高速铁路膨胀土路堑基床结构及其动力特性试验研究

【摘要】摘要：本文结合国家自然科学基金项目“高速铁路路基长期动力稳定性评价方法研究”(项目编号：51278499)、铁道部科技研究开发计划课题“云桂铁路膨胀土(岩)地段关键技术研究”(项目编号：2010G016-B)、湖南省研究生科研创新项目“高速铁路地基膨胀土临界动应力研究”(编号CX2012B062),依托云桂高速铁路建设工程,采用室内试验、理论研究、室内足尺模型动力试验和现场大型激振试验等方法,开展了高速铁路膨胀土路堑基床结构设计及其动力特性试验研究,主要研究工作如下：(1)开展了膨胀土室内土工试验、化学成分分析、阳离子交换量分析。确定了云桂铁路南百段膨胀土的膨胀等级,获得了不同膨胀等级膨胀土的物理力学参数。(2)利用平衡加压法,在云桂铁路典型中～弱、中～强膨胀土路段,分别进行了膨胀土大型原位竖向膨胀力试验,分析了膨胀土在原位约束条件下竖向膨胀力与含水率增量、变形量之间的关系。(3)通过动三轴试验,获得了不同含水率和压实度条件下膨胀土的临界动应力,为基床结构设计和长期动力稳定性评价提供参数。(4)针对传统铁路路基复合防水土工材料在实际应用中存在的问题和不足,结合膨胀土路堑基床病害特点,开展了新型半刚性防水结构层的研发工作。通过大量配比优化试验,获得了中低弹模抗渗水泥基防水结构层。(5)利用强度控制、应变控制、微膨胀变形控制以及膨胀力平衡四种方法,开展了膨胀土路堑基床换填厚度优化设计。获得了不同膨胀等级膨胀土路堑基床的换填厚度建议值。(6)研究了防水结构层与接触立柱、侧沟以及其它基床附属结构接触位置的密封技术,设计了膨胀土路堑基床地表降雨全封闭防排水系统,并针对边坡裂隙渗流、毛细水渗流以及地下水发育等工况设计了相应的基底防排水系统,为膨胀土路堑基床的长期动力稳定性提供了保障。(7)基于土体微观结构球形颗粒简化几何模型,根据球形颗粒不同堆积状态,分别采用四尖瓣线和三尖瓣线方程描述毛细水的过水断面,建立了异形毛细管模型。通过引入初始水力梯度,结合毛细水力学,建立了异形毛细管模型时粘性土中毛细水上升高度的计算公式。(8)设计并制作了铁路路基足尺动力试验钢结构模型箱(长×宽×高为9.2m×2m×4.6m),针对中～弱、中～强两种类型地基膨胀土,分别填筑了新型膨胀土路堑基床。全面系统的研究了不同基床换填厚度、不同服役环境(干燥、降雨和地下水位上升)下,新型基床结构的动静特性、新型改性水泥基防水结构层的防水效果和抗疲劳性,试验成果为开展试验段填筑提供了充分的技术支撑。(9)在中～强、中～弱膨胀土路堑试验段,针对不同防水层类型和换填厚度,选取4个代表性试验断面,埋设速度计、加速度计、动土压力盒和湿度计,利用高速铁路路基原位动力试验系统(DTS-1),对每个试验断面在干燥和浸水两种极端服役环境下分别进行不少于100万次的激振试验,4个试验断面共激振1000万次。全面检验实践服役环境下膨胀土路堑基床降雨全封闭防排水系统的工作性能、研究新型基床结构的动力响应特性和变形规律,为其在云桂铁路的全线推广提供数据支撑。(10)针对临界动应力法和振动速度法两种铁路路基长期动力稳定性评价方法存在的问题展开探索和研究,提出修正临界动应力法和修正临界振动速度法评判准则,并分别利用两种修正动力稳定性评判准则对云桂铁路膨胀土路堑基床的长期动力稳定性进行了评价。图158幅,表格55个,参考文献362篇。
【作者】王亮亮；
【导师】杨果林；
【作者基本信息】中南大学，土木工程，2014，博士
【关键词】高速铁路；膨胀土路堑；基床；防排水系统；动力模型试验；现场激振试验；动力稳定性；

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