且无法对路基的均匀性进行合理评价，常常对路基的填筑进度有制约作用。鉴于上述，当前的路基设计方法，尚以经验性为主，尤其是将基床表层与底层材料的模量采用当量空间上的等效转化之后，其转化结果的可靠性缺乏科学的评判，此外对列车荷载作用下路基结构长期服役性能的准确评估也鲜有系统研究。因此，亟待开发一套考虑多层结构差异性的高铁路基结构设计方法。
技术实现思路
针对高速铁路路基基床结构设计方法在明确表征基床各层材料物理力学状态方面有所欠缺的问题，本专利技术提出了一种高速铁路路基结构设计方法。考虑到基床结构设计的科学性和经济性等方面的诸多因素，考虑路基结构层与层之间材料差异的客观物理规律，建立基床粗颗粒填料动应变与动剪切模量相关关系，基于反复迭代的思想优化基床各层结构设计参数。为达到上述目的，本专利技术提供一种高速铁路路基结构设计方法，包括：（1）确定高速铁路路基结构及路基面荷载分布形式；（2）建立单层土体动应变关系表达式；（3）建立考虑各层材料差异的层间应力与位移表达式，利用剪切弹簧模型定义层间关系；（4）基于试验数据拟合获得路基填料动应变与土体变形模量的非线性关系模型；（5）建立路基面动变形、基床底层动应变以及最大应变约束准则；（6）选取基床底层和表层的初始变形模量和初始厚度；（7）通过单层土体动应变关系表达式和层间应力与位移表达式计算获得表层与底层的动应变；j表示迭代次数；（8）采用非线性关系模型基于基床表层与底层的动应变求解变形模量；（9）判断基床表层与底层的与的偏差是否满足阈值要求，如果不满足，则更新变形模量为并返回步骤（7）计算表层与底层的动应变；如果满足则完成迭代计算，进入步骤（10）；（10）判断是否满足所述最大应变约束准则，如果不满足，则增加基床底层和表层的变形模量和厚度，并返回步骤（7）；如果满足，则比较步骤（9）计算得到的路基动变形、基床底层动应变值与最大约束准则限值的差值，如果差值控制在30%以内，则认为此时的基床底层和表层变形模量和厚度设置合理，设计完成；如果差值超过30%，则减小基床底层和表层变形模量和厚度，返回步骤（7）。进一步地，高速铁路路基基床结构形式为有砟轨道。进一步地，所述单层土体动应变关系表达式包括：将荷载作用于路基面的情况假设为一竖向集中力P，则半空间内任意一点M（x，y，z）处的6个应力分量和3个位移分量，如下式：式中：θ为地表以下任意一个点与荷载作用位置连线和竖直方向的夹角，E为土体变形模量；为土体泊松比；R为竖向集中力作用点O到M点的距离；G为土体剪切模量；，，分别表示x，y，z三个方向的应力分量；，，，，，分别表示x向y方向，y向x方向，y向z方向，z向y方向，z向x方向，x向z方向的应力分量；，，分别表示xyz三个方向的位移分量。进一步地，考虑各层材料差异的层间应力与位移表达式包括：在x和y方向上，路基第i层和第i+1层之间的夹层属性定义为：式中：αxi和αyi分别是第i层x和y方向上的层间系数，α等于0表示完全咬合的状态，α等于1表示完全滑移的状态，因此层间系数范围为0到1，上标2表示第i层底部，上标1表示第i+1层顶部；表示第i层x方向的泊松比，表示第i层y方向的泊松比，表示第i层底部x方向的泊松比，表示x向方向第i层底部的应力分量；参数为：式中：a和b分别为多层土体中荷载作用区域的长度和宽度，表示厚度为h的第i层土体的泊松比，表示厚度为h的第i层土体的变形模量。进一步地，非线性关系模型的获得包括：基于路基填土动三轴试验数据，采用Hardin模型时，提取每级加载过程中的轴向应力峰值和轴向动应变峰值；根据公式，计算得到动剪应力幅值和动剪应变幅值，将上述得到的每级加载中的应力和动应变，按式进行线性回归分析，得到参数和；拟合出的骨干曲线为，通过拟合出的参数和计算各模型参数：最大动剪切模量，最终应力幅值，参考剪应变，得到割线动剪切模量表达式为，其中为归一化割线动剪切模量；根据得到。进一步地，路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速铁路路基结构设计方法，其特征在于，包括：/n（1）确定高速铁路路基结构及路基面荷载分布形式；/n（2）建立单层土体动应变关系表达式；/n（3）建立考虑各层材料差异的层间应力与位移表达式，利用剪切弹簧模型定义层间关系；/n（4）基于试验数据拟合获得路基填料动应变与土体变形模量的非线性关系模型；/n（5）建立路基面动变形、基床底层动应变以及最大应变约束准则；/n（6）选取基床底层和表层的初始变形模量和初始厚度；/n（7）通过单层土体动应变关系表达式和层间应力与位移表达式计算获得表层与底层的动应变

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路路基结构设计方法，其特征在于，包括：
（1）确定高速铁路路基结构及路基面荷载分布形式；
（2）建立单层土体动应变关系表达式；
（3）建立考虑各层材料差异的层间应力与位移表达式，利用剪切弹簧模型定义层间关系；
（4）基于试验数据拟合获得路基填料动应变与土体变形模量的非线性关系模型；
（5）建立路基面动变形、基床底层动应变以及最大应变约束准则；
（6）选取基床底层和表层的初始变形模量和初始厚度；
（7）通过单层土体动应变关系表达式和层间应力与位移表达式计算获得表层与底层的动应变；j表示迭代次数；
（8）采用非线性关系模型基于基床表层与底层的动应变求解变形模量；
（9）判断基床表层与底层的与的偏差是否满足阈值要求，如果不满足，则更新变形模量为并返回步骤（7）计算表层与底层的动应变；如果满足则完成迭代计算，进入步骤（10）；
（10）判断是否满足所述最大应变约束准则，如果不满足，则增加基床底层和表层的变形模量和厚度，并返回步骤（7）；如果满足，则比较步骤（9）计算得到的路基动变形、基床底层动应变值与最大约束准则限值的差值，如果差值控制在30%以内，则输出此时的基床底层和表层变形模量和厚度，设计完成；如果差值超过30%，则减小基床底层和表层变形模量和厚度，返回步骤（7）。


2.根据权利要求1所述的高速铁路路基结构设计方法，其特征在于：高速铁路路基基床结构形式为有砟轨道。


3.根据权利要求1或2所述的高速铁路路基结构设计方法，其特征在于：所述单层土体动应变关系表达式包括：
将荷载作用于路基面的情况假设为一竖向集中力P，则半空间内任意一点M（x，y，z）处的6个应力分量和3个位移分量，如下式：



式中：θ为地表以下任意一个点与荷载作用位置连线和竖直方向的夹角，E为土体变形模量；为土体泊松比；R为竖向集中力作用点O到M点的距离；G为土体剪切模量；，，分别表示x，y，z三个方向的应力分量；，，，，，分别表示x向y方向，y向x方向，y向z方向，z向y方向，z向x方向，x向z方向的应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶阳升，张千里，蔡德钩，韩自力，魏少伟，闫宏业，尧俊凯，陈锋，姚建平，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，中国铁道科学研究院集团有限公司，北京铁科特种工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11