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

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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 膨胀土膨胀性判别和膨胀力测试

1．2．2 动力荷载作用下土体的强度和变形特性研究现状

1．2．3 国内外有砟轨道高速铁路基床结构型式及其防排水措施

1．2．4 铁路路基动力反应特性研究现状

1．2．5 铁路路基长期动力稳定性研究现状

1．2．6 膨胀土路堑铁路基床处治措施研究现状

1．3 本文研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 云桂铁路路堑段膨胀土工程特性试验研究

2．1 膨胀土常规物理力学特性试验研究

2．1．1 膨胀土膨胀性判别

2．1．2 基本物理力学性质

2．2 膨胀土竖向膨胀力原位试验

2．2．1 试验方案简介

2．2．2 试验结果

2．3 膨胀土动三轴试验

2．3．1 试验简介

2．3．2 试验结果分析

2．4 小结

3 膨胀土路堑基床防水结构层材料研发

3．1 概述

3．2 膨胀土路堑基床新型防水结构层设置位置

3．3 新型防水结构层研发

3．3．1 新型防水结构层基本要求

3．3．2 拟采用的技术方案和试验方法

3．3．3 配比优化试验

3．3．4 新型防水结构层研发成果

3．4 小结

4 膨胀土路堑基床结构防排水系统

4．1 概述

4．2 接触缝和施工缝防水关键技术

4．3．侧沟与侧沟平台、基床防水结构层衔接位置防水关键技术

4．4 膨胀土路堑边坡裂隙渗流防排水措施

4．5 毛细水上升时基底防排水措施

4．5．1 毛细现象及其机理

4．5．2 毛细作用主要影响因素

4．5．3 毛细管-液-气弯曲界面的力学分析

4．5．4 毛细管模型及毛细水上升高度

4．5．5 基于异形毛细管模型的粘土毛细水上升高度分析

4．5．6 毛细水渗流时基底防排水措施

4．6 地下水发育的松软膨胀土路堑地段

4．7 小结

5 膨胀土路堑基床结构换填厚度确定

5．1 概述

5．2 基于强度控制确定路堑基床换填厚度

5．2．1 路基面设计应力幅值

5．2．2 动应力沿基床深度的分布规律

5．2．3 膨胀土路堑基床换填厚度确定

5．3 基于应变控制确定基床换填厚度

5．3．1 基于应变控制确定基床换填厚度的步骤

5．3．2 膨胀土路堑基床换填厚度

5．4 基于膨胀力平衡确定膨胀土路堑基床换填厚度

5．4．1 大面积全封闭防水层对膨胀土湿度变化的影响

5．4．2 膨胀土路堑基床换填厚度

5．5 基于微膨胀变形控制确定膨胀土路堑基床换填厚度

5．6 膨胀土路堑换填厚度综合分析

5．7 膨胀土路堑基床地基承载力基本要求

5．8 小结

6 膨胀土路堑基床结构足尺模型激振试验

6．1 概述

6．2 试验方案

6．2．1 模拟对象

6．2．3 监测元器件布设

6．2．4 试验加载方案

6．3 中～强膨胀土路堑基床模型试验结果分析

6．3．1 不同换填厚度基床动力特性分析

6．3．2 不同服役环境下基床动力特性分析

6．4 中～弱膨胀土路堑基床模型动力试验结果

6．5 膨胀土路堑基床防水效果检验

6．6 基床动力参数受服役环境影响内因分析

6．7 基于足尺动力模型试验成果的基床换填厚度优化

6．8 小结

7 云桂膨胀土路堑基床现场激振试验

7．1 概述

7．2 试验段概况与主要研究内容

7．3 改性水泥基防水结构层施工技术

7．4 试验加载方案

7．4．1 加载参数

7．4．2 数据采集

7．4．3 试验工况和试验过程

7．5 试验结果分析

7．5．1 不同工况下基床动应力分析

7．5．2 不同工况下基床振动速度分析

7．5．3 不同工况下基床加速度分析

7．5．4 基床沉降变形规律

7．5．5 不同基床防排水措施隔水效果分析

7．5．6 改性水泥基防水结构层抵抗自然营力作用性能检验

7．6 小结

8 膨胀土路堑基床长期动力稳定性评价

8．1 概述

8．2 修正临界动应力法评价膨胀土路堑基床动力稳定性

8．2．1 修正临界动应力法评判准则

8．2．2 膨胀土修正临界动应力法动力稳定性评价参数

8．2．3 基于室内动力模型试验的稳定性评价

8．2．4 基于现场激振试验的稳定性评价

8．3 修正振动速度法评价膨胀土路堑基床动力稳定性

8．3．1 膨胀土干湿循环效应研究现状

8．3．2 考虑干湿循环效应的膨胀土振动速度评判准则

8．3．3 膨胀土全封闭路堑基床动力稳定性评价

8．4 小结

9 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 创新点

9．3 研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和科研工作情况

致谢