高速铁路路基动态评定方法与流程

本发明涉及高速铁路无砟轨道路基动态评定技术领域，具体涉及高速铁路路基动态评定方法。

背景技术：

我国早期修建铁路时，在长期“重桥隧轻线路，重线路轻路基”的偏向下，新线建设中并没有把路基当成土工构筑物来对待，在路基修筑时选用的填料性能优劣不一，常常就近取土填筑路基，致使新修的路基强度偏低，变形较大。随着我国高速铁路的发展，列车的安全、高速运行对线路提出了更为严苛的要求，包括高速铁路系统的各个方面的高可靠性以及线路的稳定性与平顺性。作为线路的基础，高速铁路对路基也提出了更高的要求：强度高、刚度大、稳定性、耐久性好，不易变形。因此，在高速铁路正式运营前，需要对路基的性能进行评定，为上部基础提供稳定的支撑。

国内外对于高速铁路路基的评定标准中，日本为避免路基表面沥青混凝土层的开裂，借鉴公路沥青路面的经验，通过挠曲角度，将公路路面弹性变形0.5mm的控制开裂标准转换到铁路荷载的情况，得到路基面动变形小于2.5mm的沥青混凝土强化基床的弹性变形控制标准，以此来设计基床表层的厚度。在我国的高速铁路前期研究中则取3.5mm作为控制值。不管是2.5mm还是3.5mm，均不是轨道结构的使用要求，而且在国内外所作的大量测试，包括普通土质基床表层在内，路基的动变形一般仅为1mm左右，在采用级配碎石等强化基床表层时动变形更小，如要求动变形小于2.5mm，在实际上可能很容易满足，缺乏实际控制的意义。

技术实现要素：

路基动态评定参数较多，如动载荷、动变形、动应力、振动速度、振动加速度，通过一定的控制准则，选取其中的参数进行控制，保证列车高速运行时路基稳定性。为解决上述问题，本发明提供了一种高速铁路路基动态评定方法。本发明通过确定高速铁路路基的控制原则，结合高速铁路对基础工程的要求，根据路基填料的性质，以控制填料的动应变为主，使不同填料的动应变不超过土体的临界动应变。高速铁路无砟轨道路基填料临界动应变控制原则，即通过控制基床内的应变值不超过临界应变，保证填料在弹性范围内工作。基于动应变控制的路基面动变形限值，通过选取合适的参数以及现场实测数据验证，建立路基基床内应变与路基面动变形的对应关系，从而得到动变形限值。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种高速铁路路基动态评定方法，包括如下步骤：

测量得到检测位置的路基面动载荷和路基动变形实测值；

基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数；

根据所述路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数，获得所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系；

根据所述最终结构参数，获得路基临界动应变；

根据所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系、以及所述的路基临界动应变，得到所述检测位置的路基动应力的限值；

基于所述路基动应力的限值，得到路基动变形的限值；

将所述路基动变形实测值与所述路基动变形的限值进行比较，使所述路基动变形实测值不大于所述路基动变形的限值。

进一步的，所述基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数的步骤包括：

设定所述路基各层结构的初始结构参数，基于所述初始结构参数和所述检测位置的路基面动载荷，获得所述检测位置的计算的路基动变形值；

基于所述检测位置的计算的路基动变形值，获得所述检测位置的计算的路基动应力值；

若所述检测位置的计算的路基动应力值在所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍和所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍之间，则证明所述的初始结构参数设定合适，该初始结构参数即为最终结构参数;

若所述检测位置的计算的路基动应力值大于所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍或小于所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍，则对该初始结构参数进行调整，直至所述检测位置的计算的路基动应力值在所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍和所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍之间，此时的结构参数即为最终结构参数。

进一步的，所述方法还包括：改变所述动载荷的大小，通过有限元分析获得动载荷下的动应变的变化规律。

进一步的，所述改变所述动载荷的大小，通过有限元分析获得动载荷下的动应变的变化规律的步骤包括：

（1）建立有限元模型，确定动载荷和路基各层结构的结构参数；

（2）计算所述动载荷作用下路基的动变形值和动应变值，找出路基内最大应变的位置，获得所述最大应变与支承层边缘处的路基动变形值；

（3）改变所述动载荷值，重复步骤（2），获得改变后的所述最大应变与支承层边缘处的路基动变形值；

（4）通过多次改变所述动载荷值，找出不同动载荷作用下的最大应变与支承层边缘处的路基动变形值，通过线性拟合，获得最大应变与路基动变形值的对应关系。

进一步的，所述结构参数包括模量和泊松比。

综上所述，本发明提供了一种高速铁路路基动态评定方法。首先测量得

到检测位置的路基面动载荷和路基动变形实测值；基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数；根据所述路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数，获得所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系；根据所述最终结构参数，获得路基临界动应变；根据所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系、以及所述的路基临界动应变，得到所述检测位置的路基动应力的限值；基于所述路基动应力的限值，得到路基动变形的限值；将所述路基动变形实测值与所述路基动变形的限值进行比较，使所述路基动变形实测值不大于所述路基动变形的限值。本方法在充分考虑高速铁路路基要求及路基填料性质基础上，结合现场实际测试条件，合理确定测试位置及参数标准，可以快速准确地确定路基动力性能，评价路基的适用性。

本方法根据铁路路基填料的力学特性及受力特征，确定基床内的应变控制准则，区别于以往的强度和变形控制准则，并且确定了临界应变的试验方法，结合有限元计算以及现场实测数据，将临界应变转换为路基面的动变形和动应力，路基面的动变形和动应力能够直接进行测试和应用。

与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：

（一）针对高速铁路无砟轨道对沉降的严格要求，使得路基在列车荷载作用下不产生累积变形，从而保证线路的长期稳定。

（二）临界应变通过动三轴试验获得，同时在填料材质相似的情况下也可以参考其他填料的成果。

（三）由于填料中应变无法直接测试，提出了利用应变与动变形、动应力

的关系，从而通过有限元分析获得动变形和动应力的限值，使得这一控制方法能够在实际测试中应用。

（四）简化了现场测试的位置选取，将易于测试的位置的动变形、动应力

与动应变建立对应关系，避免了以往在路基动变形最大位置处进行测试时必须进行的开挖与回填，提高了测试的效率。

附图说明

图1是本发明的高速铁路路基动态评定方法的流程图；

图2是本发明的无砟轨道路堤标准横断面示意图；

图3是本发明的基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数的方法的流程图；

图4是本发明的无砟轨道路基动应力实测值与计算值的波形图；

图5是本发明的路基动变形实测值与动应变之间的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

技术术语解释：

围压：围压是指岩石的周围岩体对它施加的压力。

主应力：物体内某一点以法向量为n=(n1，n2，n3)的微面积元上剪应力为零时的法向应力。这时，n的方向称为这一点的应力主方向。

动变形：构件在动载荷作用下产生的应力和变形分别称为动应力和动变形。

应力：物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。

本发明提供了一种高速铁路路基动态评定方法，该方法包括如下步骤，如图1所示：

步骤s100,测量得到检测位置的路基面动载荷和路基动变形实测值。

将所述的路基面动载荷和路基动变形实测值作为路基有限元分析计算的输入。

无砟轨道路堤标准横断面如图2所示。

步骤s200,基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数。

具体的，包括如下步骤，如图3所示：

步骤s210，设定所述路基各层结构的初始结构参数，基于所述初始结构参数和所述检测位置的路基面动载荷，获得所述检测位置的计算的路基动变形值；

步骤s220,基于所述检测位置的计算的路基动变形值，获得所述检测位置的计算的路基动应力值；

步骤s230，若所述检测位置的计算的路基动应力值在所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍和所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍之间，则证明所述的初始结构参数设定合适，该初始结构参数即为最终结构参数;

步骤s240，若所述检测位置的计算的路基动应力值大于所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍或小于所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍，则对该初始结构参数进行调整，直至所述检测位置的计算的路基动应力值在所述检测位置的路基动应力实测值的0.8倍和所述检测位置的路基动应力实测值的1.2倍之间，此时的结构参数即为最终结构参数。

具体的，如图2所示，以双块式无砟轨道为例，图4显示了无砟轨道路基动应力实测值与动应力计算值的波形图。

具体的，路基各层结构的结构参数如表1所示。

所述结构参数包括模量和泊松比。

步骤s300,根据所述路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数，获得所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系，从而获得所述检测位置的路基动变形实测值与动应变之间的关系。

具体的，如图5所示，显示了路基动变形实测值与动应变之间的关系。

步骤s400,根据所述最终结构参数，获得路基临界动应变。

具体的，通过动三轴试验，调整主应力及围压，获得基床内填料的临界动应变。

确定高速铁路路基的控制原则，根据路基填料的性质，结合高速铁路对基础工程的要求，以控制填料的动应变为主，使不同填料的动应变不超过土体的临界动应变，即，为计算的动应变，最大动应变位于基床底层，为临界动应变。

步骤s500,根据所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系、以及所述的路基临界动应变，得到所述检测位置的路基动应力的限值。

步骤s600,基于所述路基动应力的限值，得到路基动变形的限值。

路基动变形实测值能够通过直接测试获得，从而获得路基动应力实测值，因此将临界动应变对应的路基的动变形实测值作为路基动变形的限值、将临界动应变对应的路基的动应力实测值作为路基动应力的限值。

具体的，如表2所示，表示动应力、路基动变形实测值和动应变。

表2基床内动应力、路基动变形实测值和基床内动应变

步骤s700,将所述路基动变形实测值与所述路基动变形的限值进行比较，使所述路基动变形实测值不大于所述路基动变形的限值。

所述方法还包括：改变动载荷的大小，通过有限元分析获得动载荷下的动应变的变化规律。

所述改变动载荷的大小，通过有限元分析获得动载荷下的动应变的变化规律的步骤包括：

（1）建立有限元模型，确定动载荷和路基各层结构的结构参数；

（2）计算该动载荷作用下路基的变形值和路基内的应变值，找出路基内最大应变的位置，获得所述最大应变与支承层边缘处的路基动变形值；

（3）改变该动载荷值，重复步骤（2），获得改变后的所述最大应变与支承层边缘处的路基动变形值；

（4）通过多次改变动载荷值，找出不同动载荷作用下的最大应变与路基动变形值，通过线性拟合，获得最大应变与路基动变形值的对应关系。

综上所述，本发明提供了一种高速铁路路基动态评定方法，一种高速铁路路基动态评定方法，首先测量得到检测位置的路基面动载荷和路基动变形实测值；基于所述检测位置的路基面动载荷、路基动变形实测值确定路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数；根据所述路基动应力实测值以及路基各层结构的最终结构参数，获得所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系；根据所述最终结构参数，获得路基临界动应变；根据所述检测位置的路基动应力实测值与动应变之间的关系、以及所述的路基临界动应变，得到所述检测位置的路基动应力的限值；基于所述路基动应力的限值，得到路基动变形的限值；将所述路基动变形实测值与所述路基动变形的限值进行比较，使所述路基动变形实测值不大于所述路基动变形的限值。本方法在充分考虑高速铁路路基要求及路基填料性质基础上，结合现场实际测试条件，合理确定测试位置及参数标准，可以快速准确地确定路基动力性能，评价路基的适用性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。