高速铁路路基低黏土矿物泥岩膨胀机理及影响研究

摘要

伴随着我国高速铁路的发展，出现了许多不同以往、无法预料的新问题。某高速铁路部分线路段部分路基由于低黏土矿物含量泥岩的膨胀性导致线路出现上拱病害。结合以往高速铁路设计、施工及运营经验，以铁路工程岩土分类标准判断此类泥岩为无或弱膨胀性岩；同时，高速铁路设计规范中从未涉及上拱变形，仅对沉降变形有严格标准；对于无或弱膨胀性泥岩引起的路基上拱变形为新问题，故针对此方面问题开展研究工作。本文以某高速铁路部分线路段路基中低黏土矿物泥岩为研究对象，采用室内试验、现场原位试验、室内自加工模型试验、微观机理、理论计算分析及数值模拟相结合的方法，系统地研究了低黏土矿物泥岩作为高速铁路路基时的变形特性、膨胀机理及工程应用。主要研究工作如下：
　　（1）以低黏土矿物泥岩为研究对象，通过室内试验，得到了原状样、重塑样的基本特性，包括物理性质、矿物成分和地球化学成分、水理性质、膨胀特性、强度特性；进行了泥岩自然状态、干湿循环作用不同状态下的微观结构扫描试验，得到了泥岩遇水-失水情况下微观结构的变化规律。
　　（2）结合高速铁路对路基变形的高标准及严要求，提出符合高铁变形要求的评价泥岩膨胀性参数及现场典型上拱病害段路基泥岩的参数值对比。
　　（3）进行现场典型路基段的原位浸水膨胀变形试验，确定泥岩路基在不同上覆荷载及约束条件下的膨胀变形量，分析膨胀变形发生规律、上覆荷载与膨胀变形关系、浸水深度与膨胀变形关系、膨胀变形发展过程及发展阶段；通过室内自制试验装置探讨上覆荷载对泥岩浸水膨胀变形的作用。
　　（4）验证泥岩路基浸水膨胀变形计算方法可行性，分析泥岩路基在不同上覆填土高度时可能发生的最大上拱变形量值。
　　（5）理论推导了考虑膨胀变形的弹性状态应力-应变关系、弹-塑性状态应力-应变关系；建立了考虑膨胀力的数值模拟方法，通过环刀的数值模拟与室内试验测试变形值的对比及分析，验证数值模型的可行性，并进行了典型上拱路基段数值分析，模拟分析了泥岩路基段膨胀变形。
　　（6）依托某高速铁路部分线路段两处典型低黏土矿物泥岩上拱路基段，通过试验数据分析及现场调查，提出某高速铁路低黏土矿物泥岩路基上拱变形原因、影响因素及变形机理。

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1绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内、外研究现状

1.3本文主要研究内容及创新点

2泥岩基本性质研究

2.1工程概况

2.2泥岩物理性质

2.3泥岩矿物成分和地球化学成分

2.4泥岩水理性质

2.5泥岩膨胀特性

2.6泥岩强度特性

2.7本章小结

3泥岩微观结构分析

3.1既有膨胀变形机理

3.2泥岩遇水的微观结构变化规律

3.3基于微观结构分析的泥岩变形影响因素

3.4本章小结

4泥岩膨胀性指标分级

4.1铁路判断标准

4.2泥岩膨胀性指标分析

4.3典型路基段膨胀性判断

4.4本章小结

5泥岩路基原位浸水膨胀变形试验

5.1试验设计及试验过程

5.2膨胀变形值变化规律

5.3上覆荷载与膨胀变形的关系

5.4浸水深度与膨胀变形的关系

5.5膨胀变形发展过程分析

5.6级配碎石层对膨胀位移的影响研究

5.7室内外试验结果对比及分析

5.8本章小结

6泥岩路基浸水膨胀变形计算方法研究

6.1膨胀岩应力-应变关系

6.2数值计算方法分析

6.3室内模型试验及分析

6.4泥岩浸水膨胀值计算分析

6.5本章小结

7高速铁路泥岩路基膨胀机理研究

7.1现场路基段病害膨胀原因分析（一）

7.2现场路基段病害膨胀原因分析（二）

7.3高速铁路泥岩路基膨胀机理分析

7.4本章小结

8结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果