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摘 要

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基于KENTRACK的沥青混凝土底砟层优化设计

21013214 沈凯仁

指导老师 陈先华

摘要

沥青混凝土材料具有抗裂、减振、适应地基变形能力强的特点，同时兼具一定的强度和施工便利的优势，我国正酝酿将其用于高速铁路轨下结构。本文旨在从力学响应和寿命预测角度分析沥青混凝土轨下基础优化设计的可行性，以解决无砟轨道中，水泥混凝土轨道板因刚度、脆性大出现的开裂、适应变形能力差等缺点，以及传统有砟轨道因为基床刚度较小出现的道砟粉碎、翻浆、地基变形较大等问题。

本文将我国高铁基础分为传统有砟轨道、沥青底砟层有砟轨道、无砟轨道、沥青道床无砟轨道四种类型，运用基于弹性层状体系和有限元理论的KENTRACK分析不同轴载动应力下轨下基础的力学响应和预测寿命。对比四种模型，分析设置沥青层对轨下基础的性能影响，最终通过控制沥青层厚度变化分析最佳厚度。

目前主要的成果有：通过合理设置沥青层，有砟轨道能够将基床顶层压应力减少至2/3左右，无砟轨道能够将基床顶层压应力减少至1/3左右；沥青层的设置能够有效延长基础使用寿命；通过综合分析力学响应和预测寿命可以得道最佳厚度，有砟轨道设计速度200km/h时，沥青底砟层推荐厚度13cm；设计速度250km/h时，沥青底砟层推荐厚度15cm。

关键字：有砟轨道；无砟轨道；沥青道床；底砟层；动力响应；寿命预测

Optimum Design of Asphalt Concrete Ballast Layer

Based on KENTRACK

21013214 Shen kai-ren

Supervised by Chen xian-hua

ABSREACT

Asphalt concrete material with anti-cracking, vibration, to adapt to the characteristics of the foundation deformation of the strong, while both a certain strength and ease of construction advantages, China is brewing for high-speed rail under the track structure. The purpose of this paper is to analyze the feasibility of the optimization design of the foundation under the asphalt concrete track from the perspective of mechanical response and life prediction to solve the shortcomings of the cement concrete track plate due to the stiffness and brittleness of the ballastless track, Conventional ballasted track due to the small bed stiffness of the ballast grinding, fogging, foundation deformation and other issues.

In this paper, the high-speed rail foundation of China is divided into four types: ballastless track, asphalt ballastless track, ballastless track and asphalt track ballastless track. Based on elastic hinge system and finite element theory, KENTRACK analysis is used to analyze different axle load Mechanical Response and Predicted Lifetime of Dynamic Foundation under Dynamic Stress. Compared with the four models, the influence of the asphalt layer on the performance of the underlay foundation was analyzed, and the optimal thickness was analyzed by controlling the thickness variation of the asphalt layer.

At present, the main results are as follows: by setting the asphalt layer reasonably, the ballast track can reduce the compressive stress on the top of the bed to about 2/3, and the ballastless track can reduce the compressive stress on the top of the bed to about 1/3. Can be effectively extended the basic service life; through a comprehensive analysis of mechanical response and prediction of life can be the best thickness, ballast track design speed of 200km / h, the asphalt ballast layer recommended thickness of 13cm; design speed of 250km / h, asphalt ballast Layer recommended thickness of 15cm.

Keywords：Ballast Track ;Ballastless Track ;Asphalt Track Bed ;Ballast Layer ;

Dynamic Response ;Life Expectancy

目 录

摘要 I

ABSREACT II

第一章 绪论 1

1.1 问题的提出 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 高速铁路沥青混凝土底砟层工程应用 2

1.2.2 高速铁路轨下基础设置沥青层优点 5

1.3 主要研究内容 6

1.3.1 研究对象的定义和分类 6

1.3.2 研究目标与研究意义 6

1.3.3 技术路线 7

1.4 本章小结 8

第二章 基于KENTRACK的高铁地基分析理论基础 9

2.1 KENTRACK理论 9

2.1.1 道床类型 9

2.1.2 轨道模型 9

2.1.3 叠加原理 11

2.1.4 材料性能 12

2.1.5 破坏分析 12

2.2 分析方法 13

2.3 敏感性分析 14

2.4 本章小结 15

第三章 基于KENTRACK建立的轨道模型 16

3.1 列车轴载动力效应分析 16

3.2 轨道模型轨下基础结构以及材料参数 17

3.2.1 传统有砟轨道 17

3.2.2 沥青底砟层有砟轨道 19

3.2.3 无砟轨道 20

3.2.4 沥青道床无砟轨道 22

3.3 层状体系与层间接触假设 22

3.4 轨排结构模型假定 23

3.4.1 钢轨模型 23

3.4.2 轨枕模型 24

3.4.3 轨间接触假定 24

3.4.4 轴载分布假定 25

3.5 本章小结 25

第四章 轨道动力响应分析与寿命预测 26

4.1 有砟轨道动力响应分析与寿命预测 26

4.1.1 基床顶层压应力 26

4.1.2 沥青层底拉应变 29

4.1.3 寿命预测 31

4.2 无砟轨道动力响应分析 33

4.2.1 基床顶层压应力 33

4.2.2 沥青层底拉应变 37

4.3 有砟轨道和无砟轨道对比分析 40

4.4 本章小结 41

第五章 总结与展望 43

5.1 全文总结 43

5.2 展望 43

参考文献(Reference) 45

致 谢 46

绪论

问题的提出

近年来，我国高速铁路建设迅速发展，根据2016年修改的《中长期铁路网规划》，到2030年，我国将形成以沿海、京沪等“八纵”通道和陆桥、沿江等“八横”通道为主干，城际铁路为补充的高速铁路网，铁路总里程达到20.4万公里，其中高速铁路网7.2万公里，普速铁路网进一步完善，中西部路网覆盖率提高，东部铁路网络布局进一步优化。

在我国，有砟轨道主要应用于时速200km以上的既有铁路，新建时速250km/h以上高速铁路中有砟轨道占运营里程的约20%。此外，除秦沈客运专线外，时速300km以上的高速铁路均采用无砟轨道^[1]。

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