黄土地区重载铁路路隧过渡段地基动力响应及累积沉降特性研究

摘要

机械、材料与加固方案的进步推动了铁路货运的快速发展，尤其体现在列车牵引质量与轴重的增加、速度的提升，这势必导致重载铁路路基与地基的动力效应显著增强。黄土地区的路基-隧道过渡段在这种动力作用下将产生较大的差异动位移、差异动应力与差异累积沉降，一方面影响其工作状态与服役寿命;另一方面基础结构的差异沉降会导致显著的轨道不平顺，进而引发更大的轮轨动力作用，进一步加剧差异累积沉降发展，加速路基破坏并威胁列车出轨。综上，过渡段差异动力响应与差异累积沉降问题直接关系到重载列车的运行安全、线路能否提速与增重（增加牵引质量或轴重）等关键问题，已经成为路隧过渡段地基设计中需要考虑的主要方面。
　　鉴于此，本文基于“重载铁路施工关键技术研究”课题与863课题“重载铁路桥梁和路基检测与强化技术”，以新建准池重载铁路黄土地区的路基-隧道过渡段动力特性与累积沉降变形为应用背景，采用室内试验、现场监测、理论分析与数值模拟相结合的技术手段，研究了非饱和黄土的静力和动力变形特性、灰土挤密桩处理的过渡段复合地基和天然地基动力响应与长期列车荷载作用下地基的累积沉降变形等问题，主要研究内容和成果如下。
　　(1)通过静力三轴试验，分析了含水率、压实度对非饱和黄土在不同围压下变形与强度特性的影响，研究了初始弹性模量的变化规律，建立了强度计算的实用模型。通过动力三轴试验，分析了重塑黄土与原状黄土分别在不同含水率、不同围压水平下的动力变形规律，研究了含水率和围压对黄土的动变形模量、阻尼比的影响规律;通过多次循环动力加载试验分析了黄土累积塑性变形特性，研究了动应力、干密度、含水率等因素的影响规律，并以动偏应力与静破坏强度之比为归一化因子，建立了黄土累积塑性应变与加载次数、动应力水平、静破坏强度等参数之间的关系模型。
　　(2)针对路隧过渡段施工期卸载-再加载特点，基于静三轴试验，开发了非线性弹性本构模型以用于施工分析，并详细介绍了模型中各参数和在有限元软件中的二次开发指导。建立了路基-隧道过渡段一体化施工有限元模型，且基于施工应力场传递至动力分析模型的机制，建立了轨道-路基-隧道-复合地基耦合动力有限元模型，上述两个有限元模型严格一致以保证应力场传递，并且考虑了基于Coulomb摩擦理论的桩土相互作用。通过与现场监测数据进行对比，验证了计算结果合理性和准确性。0(3)采用所建立的路隧过渡段一体化施工模型进行了过渡段开挖-支护-回填施工计算，分析了地表沉降分布特征，并研究了非线性弹性参数的影响规律，通过与现场监测数据、类似研究结果进行对比分析，验证了所用模型的合理性与正确性。基于施工结束后过渡段的应力空间分布特点，建立了分区增量模型以用于描述动力分析中黄土地层的变形行为，并针对过渡段模型计算了每个区块内的增量参数A与B，该模型可在保证复杂模型计算精确度的前提下显著提高计算效率。
　　(4)采用建立的过渡段动力分析模型计算了过渡段路基与地基的动位移与动应力，考虑了天然地基与复合地基两种情况，分析了其沿线路横向、纵向和竖向的分布特征，并研究了列车轴重、速度对动位移、动应力的影响规律。
　　(5)分析了地层动偏应力沿深度方向和线路纵向的分布规律，结合建立的重载列车作用下非饱和黄土的累积塑性应变预测模型，计算了长期列车动力作用下路隧过渡段地基的累积沉降与差异沉降，并分析了累积沉降沿线路纵向的分布特征，进一步研究了列车轴重、速度、灰土挤密桩桩长和桩间距对累积沉降与差异沉降的影响规律。

目录

声明

摘要

致谢

1绪论

1．1研究背景及意义

1．1．1问题的提出

1．1．2背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1重载运输最新进展

1．2．2隧道与路基动力响应研究

1．2．3过渡段动力响应研究

1．2．4累积塑性变形研究

1．3目前研究不足

1．4研究内容

1．5主要创新点

1．6研究技术路线

2．1 引言

2．2黄土静力学性能分析

2．2．1黄土试样

2．2．2试验方案

2．2．3试验结果分析

2．3黄土动力学性能分析

2．3．1设备仪器

2．3．2试验方案

2．3．3试验结果分析

2．4黄土累积塑性变形特性研究

2．4．1 塑性应变发展规律

2．4．2累积塑性应变预测模型

2．5本章小结

3 路隧过渡段施工与动力分析模型的建立

3．1 引言

3．2非线性弹性本构模型开发

3．2．1增量广义胡克定律

3．2．2土体应力-应变关系

3．2．3切线变形模量

3．2．4卸载-再加载模型

3．2．5剪切强度修正

3．2．6本构模型程序实现

3．3施工应力场传递机制

3．3．1静应力场处理方法

3．3．2静应力场输入方法

3．4施工力学模型建立

3．4．1 单元选取

3．4．2材料本构关系选取

3．4．3桩-土相互作用

3．4．4材料参数选取

3．4．5几何与边界确定

3．4．6施工有限元模型建立

3．5动力分析模型建立

3．5．1列车动力荷载

3．5．2动力分析边界

3．5．3单元网格与时间步长

3．5．4本构模型与材料参数

3．5．5材料阻尼确定

3．4．6地应力传递

3．5．7运动方程建立与求解

3．4．7动力有限元模型建立

3．6模型可行性验证

3．6．1监测原理

3．6．2监测现场概况

3．6．3仪器布设方案

3．6．4计算与实测对比

3．7本章小结

4路隧过渡段施工位移与应力分布特征研究

4．1 引言

4．2施工方案与计算流程

4．2．1施工工艺

4．2．2支护结构形式

4．2．3计算流程

4．3计算工况

4．4施工计算结果分析

4．4．1可行性验证

4．4．2地表沉降分布特征

4．4．3应力场分布特征

4．5分区增量模型建立

4．5．1模型提出

4．5．2区块划分

4．5．3动模量分布

4．6本章小结

5重载列车作用下路隧过渡段动力响应分析

5．1 引言

5．2过渡段自振频率特性

5．3过渡段动位移分布特征

5．3．1动位移空间特性分析

5．3．2不同轴重下动位移分布特征

5．3．3不同速度下动位移分布特征

5．4过渡段动应力分布特征

5．4．1动应力时程特性分析

5．4．2不同轴重下动应力分布特征

5．4．3不同速度下动应力分布特征

5．5过渡段应力路径特征

5．5．1 不同轴重下应力路径特征

5．5．2不同速度下应力路径特征

5．6本章小结

6循环动力作用下过渡段地基累积沉降特性分析

6．1 引言

6．2塑性变形机理与常用模型

6．2．1 累积塑性变形机理

6．2．2常用累积塑性应变模型

6．3预测模型与计算方法

6．3．1累积沉降预测模型方程

6．3．2模型参数解释与确定

6．3．3计算步骤

6．4地基动偏应力分布特征

6．5地基累积塑性沉降预测

6．5．1 不同轴重下地基累积沉降

6．5．2不同桩间距下地基累积沉降

6．5．3不同桩长下地基累积沉降

6．6本章小结

7结论与展望

7．1主要结论

7．2后续改进与展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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