重载铁路黄土隧道复合基底沉降控制分析

摘要

随着国家西部开发的不断深入以及路网的逐渐完善，重载铁路建设快速进入西北黄土多山地区，为满足行车需要，实现克服高差、缩短里程及优化线性指标的目的，隧道的修建必不可少。目前，国内外对重载铁路的研究主要集中在轨道、路基和桥梁上，关于重载铁路对黄土隧道基底影响的研究较少。中国既有重载铁路隧道的基底设计缺少完善的规范指导，导致在铁路运营期间，部分隧道出现底部开裂破损、翻浆冒泥、下陷等病害，随着轴重增大、运量提高后，这种现象将更加明显，因此对重载铁路黄土隧道复合基底的深入研究具有重要工程意义。
　　本文以大准至朔黄铁路联络线中位于湿陷性黄土区浅埋偏压段的柳条山隧道为工程背景，对灰土挤密桩复合基底沉降控制进行了分析，通过室内试验研究了重塑黄土的工程特性及力学参数，分别采用理论公式和数值模拟计算了复合基底沉降量及变化规律，分析了灰土挤密桩参数设计对复合基底沉降的影响。本文所做的具体工作及主要研究成果如下:
　　1.在搜集和查阅文献资料基础上，总结分析了国内外重载铁路运输发展现状、黄土隧道复合基底加固及灰土挤密桩的应用等方面的研究进展，提出了本文的研究内容及技术路线。
　　2.重塑黄土的室内渗透试验和三轴剪切试验结果表明，重塑黄土的弹性模量与含水率和压实度呈线性关系，黏聚力与含水率和压实度呈指数关系，并为复合基底数值模拟提供了桩间土力学参数。
　　3.建立了重载铁路黄土隧道复合基底沉降计算模型，确定了复合基底荷载条件，通过角点法计算了复合基底附加应力，由分层总和法计算得到了黄土隧道复合基底的沉降量。
　　4.分别建立了隧道基底在不同进深处天然黄土地基和灰土挤密桩复合地基的有限元数值分析模型，分析了地层结构、桩端位置对隧道基底沉降的影响规律，确定了沉降量最大位置在隧道洞口处，并对灰土挤密桩的对隧道基底沉降控制效果进行了研究。
　　5.结合柳条山隧道工程实例，确定了影响复合基底沉降的参数及其合理取值范围，基于正交方法设计试验方案，对各参数进行了显著性检验，得到了桩长变化对基底沉降影响最显著，分析得到了复合基底沉降量与参数的变化呈指数关系，并结合沉降规律对柳条山隧道复合基底的设计提出了优化方案。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1．1 本文研究背景

1．1．2 本文研究意义

1．2 重载铁路运输发展现状

1．3 黄土隧道复合基底的加固研究现状

1．3．1 黄土隧道基底病害及成因

1．3．2 黄土隧道基底处理原则

1．3．3 黄土隧道基底加固方法

1．4 灰土挤密桩复合地基应用现状

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 柳条山隧道黄土工程特性分析

2．1 依托柳条山隧道地质条件

2．1．1 工程概况

2．1．2 气候特征

2．1．3 工程地质条件

2．1．4 试验黄土基本性质

2．2 黄土渗透特性分析

2．2．1 黄土渗透试验方案及方法

2．2．2 黄土土样饱和过程分析

2．2．3 渗透系数与初始含水率关系

2．3 重塑黄土力学特性分析

2．3．1 重塑黄土三轴剪切试验方案及数据校正

2．3．2 重塑黄土应力-应变曲线变化规律分析

2．3．3 重塑黄土弹性模量分析

2．3．4 重塑黄土应力路径曲线

2．3．5 重塑黄土抗剪强度指标变化规律

2．4 结合试验分析灰土挤密桩桩间土挤密效果分析

2．4．1 桩间土挤密作用分析

2．4．2 桩间土压实度分析

2．4．3 影响桩间土挤密效果因素

2．5 本章小结

3 重载铁路黄土隧道复合基底沉降计算方法研究

3．1 黄土隧道复合基底沉降分析典型断面选取

3．2 黄土隧道复合基底结构模型

3．2．1 柳条山隧道结构

3．2．2 灰土挤密桩复合基底设计

3．3 建立黄土隧道复合基底荷载模型

3．3．1 黄土隧道土层压力计算

3．3．2 黄土隧道结构自重计算

3．3．3 轨道及列车荷载计算

3．4．1 复合基底压力计算方法

3．4．2 垂直均布荷载下的复合基底附加应力方法

3．4．3 附加应力计算深度

3．5 隧道复合基底沉降计算方法

3．5．1 复合基底加固区沉降量S1的计算方法

3．5．2 复合基底下卧区沉降量S2的计算方法

3．5．3 沉降终值计算方法

3．6 隧道复合基底沉降计算结果

3．7 本章小结

4 重载铁路黄土隧道复合基底沉降控制的数值模拟分析

4．1 黄土隧道复合基底有限元模型建立

4．2 黄土隧道复合基底不同工况下沉降分析

4．2．1 隧道洞口段沉降

4．2．2 隧道基底下卧层较薄段沉降

4．2．3 灰土挤密桩为端承桩段沉降

4．2．4 隧道基底无黄土层段沉降

4．2．5 黄土隧道进深与复合基底沉降变化规律分析

4．3 灰土挤密桩对隧道基底沉降控制效果分析

4．3．1 整体沉降变形分析

4．3．2 隧道基底顶面沉降变形分析

4．3．3 隧道基底沿深度方向沉降变形分析

4．4 本章小结

5 隧道复合基底灰土挤密桩设计参数对沉降控制的影响分析

5．1 结合柳条山隧道工程实例确定参数及取值

5．2 基于正交试验对的复合基底设计参数显著性检验

5．2．1 基于正交试验的显著性检验程序

5．2．2 正交试验方案编制

5．2．3 复合基底沉降控制优化设计正交试验结果

5．2．4 灰土挤密桩设计参数对沉降影响显著性分析

5．3 灰土挤密桩设计参数对沉降控制影响

5．3．1 桩径对沉降特性影响分析

5．3．2 桩间距对沉降特性影响分析

5．3．3 桩间土含水率对沉降特性影响分析

5．3．4 桩间土挤密系数对沉降特性影响分析

5．3．5 桩长对沉降特性影响分析

5．4 柳条山隧道复合基底参数设计方案

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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