多年冻土区列车行驶路基动力响应及永久变形

<正>版次:第一版出版时间:2019-01开本:异16开出版单位:中国建筑工业出版社标准书号:978-7-112-22390-9【内容简介】本书以青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基在气候变化和列车荷载共同作用下的长期服役性能为背景,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的技术手段,对青藏铁路列车荷载下冻土、融土的动力变形特性、列车荷载下路基振动反应和长期列车荷载作用下路基动力永久变形等问题进行了研究。全书共分为6章,包括:绪论、列车荷载下青藏铁路冻     

黄土地基动力沉降特性试验研究

路基工后沉降控制是客运专线路基工程研究的重点内容,其中地基在列车荷载长期重复作用下的累积沉降不可忽视。为揭示黄土地基在列车振动荷载长期作用下的沉降变形,通过对原状黄土试样的循环三轴试验,模拟实际列车荷载瞬时加载状态,采用不等向长持时加载,得出了在不同围压条件下黄土的动强度特性和循环应力-累积应变关系,并对较小循环应力下的循环应力-累积应变关系进行了归一化处理,得到了以下结论：①黄土的累积应变随时间的增加而增大,当循环应力不超过临界应力时,应变会最终达到稳定;反之,黄土结构遭到破坏,应变不能达到稳定;②不同围压下的黄土累积应变均随循环应力的增大而增大,且临界循环应力随围压的增大而增大。③在同一围压状态和同一应变破坏标准下,动强度随振次的增加而减小;④在不同围压、相同振次条件下达到相同的应变所需要的循环应力随围压的增大而增大;⑤在较小循环应力作用下,不同围压下黄土的累积应变随循环应力增加呈线性增长。     

级配碎石填料大三轴试验及累积塑性应变预测模型

级配碎石作为重载铁路基床表层的主要填料,其受列车荷载的影响最大。因此,研究级配碎石在循环荷载作用下的动力行为及累积塑性应变演化特征变得尤为重要。首先,通过制备不同细粒含量的级配碎石填料,开展一系列大型动三轴试验,探究细粒含量、围压及动应力幅值对循环荷载作用下试样累积塑性应变的耦合影响机制。其次,基于塑性安定理论,确定不同应力水平下试样的动力行为,得到考虑围压及细粒含量参数的塑性蠕变状态临界动应力计算模型。最后,结合试验数据,建立考虑应力水平及细粒含量参数的塑性蠕变动力行为累积塑性应变预测模型,并明确各参数的物理意义。其研究成果可为既有重载铁路路基健康状态评估及考虑强度、变形综合控制的路基结构设计提供参考。     

多年冻土区块、碎石护坡冷却作用的对比研究

基于青藏铁路北麓河试验段块、碎石护坡路基阳坡坡中孔的地温观测资料, 分析了块、碎石护坡下的温度变化过程及进入块、碎石层下部土体的热收支情况. 结果表明: 观测期内块石层下平均温度低于碎石层下平均温度, 而块石层下温度波幅大于碎石层下温度波幅. 块石层下最大融化深度有明显的抬升, 这种抬升得益于冷季块石层内空气较强的对流冷却作用. 从进入块、碎石层下部土体的热收支情况来看, 块石层较碎石层具有更好的冷却作用.     

一年内列车荷载作用下冻土路基的应力分布

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系, 在不同的季节, 路基内的变形场和应力场会相应发生变化. 为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异, 以青藏铁路某断面为例, 对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟, 系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点. 结果表明: 路基修筑后, 在自重作用下会产生较大瞬时变形; 由于路基内温度场随时间变化, 路基内各点的位移也随时间发生变化, 且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关. 在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小, 但数值明显不同; 由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点, 在10月15日、1月15日、4月15日, 变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm. 对于路基底面中心点和地基浅层中心点, 由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小, 附加应力最大达到19.48 kPa; 列车荷载主要影响路基上部土体应力分布, 对下部土体应力分布影响较小.     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

低围压循环荷载作用下饱和粗粒土的动力特性与骨干曲线模型研究

基床层是铁路路基的核心组成部分,一般为粗颗粒土,厚约2.5～3.0 m,长期直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性是评价路基工作性能的关键要素之一。为研究粗粒土在列车循环荷载作用下的应力-应变特性,开展了一系列应力控制的单向循环加载大型动三轴试验,模拟列车动载和路基粗粒料填筑实际情况,包括不同动应力幅值（模拟不同列车轴重）、不同围压（模拟不同埋深）的动三轴持续振动试验。结果表明,在循环荷载作用下,土体刚度变化与振动次数、围压关系密切。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和粗粒土的动应变随振次的发展形态可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据试验所得出的动应力-应变关系曲线特点,建立了含围压和循环振次的骨干曲线模型。与传统的骨干曲线模型相比,该模型能反映土体刚度随循环振次的变化,更能反映列车往复作用的实际情况;同时该模型能用于估算路基土体动强度,对铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有参考价值。     

颗粒形状对不良级配碎石集料剪切特性的影响

碎石颗粒的形状对于集料的整体剪切性能有很大的影响,而现有的研究缺乏对于不规则块体颗粒形状的定量评价指标。利用离散元软件PFC2D(Particle flow code,2D)研究,提出了不规则块体的生成方法,建立了平面双轴剪切试验条件,通过对比室内试验结果完成了对模型的验证以及细观参数的选择。通过对块体进行分割后得到的多边形相邻顶角的差值进行分析,改进了棱角度指数的概念,在此基础上分析了颗粒形状对于级配不良的碎石集料的力学性质的影响,研究结果表明:棱角度指数受划分边界数的影响较大,随着划分密度的增加,棱角度指数不断减小并趋于稳定;随着轴向应变的增加,碎石集料的剪应力呈现出明显的非线性增加,曲线的形态受颗粒形状影响较大,除球形颗粒外,其他形状颗粒集料均呈现出应变硬化的特性。在棱角度指数较低时,抗剪强度和内摩擦角缓慢增加,而当棱角度较大时,抗剪强度指标则增加较快,可以通过幂函数进行拟合。     

风积沙对青藏铁路块碎石路基降温效果的影响

风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.     

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现：在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究

青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.     

青藏高原多年冻土区碎石护坡降温作用及效果分析

基于青藏高原北麓河多年冻土区碎石护坡路基与普通路基温度监测资料分析,结果表明:碎石层的铺设具有减小坡面年平均温度及坡面温度年较差的作用;与普通路基相比,碎石护坡在暖季主要起到隔热作用,但在冷季主要存在不利于路基散热的弊病.从路基人为冻土上限抬升状况、温度降低程度和路基变形量的差异来看,碎石护坡路基较普通路基有利于冻土路基的热稳定性.但碎石护坡调节路基内部温度场是一个长期过程,即坡面温度对多年冻土温度的影响具有滞后性,若作为青藏铁路多年冻土区补强措施使用时应慎重.     

青藏铁路多年冻土区路基变形特征及其来源

基于青藏铁路多年冻土区34个路基监测断面2005－2011年的变形与地温资料,分析路基的变形特征及其来源。监测结果表明：①监测期累计变形量大于100 mm的断面均为普通路基,其变形主要来自路基下部因冻土上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形以及融土的压密变形,其次为路基下部多年冻土因地温升高而产生的高温冻土的压缩变形。②监测期累计变形量小于100 mm的普通路基与块石结构路基断面,其变形主要来自路基下部多年冻土的压缩变形。③总体而言,块石结构路基变形量明显小于普通路基,从而验证了主动冷却措施的长期有效性。其研究结果可为冻土区路基稳定性判断及病害预警提供数据支持。     

高温冻土区新型复合护坡降温机制研究

遮阳板碎石复合护坡是一种集碎石护坡和遮阳板护坡双重效用于一体的新型复合护坡结构,是一种很好的治理高温冻土区块碎石护坡路基病害的补强措施。基于遮阳板和块碎石单个工程措施降温机制的研究,通过对这种新型复合护坡路基的温度场和速度场特征以及降温过程的研究,提出新型复合护坡路基的降温机制。研究发现,封闭新型复合护坡的主要降温机制是：复合护坡中遮阳板有遮阳和挡风雪作用,碎石层有“热半导体”效应和“热屏蔽效应”（屏蔽遮阳板的二次辐射）;开放新型复合护坡的主要降温机制是：遮阳板有遮阳、挡风雪作用,碎石护坡有 “热屏蔽效应”（屏蔽热风和二次辐射）和“烟囱效应”,遮阳板和碎石护坡组合的通道有“虹吸效应”、“狭管效应”和 “烟囱效应”。研究成果完善和深化了新型复合护坡路基研究基础,而且对遮阳板和块碎石结构在青藏铁路或青藏公路中的应用提供科学依据和技术支撑。     

碎石层的"热半导体"作用

碎石层在冰缘地区有广泛分布.众多文献报道,碎石层具有降低其下地温的作用,根据这些现象,对其致冷形成机理进行了研究.结果表明:对封闭的倾斜碎石层,其致冷机制主要基于Rayleigh-Bènard对流;对开放的倾斜碎石层,其致冷机制包括“烟囱效应”和风引起的强迫对流.并进一步用模型试验、数值模拟和现场的实体试验对致冷机理进行了验证.碎石层己在青藏铁路建设中得到广泛应用,并被证明起到了冷却路基的作用.这一措施效果显著、施工简便、环境友好且成本相对较低,可用于多种冻土工程,以适应全球变暖的影响.     

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明：路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31 %,旁压极限压力Pl下降44 %,旁压剪切模量Gm下降80 %。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。     

青藏铁路块石气冷结构路堤下冻土温度场变化分析

基于青藏铁路沿线多年冻土区温度监测断面,选取了不同冻土分区中的8个块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)断面,对其下温度场的变化分析研究.结果表明:经过2~3个冻融循环后,块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4~5.3 m,说明块石路堤结构已起到了积极调节下伏冻土温度的作用.结果也显示,在上限抬升的同时,其下部的冻土地温也在升高,但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制,而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中,无论是何种形式的块石路堤结构,其降温趋势是不同的.Ⅳ和Ⅲ冻土区块石路堤基底的负温积累比较明显,而I和Ⅱ区的较弱.