高速铁路无砟轨道地基泥岩膨胀性分类分级研究

红层泥岩是一种典型侏罗系沉积岩,其含有微量黏土矿物,易遇水软化、失水崩解,具有一定膨胀性,是引起兰新高速铁路路基持续上拱变形的一个重要因素,故重新判定该种土体膨胀性对高速铁路无砟轨道设计和施工具有重要意义。为此,选取等效蒙脱石含量、阳离子交换量、自由膨胀率和液限为泥岩膨胀性判别指标,通过兰新高速铁路上拱地段大量钻孔实测资料,提出了泥岩膨胀等级分级标准,采用改进层次分析法、基尼系数法和直觉模糊理论确定了判别指标组合权重,基于逼近理想解排序法(TOPSIS法)建立了泥岩膨胀性直觉模糊综合评价模型。结果表明：直觉模糊综合评价模型将泥岩膨胀性进行了定量化,克服了同一试样不同指标属于不同等级判别缺陷;室内膨胀量试验验证了膨胀等级分级标准和直觉模糊综合评价模型对兰新高铁地基泥岩适用性和准确性。研究成果对地基红层泥岩高速铁路路基长期持续上拱变形风险评估和工程控制措施提供技术支撑。     

川中红层水理特性及对无砟轨道变形影响机制分析

针对川中红层易引起无砟轨道上拱变形的问题,开展了川中红层泥岩膨胀特性、水理特性试验研究,在掌握川中红层泥岩膨胀、渗透特性的基础上,结合实际工程进行上拱变形病害区水文环境调查、原位抽水试验以及现场监测,揭示了川中红层的赋存水环境及其运移特征,即川中红层为相对隔水层,所夹节理裂隙及与砂岩界面是其与外界水力联系的主要形式,水力联系通道都是局部、随机分布的,且与自然降雨联系不紧密,赋存水多以透镜体形式存在。在上述特征地层中深挖无砟轨道路基,形成卸荷红层风化裂隙带的同时,改变了原有随机分布的水力联系通道,使得天然状态下相对隔水基底弱风化泥岩与外界建立新的水力联系,膨胀性红层泥岩遇水后膨胀是导致无砟轨道路基持续上拱的内在机制。     

高铁无砟轨道路基填料微膨胀机理试验研究

为确定高速铁路路基粗颗粒填料中膨胀性组分与骨料之间的相互作用机理,对我国西部一客运专线无砟轨道上拱区段进行调查研究后,选择其中部分工点对基床部分填料进行取样分析,并开展了孔隙率-蒙脱石掺量影响下的膨胀试验。研究分析了填料膨胀率在蒙脱石含量、填料孔隙率共同作用下的变化规律及其膨胀机理。试验结果表明:填料膨胀率与膨胀性矿物(蒙脱石)含量呈正相关,与孔隙率呈负相关;进一步分析数据后提出参数β,即蒙脱石掺量与填料孔隙率之比作为衡量路基填料膨胀性的指标,当该结构下的基床A组填料β=0.365时,A组填料膨胀性达到高速铁路可调节的临界指标。并将现行规范中对填料膨胀性的相关规定,利用参数β换算为膨胀率代入数值模拟进行计算,证明了现行规定与高速铁路设计计算的不适应性。     

无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法

我国“一带一路”发展规划中涉及大面积的盐渍土区域,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐优质路基填料极其匮乏,亟需研究粗颗粒盐渍土作为高速铁路无砟轨道路基填料的可用性。通过技术创新、理论探索,提出了一种无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法,内容主要包括采用不同最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数的粗颗粒盐渍土构筑无砟轨道路基,基床底层运用上结构层与下结构层的双结构层进行设计;以基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟作为隔盐排盐系统,形成具有堵疏兼备的阻盐、排盐功能;通过容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行理论计算,确保无砟轨道路基抗隆起变形满足设计要求;对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,采用最小滑动摩擦系数法进行控制设计。该方法可实现粗颗粒盐渍土在无砟轨道路基领域的首次应用。     

高速铁路深厚软基连续薄板梁结构测试分析

在深厚软土地基上修筑无砟轨道高速铁路低矮路基,需要重点解决好软土地基工后沉降和长期动力稳定性问题.软土地基具有高压缩性,路堤荷载作用下会产生较大的残余沉降;同时,线路运营后,地基土在高速列车长期循环动荷载作用下易产生较大的塑性变形,二者耦合将严重影响到无砟轨道的几何状态和线路运营安全.基于此,在京沪高速铁路上海虹桥深厚软土地区低矮路基中,首次采用了桩基-连续薄板梁结构型式,并进行了系统的静动态监测、测试.结果表明,该结构工后沉降控制效果良好、长期循环荷载作用下性能稳定,可以满足高速铁路铺设无砟轨道和高速列车长期平顺运行的要求.     

基床翻浆条件下无砟轨道路基振动特性研究

无砟轨道路基翻浆是近年高速铁路路基出现的特殊病害形式,为研究基床翻浆对无砟轨道路基动力特性的影响,在沪宁城际路基翻浆工点进行了病害勘查和现场行车试验,分析了列车荷载作用下翻浆段无砟轨道路基振动特性。结果表明：无砟轨道路基翻浆病害的形成主要与基床表层级配碎石细粒含量较高以及底座板伸缩缝、侧缝封闭不严有关;基床翻浆导致路基对轨道结构支承及约束作用降低,加剧了无砟轨道结构的振动,其中底座板振动放大效应尤其明显,且振动放大效应随车速增加而增大;基床翻浆改变了无砟轨道与路基基床间振动波传递状态,限制了路基基床参振耗能作用的发挥,翻浆断面路基面动位移幅值减少45%,底座板到路基面动位移传递函数减小约2/3,当列车速度为247 km/h时,在路基受动荷载主要作用频率范围内（0～15 Hz）,其动位移传递函数处于0.22～0.39间。     

I型轨道-路基系统动力荷载放大系数模型试验研究

高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响,以列车运行速度的影响尤为关键。由于车辆-轨道-路基结构的复杂性,要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准,建成室内1: 1无砟轨道路基模型,通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律,在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式,提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法,并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律,可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。     

膨胀土工程特性及其石灰改性试验研究

系统地开展了弱、中膨胀土及石灰稳定土的物理力学试验.试验表明:中膨胀土具有较强的吸水膨胀软化特性,其CBR值低于3%,不能满足路基对填料的强度要求,用作路基填料必须改性;当压实含水量控制得当,弱膨胀土CBR可满足规范要求,其压实含水量宜按最优含水量+(3～4)%控制;用石灰对中膨胀土改性效果显著,能有效抑制其胀缩潜势和提高土体强度,能满足路堤填筑的要求.中膨胀土石灰改性的质量掺合比宜按5.0%控制.     

高铁路基动应力数值模拟和现场试验研究

以武广高速铁路无砟轨道路基典型断面现场动测为工程背景,基于FLAC3D软件建立了相邻2个转向架荷载下的无砟轨道路基三维有限差分模型,采用激振力函数模拟列车的动荷载作用.将数值模拟与现场实测结果进行对比,验证了该模型的可行性,并用该模型分析了无砟轨道路基的动应力特性.实测和模拟结果表明:基床表层顶面轨下位置动应力响应比中线处大;动应力响应在基床表层范围内最为强烈且衰减较快;列车荷载速度对动应力影响不显著.     

贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性判别指标适用性分析

贵南高铁南宁段古近系泥岩是湖沼沉积型半成泥岩,易遇水软化,失水崩解,有一定胀缩性。依托贵南高铁南宁段泥岩样品膨胀性试验数据及路堑边坡人字型骨架开裂的实际现象,采用了相关性、线性回归、匹配度等分析方法,对膨胀性判别指标适用性进行了研究。研究结果表明,干燥饱和吸水率单指标膨胀潜势分级结果与实际较接近,天然湿度样品的膨胀力、交换阳离子含量、蒙脱石含量及自由膨胀率等单指标膨胀潜势分级结果易下降1–2个等级。     

疲劳动剪应变门槛与武广高铁无碴轨道路堑基床长期动力稳定

针对武广高铁无碴轨道红黏土路堑基床长期动力稳定性问题,利用改造后的应力控制式动三轴仪代替国内尚无的剪应变控制式共振柱仪,测试土体疲劳动剪应变门槛值,提出了一套完整的试验方案和数据处理方法,为疲劳动剪应变门槛的确定开辟了新的试验途径。通过疲劳动三轴试验,获得了9种试验条件下红黏土疲劳动剪应变门槛值。按曲线走势特征,红黏土 - 曲线可分为稳定型、临界型、破坏型3类,且不同试验条件下同类型的曲线具有相似的走势特征;探讨了含水比、围压对红黏土疲劳动剪应变门槛的影响,给出了简单实用的疲劳动剪应变门槛经验估算公式;基于室内试验及现场动响应测试成果,采用动剪应变法初步评价了武广高铁无碴轨道红黏土路堑基床的动力稳定性,给出了不同物理状态下红黏土基床最小换填厚度建议值。研究成果为我国高速铁路无碴轨道土质路基动力稳定性评价及路堑基床换填厚度的确定提出了新的思路,也为红黏土疲劳特性的深入研究提供了宝贵的第一手资料。     

膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究

采用普通固结仪和收缩仪分别进行蒙自重塑膨胀土浸水膨胀变形试验和膨胀土失水收缩变形试验,系统地研究了不同初始状态下膨胀土胀缩变形规律与致灾机制,并应用Does Response模型,定量模拟了膨胀土胀缩时程规律。研究表明,蒙自膨胀土胀缩变形差异较大,一般吸水膨胀率远大于失水收缩率,相似状态下试样膨胀系数越大,收缩系数亦越大,表现出较强的各向异性;膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征,是其产生强烈胀缩变形灾害的内因与本质,而土中发育的微孔隙-裂隙结构及其初始状态,是发生胀缩变形灾害的外因。     

南水北调潞王坟段弱膨胀土膨胀性研究

河南新乡潞王坟段膨胀土系第三系泥灰岩风化而成,以高岭石黏土矿物为主,具有弱膨胀性,其膨胀变形特性受孔隙结构影响比较大。为了清楚地研究试验段弱膨胀土的膨胀特性,从有荷膨胀变形、膨胀应力、循环胀缩变形3个方面进行研究,得出不同于以往其他膨胀土的膨胀变形特性：（1）当初始干密度比较小时,上覆压力超过膨胀应力,此时试样遇水不发生膨胀变形,反而出现明显的湿陷现象;当压实度大于96%后,即使上覆压力超过膨胀应力,试样遇水后也不发生湿陷现象,膨胀变形随上覆压力增大而趋于稳定值;（2）试验段弱膨胀土的膨胀应力随初始含水率的增加先增大后减小,出现膨胀应力峰值;（3）随着循环胀缩级数的增加,弱膨胀土的胀缩特性迅速降低,在循环级数达到4时,其胀缩特性就趋于稳定。上述3方面的膨胀特性充分表明,该弱膨胀土的膨胀特性与孔隙结构有着密切的关系     

低矮路堤下膨胀土地基渗流与变形耦合研究

二维渗流与变形耦合控制方程是基于流体质量守恒、Darcy定律及膨胀土弹性本构方程得出的。结合云桂高速铁路低矮路堤下膨胀土地基现场浸水试验,并采用考虑耦合和不考虑耦合两种数值模拟方法,分析了低矮路堤下膨胀土地基的膨胀变形特性。研究结果表明,耦合情况下地基表面膨胀变形呈双曲线变化,非耦合情况下地基表面膨胀变形随时间的增加而逐渐增大,对同一时间而言,未考虑耦合效应数值模拟得到的膨胀变形落后于考虑耦合影响的膨胀变形;耦合与非耦合情况下地基的相对膨胀率沿深度方向呈衰减变化。数值计算结果与现场试验结果比较表明,不考虑耦合影响的数值模拟方法难以描述人工浸水条件下膨胀土地基的膨胀变形规律,而考虑耦合影响的数值模拟方法与现场实测值吻合较好。     

离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究

利用离子土壤固化剂（ionic soil stabilizer,简称ISS）对河南安阳地区膨胀土进行化学改性试验研究,通过不同配比的自由膨胀率试验结果,结合施工成本,得出ISS溶液改良膨胀土的最优配合比为1:350。对ISS溶液最优配合比改性后土体进行收缩试验、膨胀性试验、固结快剪、高压固结及水浸泡试验。试验结果表明,改性土线缩率减小,膨胀性指标降低,抗剪强度增大,土体由亲水性变成憎水性,且能达到较好的水稳定性,即膨胀土经化学改性为非膨胀土。ISS改性膨胀土的机制可解释为,通过ISS溶液与土粒离子进行强烈的交换作用,打开土粒与水分子之间的“电化键”,降低土颗粒表面吸附水膜厚度,包裹在黏粒颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减弱,从根本上减少了土体吸水性和膨胀性。