红层泥岩及其改良土填筑高速铁路路基适应性及工程技术研究

摘要

我国西南、西北、中南及东南地区均有广泛的红层分布。红层泥岩作为一种特殊材料，其颗粒易破碎、强度低、遇水后易崩解与软化，表现出与一般填料不同的工程力学性质，使得这些地区的铁路建设面临着优质填料严重缺乏的问题。目前，我国铁路建设处于高速发展期，《国家中长期铁路网规划》也进行了调整，计划到2020年，全国铁路营业里程扩大到12～13万公里，增加了2．9万公里。截止目前，已完成7．5万公里的建设，还差5．4万公里铁路待建，其中相当一部分线路需经过红层地区。如果能使红层材料用于高速铁路路基填筑，则可节省大量工程投资，同时减少大量的弃方，保护环境，具有显著的社会效益与经济效益。 过去针对红层的研究主要集中在红层工程地质、岩体结构特性、岩体力学特性、风化等内容，而有关红层泥岩土路用性能的研究相对较少。近年来，红层泥岩土路用性能研究相继得到开展，主要包括红层泥岩的崩解特性、矿物成分、胶结物质、力学性质、渗透性与压实工艺等，而关于红层泥岩土的动力特性、红层泥岩土用作基床底层填料的研究则属空白。本文结合上述两个科研项目，在详细调研红层泥岩研究现状的基础上，首先通过大量的土工试验详细掌握红层泥岩及其改良土的压实特性、动静力学特性及水稳定特性等，通过对比，找出红层泥岩与常用路基填料的异同点；在高速铁路路基设计理论的指导下并结合国内外经验，对红层泥岩路基进行初步设计；通过路基离心模型试验、路基现场沉降观测、路基现场循环加载试验以及数值计算等手段详细掌握红层泥岩及其改良土路基的动态工作性能、沉降特性、稳定性等，验证并改进红层泥岩路基设计技术；在试验基础上结合已有经验提出系统的红层泥岩土路基的关键设计技术、施工技术与改良工艺等；最终总结出合理使用红层泥岩填筑高速铁路路基的整套技术体系，希望为红层泥岩在高速铁路路基工程中的推广应用提供有力参考。 本文的研究内容与结论主要包括如下几个方面： 1．通过调研国内外红层泥岩土在铁路、公路领域的应用历史和研究现状，详细总结了红层的成因、分布、矿物组成与化学成分、结构特性、崩解特性、膨胀收缩特性、力学性质、红层泥岩路基病害及产生机理等已有的研究成果。在调研结果的基础上，结合高速铁路路基工程的特点，有针对性、开创性的开展了一系列研究工作。 2．针对遂渝线与达成线沿线代表性红层泥岩土样，进行了压实特性、强度变形特性与水稳定特性等物理力学性质的试验研究。结果表明压实红层泥岩土与常用路基填料相比具有密度大、强度高、浸水后有微弱的膨胀性并且软化严重的特点。因此使用红层泥岩填筑路基时应采取一定的措施，充分利用红层泥岩土的高强度、小变形等特性，避开红层泥岩土软化的缺点，扬长避短。 3．根据高速铁路基床底层的受力特点，首次采用振动三轴试验对压实红层泥岩土进行了研究，详细掌握了其动强度、临界动应力、累积变形、动模量与阻尼比等动力学特性，为高速铁路红层泥岩路基的动力设计奠定了基础；并根据试验数据建立了红层泥岩土动力累积变形预测模型，为高速铁路红层泥岩路基的动力累积沉降数值计算提供了理论依据。 (1)红层泥岩土在25、50kPa围压下的临界动应力分别为150kPa、175kPa；动强度随振次增大而减小，随围压增大而增大；红层泥岩土的动模量随动应变的增大而减小，并且随围压增大而增大；阻尼比随动应变增大而增大，在相同的动应变下，阻尼比随围压增大而减小。现场循环加载试验中红层泥岩基床所受动应力远小于其临界动应力，表明红层泥岩层不会发生强度破坏目．变形可趋于稳定。 (2)综合考虑密度、含水率、侧向应力、动应力幅值与频率等对红层泥岩土累积变形特性的影响，根据振动三轴试验数据，提出了红层泥岩土的动力累积变形预测模型。根据红层泥岩累积变形预测模型并结合动力学分析计算得到的红层泥岩基床底层(1．7m)的累积沉降为3．94mm。 4．在高速铁路路基设计理论的指导下，结合红层泥岩土材料特性，提出了无砟轨道与有砟轨道红层泥岩路基结构型式与设计参数，并通过长期运营或现场循环加载试验证明了其合理性。有砟轨道红层泥岩路基基床结构可为0．6m级配砂砾石(或碎石)+0．2m中粗砂夹复合土工膜+1．7m红层泥岩土，路堤本体由红层泥岩土填筑。对于无砟轨道基床结构，可采用以下标准：①基床总厚度3．0m，其中表层级配碎石0．7m，底层A、B组填料2．3m，下部为红层泥岩路堤本体，适用于板式无砟轨道与轨枕埋入式无砟轨道；②基床总厚度2．7m，其中表层级配碎石0．4m，底层A、B组填料2．3m，下部为红层泥岩路堤本体，或表层级配碎石0．7m，防水层0．2m，下部为红层泥岩路堤本体，适用于双块式无砟轨道。 5．首次针对针对达成线“0．6m级配砂砾石(或碎石)+0．2m中粗砂夹复合土工膜+1．7m红层泥岩土”的红层泥岩土基床结构等3种基床结构采用现场循环加载试验方法(ZSS50加载设备)，掌握了其在多种工况条件下(不同列车轴重与降雨影响)的动应力、动位移、加速度等动态响应大小与分布，结果表明其动力特性满足时速200km铁路设计要求。试验结果与动力有限元法计算结果吻合良好。 (1)ZSS50循环加载设备作为现场循环加载试验的主要设备，经试验验证，可满足不同幅值不同频率的动力要求，可模拟不同轴重不同速度的列车对轨道及路基的动力作用，是研究轨道及路基动力特性的重要设备。 (2)红层泥岩土基床的最大动应力、动位移及加速度分别为43．89kPa、0．755mm及6．201m/s。；红层泥岩基床底层的最大动应力、动位移及加速度分别为20．58kPa、0．529mm及4．166m/s2；在同一频率下，列车轴重是影响基床动态响应的主要因素，大气降雨的影响有限。 6．采用离心模型试验、现场路基沉降观测、现场循环加载试验与数值分析等方法，对红层泥岩土路基的压密沉降进行了分析。红层泥岩土路基在重力作用下的压密沉降由红层泥岩粗颗粒崩解、流变、非饱和土固结以及路基结构侧向变形等多种因素引起。建议采用(压密沉降量占路基高度的)百分率法对红层泥岩土路基压密沉降量进行分析。在目前高速铁路路基设计与施工技术条件下，高速铁路红层泥岩土路基(高度≤6m的有砟与无砟轨道路基)压密沉降的压缩率为0．2‰～0．46‰，红层泥岩改良土路基(高度≤6m的有砟与无砟轨道路基)压密沉降的压缩率为0．12‰～1‰，变形趋于稳定的时间为5个月～7个月；红层泥岩层本身压缩率小于0．67‰，红层泥岩改良土层本身压缩率小于0．65‰。设计时可将路基高度的1‰作为高速铁路红层泥岩土路基压密沉降值，变形趋于稳定的时间为5个月～7个月。 7．红层泥岩土路基受大气降雨或浸水作用产生的软化的深度大小直接受红层泥岩土的压实质量的影响。若粗颗粒少、压实密度大、孔隙小，则土体的渗透系数小，大气降雨对路基的影响深度有限，雨水较难进入路基内部，而是仅仅影响路基面与边坡表层。红层泥岩土的膨胀率随荷载的增大而减小，且膨胀率都较小。由于红层泥岩路基设置了防水层并采取了防排水措施，将红层泥岩土体与大气降雨隔离开来，能快速的排除大气降雨，因此可以认为压实红层泥岩土的浸水软化与膨胀特性对高速铁路路基的影响非常有限。 8．综合考虑红层泥岩的崩解与软化特性、路基压实质量、施工机械对红层泥岩粗颗粒的进一步破碎作用、工期等因素，确定了填筑路基时红层泥岩填料粒径大小的标准，即崩解或破碎后的最大粒径≤15cm。从红层泥岩土的压实特性、强度特性、路基边坡稳定性、沉降特性等几个方面论证了红层泥岩土的强度变形特性满足高速铁路路基的要求。从红层泥岩土的动强度、动力残余累积变形、红层泥岩基床实际动态响应以及红层泥岩基床结构型式等几个方面论证了红层泥岩土的动力特性满足高速铁路路基基床底层的要求。从红层泥岩土的软化特性、膨胀收缩特性、压实红层泥岩土路基受雨水的影响程度、防排水措施设置等几个方面论证了红层泥岩土的水稳定特性对路基的不利影响非常有限。最终确定红层泥岩土填筑高速铁路路基是适宜的。 9．对红层泥岩改良土进行了压实、强度、水稳定性等试验研究，并通过离心模型试验、现场路基沉降观测、现场循环加载试验等方法对改良土路基的工作性能进行了研究。试验结果表明红层泥岩改良土强度高，变形小，遇水不易软化，水稳定性好，可满足高速铁路路基强度、变形、稳定性与耐久性等要求。 10．结合红层泥岩本身的材料特性(崩解、软化、膨胀性等)与相关的路基工程设计施工经验，提出了较为系统的高速铁路红层泥岩及其改良土路基设计与施工关键技术，主要包括红层泥岩的选用标准与使用方法、路基结构型式(包括无砟轨道与有砟轨道)、路基边坡加固和防护技术、防排水技术、施工工艺、改良工艺、质量检测标准等，并经过现场试验段的长期检验证明是合理的。红层泥岩及其改良土路基设计与施工技术为红层泥岩在高速铁路路基工程中的推广应用提供有力参考，对红层地区时速200km以上铁路路基设计、施工、管理具有指导意义，具有显著的社会与经济效益。研究成果总体达到国际先进水平。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 高速铁路路基工程特点及研究现状

1.1.1 高速铁路路基的沉降变形特点及要求

1.1.2高速铁路路基的动力特性

1.1.3 高速铁路路基结构

1.1.4高速铁路路基对填料的要求

1.2研究课题的提出

1.3论文的技术路线与研究内容

1.3.1 技术路线

1.3.2试验研究内容

1.3.3 理论分析内容

第2章我国红层分布与红层泥岩的基本特性

2.1 我国红层形成的地质历史背景及分布

2.2我国西南地区红层的分布

2.3 四川盆地红层泥岩风化物及风化带的一般特征

2.4红层的成因类型对其颗粒特性的影响

2.5红层泥岩的基本特性

2.5.1 红层软岩的矿物组成及化学成分

2.5.2红层软岩的岩体结构特性

2.5.3 红层软岩的崩解特性

2.5.4红层软岩的膨胀收缩特性

2.5.5 红层软岩中铁质物的作用

2.5.6红层软岩的一般物理力学性质

2.6 层泥岩路用性能研究概况

2.6.1 早期铁路与公路红层泥岩路基的常见病害

2.6.2近期修建的一些红层泥岩路基工程

2.6.3 红层泥岩的路用工程特性

2.7本章小结

第3章 红层泥岩及其改良土物理力学特性试验研究

3.1 遂渝线工点红层泥岩土物理力学特性试验研究

3.1.1 击实试验

3.1.2三轴剪切试验

3.1.3膨胀率试验

3.1.4承载比试验

3.1.5 软化试验

3.2遂渝线工点红层泥岩改良土物理力学特性试验研究

3.2.1 红层泥岩石灰改良土击实试验

3.2.2红层泥岩石灰改良土无侧限抗压强度试验

3.2.3 红层泥岩石灰改良土承载比试验

3.2.4红层泥岩水泥改良土击实试验

3.2.5 红层泥岩水泥改良土无侧限抗压强度试验

3.3达成线工点红层泥岩土物理力学特性试验研究

3.3.1击实试验

3.3.2软化试验

3.3.3三轴剪切试验

3.3.4膨胀率试验

3.3.5承载比试验

3.4达成线工点红层泥岩土动力特性的振动三轴试验研究

3.4.1试验概况

3.4.2试验结果与分析

3.5遂渝线与达成线工点红层泥岩土工程性质对比

3.6本章小结

第4章 遂渝线无砟轨道红层泥岩及其改良土路基沉降特性的离心模型试验研究

4.1 试验目的

4.2试验设备简介

4.3试验方案

4.3.1 相似比设计与模型尺寸

4.3.2模型材料

4.3.3路堤填土模型制作

4.3.4路堤上部荷载的模拟

4.4试验模拟过程

4.4.1 路基的施工填筑与放置

4.4.2路基的长期使用

4.5主要试验步骤

4.6试验结果

4.6.1 模型1试验结果

4.6.2模型2试验结果

4.6.3模型3试验结果

4.6.4模型4试验结果

4.6.5不同模型的试验结果比较

4.7本章小结

第5章达成线红层泥岩土路基动力特性的现场循环加载试验研究

5.1试验目的与意义

5.2试验段概况与试验研究内容

5.3试验研究方法

5.3.1试验研究方法

5.3.2 ZSS50循环加载试验设备简介

5.4试验加载指标

5.4.1加载顺序

5.4.2 理论加载指标

5.4.3实际加载指标

5.5试验基本过程

5.6试验结果

5.6.1 红层泥岩土基床动态特性及变形规律

5.6.2 A、B组填料基床动态特性及变形规律

5.6.3 红层泥岩改良土基床动态特性及变形规律

5.7本章小结

第6章 遂渝线无砟轨道红层泥岩及其改良土路基现场沉降观测试验研究

6.1 无砟轨道铺设条件的线下工程沉降变形评估

6.1.1沉降变形评估的依据、标准

6.1.2 无砟轨道路基沉降变形评估的主要内容

6.1.3 无砟轨道铺设条件评估技术标准

6.2测试目的

6.3 路基试验段概况

6.4测试仪器与测试方法

6.5沉降测试结果分析

6.5.1 红层泥岩土路基沉降测试数据

6.5.2无砟轨道铺轨时间点确定与工后沉降量预估

6.5.3 红层泥岩及其改良土路基的压缩率

6.6本章小结

第7章 红层泥岩土路基受力变形与稳定性分析

7.1 达成线红层泥岩土路基动力特性有限元分析

7.1.1 红层泥岩土路基-轨道耦合系统动力分析模型

7.1.2模型在ANSYS软件中的实现及计算参数选取

7.1.3计算结果分析

7.2 红层泥岩路基沉降变形分析

7.2.1 红层泥岩土路基的压密沉降

7.2.2红层泥岩土路基列车荷载作用下累积沉降量计算

7.3 红层泥岩土路基边坡稳定性分析

7.4本章小结

第8章 红层泥岩及其改良土填筑高速铁路路基的适应性综合评价

8.1 红层泥岩填料粒径大小标准的确定

8.2红层泥岩土的强度变形特性满足高速铁路路基的要求

8.3 红层泥岩土的动力特性满足高速铁路基床底层的要求

8.4红层泥岩土的水稳定特性对高速铁路路基的影响分析

8.5 红层泥岩改良土填筑高速铁路路基的适应性分析

8.6本章小结

第9章 红层泥岩及其改良土路基关键工程技术

9.1 红层泥岩土路基关键工程技术

9.1.1 关键设计技术

9.1.2关键施工技术

9.2红层泥岩改良土路基关键工程技术

9.2.1 石灰改良土路基路拌法施工

9.2.2石灰改良土路基场拌法施工

9.2.3质量检测

结论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果