永久性冻土地区铁路路堤在车辆装载作用下永久变形的分析外文翻译资料

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永久性冻土地区铁路路堤在车辆装载作用下永久变形的分析

Wei Ma *，Tuo Che

兰州重点冻土工程实验室，寒冷和干旱地区环境和工程研究协会。中国甘肃兰州730000

函授:博士Wei Ma,,教授寒冷和旱区环境与工程研究所、中国科学院。中国甘肃兰州西东港路320号730000电话: 86-931-4967262;电子邮件:mawei@lzb.ac.cn

摘要

通过在青海高原铁路的beilu河段传统砂砾石路堤上的大规模动力学实验，我们收集了在火车经过时铁轨旁的加速动力波。动力火车装载被转变为等价的蠕变应力，使用等价的静力方法。而且，冻土蠕变方程式根据冻土流变学的三维测试结果而被大家所知。一个耦合的基于时间硬化力量功能和Druker-Prager范畴和失败标准的蠕变模型被建立起来，为了分析素填土路堤在重复的货车装载下的蠕变效应。永久冻土地区路堤的温度范围被设定在当前地热的条件下。因此，路堤在火车的装载下的永久变形就被留下了，并且在火车装载下的永久变形对于整个路堤的变形也可以被分析。

关键词：货车装载 永久变形 蠕变效应 永久冻土地带

引言:

作为在寒冷地区的一个代表性项目，青藏铁路是实现中国西部发展战略的里程碑。

作为世界上最高和最长的高原铁路，青藏铁路的格尔木到拉萨部分长1142公里，其中550公里穿越连续永久性冻土的广大地区（永久性冻土的不冻层地区是101.68千米）。路基的长度占了永久冻土地区全长的72.3%，（cheng，2002；wang LM et al.，2009）. 源于高速火车运行的路堤动力学振动和变形是科学调查的一个关键领域。例如，在永久性冻土地区的一些部分，冻土的沉陷和裂缝在青藏铁路开通后的两个月之内发生了。因此，路堤在火车装载振动下的动力学回应和变形特点的科学合理研究是永久性冻土地区的的铁路路堤的稳定很重要。我们关于在火车装载下，尤其是短暂的动力学回应和变形原理的路堤变形特点的研究，论证了被反复的货车货载引起的变形是永久的。因此在长期火车装载的路堤蠕变效应应该被更多的研究作为主题。

铁路路堤的动力学回应和变形已经被之前的很多研究研究过。例如，Liet al（2008）研究了青藏铁路沿线的路堤温度范围，通过应用有限个因素的方法。孔隙水压力，压力，以及取代的振动的动力学特点也被分析得出，结合温度范围的分布。在一个3D有限因素模型被Shi（2011）提出，为了模仿在青藏铁路沿线的永久冻土地区，反复的载货的条件下，火车轨道路堤的稳定性，还有温度和含冰量的影响也被讨论过。Gu（2009）研究了土地温度在冰冻地区的路堤动力学回应的影响，这个动力学系统，包括枕轨和道床路堤地面系统，被YU(2006)描述来讨论火车装载引起单位路堤振动回应，和影响此回应的主要因素。Wang et al.（2002）使用了一个2D模型，它是一个在不同土质条件下的冻土，考虑蠕变变形，数字变形和即时变形。Wang LN et ah (2009) and Zhu (2009)的振动响应监控跟踪枕木、路堤和列车引起的地面动态加载青藏高原冻土地区和大庆季节性冻土地区。现场监测和时间数据,他们调查了振动响应水资源not;载波和冻土的影响层。然而,研究堤防列车荷载作用下的累积变形根据评估的实际振动加载仍处于探索阶段。

基于这些研究,以季度为例,我们进行了一项研究铁路路基永久变形的车辆反复荷载作用下冻土地区。使用强震动数据实时获得的强震动测试,列车载荷转化为一个等价的力量。平原填路堤的蠕变效应模拟冻土蠕变模型加上凝固时间幂函数规则德鲁克-普拉格屈服和失效准则。列车荷载作用下路基的累积变形,以及动态的影响列车装载了获得的总变形路堤。

2冻土蠕变模型

冻土的蠕变特性之前调查(吴和马,1994)。根据相关研究,粘塑性的应变增量{ ds }vp可以表示如下（Li，2009）

{der = {dey =d7^c (1)

der相当于蠕变应变增量,指的是等效应力。

土壤列车荷载作用下的应力很小,土壤的蠕变主要是粘弹性蠕变,可获得根据蠕变方程如下:

— __c

e^C. a^[1] -t^Ci e ^{T (2)}

Cu,C2,C3和C4蠕变试验的系数,t代表时间,T是指土壤温度。

蠕变应变率可以通过计算得到的微分方程(2),可以表示如下:

-c

e^c =C_rC₃ a ² ■ t^c^ ■ e ^{T (3)}

3 土壤耦合蠕变模型

岩土材料可能在一定条件下蠕变。当加载速率相同的顺序的蠕变时间尺度,塑性和蠕变方程必须解决使用过程耦合的解决方案。有限元分析蠕变模型,可以用来增加德鲁克-普拉格可塑性等问题。

3.1 凝固点蠕变规律

凝固点模型的蠕变速率可以表示如下：(Liao and Huang, 2008)

指的是等效蠕变应变率和,n,m模型参数。通常,参数gt; 0,n gt; 0,- lt; m lt; 0。

蠕变定律时可以使用材料的应力基本上维持不变。在有限元数值计算,火车装载应被视为一个等价的力量。结合方程(4)和冻土的蠕变方程(3)的冻土参数凝固模型可以转换为:

3.2蠕变流潜在

德鲁克-普拉格蠕变模型使用一个双曲蠕变流可能确保蠕变(变形)流向总是独特的定义:

sigma;0初始屈服应力,被德鲁克—普拉格定义为硬化点的选择，Psi;—P-Q面的膨胀角，

4 有限元数值模型和参数

4.1有限元数值模型

典型的路堤沿四分之一在冻土地区被选为研究的对象。一个分析模型建立了基于钻孔数据和铁路路基结构,如图1所示。根据工程地质条件(Zhang et ai,2007),土层分布是确定为粉土、粉质粘土、泥和饱经风霜的石头从上到下,冻土上限分别位于3 m在地面以下。仿真进行了假设平面应变。侧边界条件用无限边界元素减少边界条件的影响,反射波动的边界也减少(达索,2010;范和张,2010年)。底部边界使用人工边界条件。有限元模型中包含2220个元素和2220节点和元素的大小设置为lmxlm。

图1路堤模型,(a)固体模型;(b)有限元模型(单位:米。f表示不同位置)

在有限元numencal计算,路堤的蠕变特征的分析不能加上实时温度, 由于火车大区别加载时间和时间参与实际的研究项目。解决时间尺度问题,初始温度条件被认为这个模型。温度设定等于初始条件下重复列车载荷。

模型中各土层的温度条件定义根据地面温度曲线的井眼中心的路堤,如图2所示。冻土的温度设置为1°C,活跃层设置为2°C,在解冻状态。在数值计算中,土壤力学参数有不同土壤层次基于温度。

温度(°C)

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

图2地面钻孔温度曲线在路堤的中心。

4.2土壤材料参数

在有限元数值计算,土壤力学参数选择的基础上动态三轴试验的结果在低温下(Xu et al., 1998).。土壤被认为是一种弹塑性介质适合德鲁克—普拉格标准。数值分析的土壤力学参数如表1所示,tanybeta;和具体参数,计算d和C从方程(10)和(11),基于莫尔-库仑准则(Zhao et al., 2005).

土壤蠕变参数的数值计算确定从冻土三轴流变试验(Zheng et aI., 2006; Zhang et al., 2012).。土壤在数值分析的参数如表2所示。

Table 2 Soil creep parameters in the study area

Note: Parameters are as defined in Section 3.1.

5等效荷载法

堤防的长期固定在列车荷载作用下动力学理论不是一个短暂的问题,这可以归因于蠕变问题。列车荷载的影响可以被视为等效静荷载在道路工程中,转化为等效应力(Liao and Huang, 2008)。分析冻土的变形可以通过使用一个蠕变模型。

动态训练负荷是一个复杂的问题。它涉及许多因素,如车轴重量,悬架系统,旅行速度,轨道结构,几何不规则的线条。它是可行的在我们的数值计算,将路面上的训练负荷的力,而忽视了上述因素的影响。

根据强震动数据实时获得的强震动测试在一个典型的路堤沿2009年温暖的季节,火车载荷转化为一个等价的力量。图3显示了垂直加速度波形记录的肩膀一列火车经过时路堤;峰值加速度的肩膀路堤是220米/ s2。

加速度曲线可以被视为定值,和动态列车荷载转化为等效蠕变力F,利用等效静力法。在数值计算中使用方程(12),F的方向是向下的。

F代表等效蠕变力,m是指单位体积质量的土壤,和加速度包络的平均值。

图3垂直加速度波形记录在一个铁路的肩膀。

在数值分析中,路基的重力应力场进行了计算。整合重力的影响下已经完成,没有产生蠕变。重力应力场没有添加在随后的蠕变计算。根据等效力法,在蠕变分析阶段均布荷载F路基表面模型的应用上。基于垂直加速度波形记录在列车通过时的肩膀,而忽视培养类型的影响,列车荷载的时间被认为是30年代/旅行,每天16次四分之一。基于这样的假设,重复训练载荷下的路堤的变形特征进行了研究。

6数值结果

6.1位移响应

为了保证列车的稳定和安全运行四分之一,路堤变形应该理性分析。路基沉降变形的发展,以及路堤的永久变形进行了分析。

堤防的垂直振动位移列车重复载荷下应该更多的研究的主题。图4显示点的位移时间曲线在292000辆列车通过中心的路基顶面;图5显示点的位移时间曲线在292000辆列车通过路基的肩膀的中心。可以看到,蠕变变形趋势是相同的。然而,变形的数量的变化取决于位置。变形的中心路基顶面更大,达到2.08厘米,比在路肩,只是1.42厘米。此外,最大变形速率发生在第一阶段(10000辆火车经过),和变形速率随着时间有所下降。

为了避免重复,点B E的蠕变时间曲线在不同深度下路堤并不在这里。他们一样的点,这是中心的路基顶面;B点是位于自然路基表面;和C点位于冻土上限。图6显示了垂直位移的分布以及不同深度在路基内,并可以看出,列车荷载对路基的变形的影响与深度的增加逐渐下降。

蠕变位移点后Es 292000列车荷载(50年来累计交通量)可能达到2.09厘米,1.30厘米,1.16厘米,0.52厘米,0.24厘米。不同观测点的变形特征表明,铁路通车后,第一个路堤变形是由于自身的重量和火车装载。随着加载时间的增加,变形增加,然后进入蠕变阶段。变形速率逐渐降低。

图4垂直位移时间曲线的中心路堤表面

图6不同深度的位移分布在路堤

从路堤变形过程列车重复载荷下变形的累积量的增加可以提高列

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