一种基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法

1.基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为：步骤1：设计流程开始：明确设计目标，包括确定线路等级、运营速度、线路基本几何形位要求与设计相关标准，为设计荷载和基本参数提供先决条件；步骤2：明确设计荷载与控制条件，明确对应车型、车速条件下设计荷载，赋予各层模量动力参数及分层厚度初始值；步骤3：构建高速铁路车辆-轨道-路基分层结构集总参数的动力学耦合模型；所述动力学耦合模型考虑车辆-轨道-填料竖直方向的振动耦合关系，将填料变形力学模型与列车载荷作用下分层结构的动力学方程相结合，动力学耦合模型上部包括车体、转向架、轮对与一、二系悬挂，耦合模型的下部为路基各层填料弹塑性变形力学模型，两者之间由轮轨接触关系与轮轨力实现振动耦合与响应传递；其中路基各层的结构集总参数动力学耦合模型为填料压实变形力学模型，由黏弹性与粘塑性两部分串联组成，选取式（5）形式的双曲线作为塑性弹簧的荷载-变形关系： （5）式中F为荷载，x为塑性弹簧变形量，A和B为双曲线中的两个塑性参数；根据填料变形力学模型的形式，其荷载-变形关系如式（6）； （6）其中： （7）式中： 为t时刻的荷载； 为t时刻总应变； 为弹性刚度； 为t时刻弹性变形； 为弹性阻尼系数； 为t时刻塑性变形； 为t时刻弹性变形速率； 为塑性阻尼系数； 为t时刻塑性变形速率；塑性变形速率根据式（8）计算： （8）列车运行过程中轨道板只能对填料产生压力，不产生拉力，填料的塑性变形只能朝一个方向发展，因此 只能为正，当 时不发生塑性变形，即 ；以各基本单元处于自由状态为基准零点，“车辆-轨道-路基”耦合系统的动力学方程为： （9） （10）其中m c 、m z 、m l 、m g 、m d 分别为车体、转向架、轮对、钢轨、轨道板及支撑结构质量，g为重力加速度，k c 、k z 分别为一系悬挂、二系悬挂的刚度，k g 为钢轨与支撑结构间的刚度，c c 、c z 分别为一系悬挂、二系悬挂的阻尼系数，c g 为钢轨与支撑结构间的阻尼系数，λ 1 、λ 2 、λ 3 、λ soil-i 分别为一系、二系悬挂以及钢轨与支撑结构、第i，i=1,2,3,…,n层路基的变形量， 、 、 、 分别为一系、二系悬挂以及钢轨与支撑结构、第i层路基的变形速率， 、 为第i层路基的弹性变形量及弹性变形速率， 为第i层路基的塑性变形量，x c 、x z 、x l 、x g 、x d 分别为车体、转向架、轮对、钢轨、轨道板及支撑结构质的位移量， 、 、 、 、 分别为车体、转向架、轮对、钢轨、轨道板及支撑结构质的加速度，F N 为钢轨对轮对的反作用力，F(t)为步骤2确定设计荷载与控制条件中的不平顺激励荷载；轮轨接触的相互作用力F s 沿深度由钢轨-支撑结构-分层路基依次向下传递，表示为： （11）当轮轨相互作用力大时，轮对会脱离钢轨；由于轮对与钢轨之间只能产生压力，不能产生拉力，因此钢轨与轮对相互分离时相互作用力为0； （12）考虑随着深度增大荷载的扩散影响，分层路基各层的受力面积、系统参振质量均随之变化，每一层的刚度和阻尼系数也发生变化；考虑分层宽度d i 、层厚h i 、扩散角θ i 参数的影响，第i层路基所对应的集总参数单元的刚度k ei 和阻尼系数c ei 与位于基床表层的第1层参数单元刚度k e1 、阻尼系数c e1 及分层宽度d 1 的关系为： （13）；步骤4：基于设计参数指标体系，对动力耦合模型进行设定参数输入与计算验证；步骤5：通过动力耦合模型求解路基分层动力响应结果；步骤6：以动力响应作为第一设计阈值临界条件验证填料安定特性，若满足则进入步骤7，若不满足，则重新对不满足条件的路基层位设计参数进行调整，并返回步骤4重新对动力耦合模型设计参数进行赋值；步骤7：以路基表面总动位移作为第二设计阈值临界条件验证车-轨-路整体耦合动力响应，若满足则进入步骤8，若不满足则返回步骤4，重新对动力耦合模型设计参数进行赋值；步骤8：将满足第一、第二设计控制阈值的各项设计参数代入动力耦合模型重新计算，验证各项动力响应规律满足设计要求，开展方案比对和优化分析，最终完成设计目标。 2.根据权利要求1所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为，所述步骤2进一步包括如下内容：采用基于Fourier级数形式的多组轮对列车荷载F(t)，所述列车荷载F(t)包括静荷载和由一系列正弦函数叠加而成的动荷载，通过各分项与高、中、低频相对应，分别用于反映不平顺、附加动载和轨面波磨效应的影响，F(t)的表达式为： （1） 为车轮静载； 、 、 分别对应某一典型值的振动荷载；令列车簧下质量为 ，则相应的振动荷载幅值为： （2）其中， 相对应某一典型矢高； 为对应车速不同条件下不平顺振动波长下的圆频率，所述圆频率的计算式为： （3）其中， 为列车的运行速度； 为相应于不同情况下的典型波长；根据不同的线路平顺性、控制等级要求，公式（1）、（2）、（3）中的相应控制条件下的参数取值应进行相应调整。 3.根据权利要求2所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为，所述步骤4进一步包括如下内容：考虑包括如下三方面设计参数指标体系：（1）上部列车、轨道结构参数：列车基本参数如车体质量m0、转向架质量m1、轮对质量m2，以及相关的结构尺寸参数，一系悬挂、二系悬挂刚度、阻尼系数k0、k1、c0、c1；轨道质量、轨道板及支撑层质量m3、m4，以及相关的结构尺寸；钢轨-支撑层扣件连接刚度及阻尼系数k2、c2；（2）设计荷载输入端参数：列车车速v、轨道不平顺谱相关参数包括三种典型频响范围内的不平顺波长L 1 ~L 3 ，不平顺幅值η1~η3；路基引起轨道不平顺相关参数包括路基引起不平顺波长L 4 ，路基引起不平顺幅值η4；（3）分层路基参数：包括各层动模量E d 、阻尼比ζ、密度ρ、扩散角θ、设计厚度h，针对基床表层、基床底层、路基本体层分别进行定义。 4.根据权利要求3所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为，所述步骤4进一步包括如下内容：首先根据步骤3的高速铁路车辆-轨道-路基分层结构集总参数动力学耦合模型构建中所述动力学方程建立车辆-轨道-填料耦合动力系统，在设定的轨道不平顺的激励作用下，对列车荷载对车辆、轨道、轨道支撑结构及分层路基结构进行动力计算，得到各层加速度振动状态响应和变形规律，然后通过迭代求解获取各项动力响应值；模型中车体、转向架、轮对、钢轨以及支撑结构各层的加速度 、动位移 通过下述公式计算获取： （18） （19）路基分层动应力的由分层土体之间的层间相互作用力 除以层间填料荷载等效作用面积获取，其中分层土体之间的层间相互作用力与轮-轨相互作用力传递规律相关，而层间填料荷载等效作用面积由上部支撑结构宽度 与长度 、基床表层及底层各层厚度 、荷载扩散角度 因素综合决定；简化公式表示为： （20）路基分层动应变 通过分层填料土体变形 与该层离散化后分析的填料厚度 的比值相关，表示为： （21）。 5.根据权利要求4所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为，所述步骤5进一步包括如下内容：第一设计阈值主要从路基各层填料的长期变形稳定性角度出发，需要使其满足动力安定状态，在服役期内不发生变形的累积，从而保障路基结构的耐久稳定；路基各层的动应力 、动应变 均应小于对应层位的填料动力安定临界动应力与动应变阈值，具体表示如下： （22） （23）式中 、 、 分别为基床表层、底层和路基本体层填料的动应力安定临界阈值， 、 、 分别为基床表层、底层和路基本体层填料的动应变安定临界阈值，n为根据不同变形稳定程度要求所提的安全系数，取值越大则设计要求越严格，根据不同线路等级、设计速度及控制目标进行确定； 、 、 分别为基床表层、底层和路基本体层填料的围压即第三主应力；CSR * 为临界循环应力比，其与填料所处围压即第三主应力 相关，表示为： （24）其中A、b为基于不同类别填料室内试验测试获取的拟合参数；所述第一设计阈值通过构建耗散能与安定状态间的关联，作为判断动力安定临界阈值的依据，提出等效单位体积耗散能 作为填料的安定临界状态判别的基本指标，计算式为： （25）式中： 为循环动力作用下单位体积耗散能的均值，为体现耗散能量值大小的影响项，上标d表示循环动力影响； 为对应于最大振次m时达到的最终单位体积耗散能， 为对应于特征振次m/10时的单位体积耗散能，括号中为体现耗散能上升趋势的无量纲影响项。 6.根据权利要求4所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法，其特征为，所述步骤6进一步包括如下内容：第二设计阈值需要使高铁路基的耦合动力响应满足列车安全、平稳、舒适运行，即需要对路基的静、动态不平顺进行控制，使得列车轮轨力F s 不超限，且路基面动位移U d 对应的列车加速度满足Ⅰ、Ⅱ级别动态质量容许偏差管理值；具体表示如下： ； ；式中 、 、 分别为高铁路基轮轨力设计阈值以及满足Ⅰ、Ⅱ级别动态质量容许偏差管理值的动位移控制阈值，n为根据不同变形稳定程度要求所提的安全系数，取值越大则设计要求越严格；根据不同线路等级、设计速度及控制目标进行确定。 7.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求1至6中任意一项所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法。 8.一种基于动力安定性的高速铁路路基结构电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求1至6中任意一项所述的基于动力安定性的高速铁路路基结构设计方法。