深季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路的陸續(xù)修建和開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，路基的穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出，亟需研究?jī)鋈谘h(huán)和列車(chē)荷載作用下路基的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢(shì)，從而為保證季凍區(qū)高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。
　　本文依托鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G006)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAG05B01)，以哈大高鐵深季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)的路基為研究對(duì)象，在充分借鑒和吸取前人研究成果的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)方法、理論分析和數(shù)值模擬為手段，分析了路基的地溫分

2、布規(guī)律，研究了凍融循環(huán)和列車(chē)荷載作用下路基的地溫場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果有利于深入了解深季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基穩(wěn)定性的發(fā)展變化，并為改進(jìn)季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)和凍害整治措施提供了參考。本文主要取得了以下六個(gè)方面的研究成果:
　　(1)通過(guò)分析季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及工作特性，確定了路基穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，制定了監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)測(cè)，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了路基的地溫、含水量及變形等的變化規(guī)律。分

3、析表明:季凍區(qū)高鐵路基土體中溫度梯度的存在改變了水分的原有狀態(tài)，引起了水分的遷移變化，土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變，進(jìn)而使得路基產(chǎn)生了凍脹融沉變形。
　　(2)考慮平均地溫、地溫振幅、相位差異及土的熱學(xué)性質(zhì)等隨時(shí)空的變化，基于地溫實(shí)測(cè)資料建立了路基地溫的估算模型，在此基礎(chǔ)上詳盡分析了各路基斷面的凍深發(fā)展、橫向地溫差異及凍結(jié)條件等地溫分布規(guī)律。分析表明:路基橫向不同位置地溫分布普遍存在差異;路基的凍結(jié)條件主要受外界氣溫和路基上覆蓋層等的影

4、響;季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基地溫主要受到所在地理位置和路基高度的影響。
　　(3)分析了國(guó)內(nèi)外凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)凍深的確定方法，表明目前的設(shè)計(jì)凍深計(jì)算原則不適應(yīng)季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)的需要。因此，在地溫估算模型的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析得到了路基凍深與空氣凍結(jié)指數(shù)、路基面凍結(jié)指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)和影響系數(shù)考慮凍深的主要影響因素，從而提出了適用于季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道路基設(shè)計(jì)凍深的計(jì)算方法。
　

5、　(4)基于地溫的估算模型確定邊界條件，建立了非穩(wěn)態(tài)相變溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，研究了路基地溫隨時(shí)間的變化特點(diǎn)和沿深度的分布規(guī)律，預(yù)測(cè)了地溫場(chǎng)的變化趨勢(shì)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，填筑過(guò)程中的蓄熱在施工完成后逐漸消散，深度越深，消散需時(shí)越長(zhǎng)，過(guò)程越明顯。在路基蓄熱影響范圍以外，土體地溫相對(duì)比較穩(wěn)定。路基最終形成較為穩(wěn)定的季節(jié)凍結(jié)層、相對(duì)穩(wěn)定的地溫和形態(tài)不對(duì)稱(chēng)的地溫場(chǎng)。
　　(5)結(jié)合數(shù)值模型的實(shí)際約束情況，考慮冰水相變的作用，采用熱彈性力學(xué)理論

6、推導(dǎo)出了凍土路基應(yīng)力和變形的二維數(shù)值方程，建立了路基力學(xué)有限元模型，實(shí)現(xiàn)了路基溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的耦合連續(xù)計(jì)算?？紤]路基填土的不同凍脹率，研究了路基凍融過(guò)程中的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明:隨著凍脹率的增大和凍深的發(fā)展，路基豎向位移、橫向差異變形、橫向位移及拉應(yīng)力等隨之增加。路肩和邊坡處可能在凍融過(guò)程中出現(xiàn)拉破壞而導(dǎo)致裂縫。進(jìn)一步的討論分析表明:路基中水分重分布引起的土體凍脹率、融沉壓縮系數(shù)等的變化是影響路基變形穩(wěn)定性的主要原因。