高速鐵路路基累積沉陷的宏細觀尺度研究結(jié)題摘要

高速鐵路路基是軌道下方直接承載列車循環(huán)動荷載的關(guān)鍵土工結(jié)構(gòu)物，由基床表層、基床底層和路堤本體構(gòu)成。大周次列車循環(huán)荷載產(chǎn)生的路基累積沉陷導(dǎo)致軌道變形，影響高速列車運行的安全性和舒適性。如何正確認識累積沉陷的發(fā)生機理和發(fā)展規(guī)律，進而實現(xiàn)有效控制是高速鐵路建設(shè)中亟待解決的難題。本課題通過細觀尺度與宏觀尺度相結(jié)合來研究路基的累積沉陷問題。建立了基于雙平面鏡和三視圖的顆粒圖像采集軟硬件平臺，建立顆粒的三維模型，利用幾何形狀參數(shù)對不同顆粒形狀進行了分類；將顆粒三維模型引入基于多面體的離散元程序進行數(shù)值仿真，揭示了顆粒細觀尺度行為對宏觀力學(xué)特性的影響機理；通過單元體試驗獲得單向循環(huán)荷載作用下顆粒料的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)粗粒料顆粒的破碎主要發(fā)生于制樣過程，道砟和底砟間界面效應(yīng)對于限制永久塑性變形和體積應(yīng)變具有積極作用；基于全比尺物理模型試驗，通過時序加載系統(tǒng)施加高速列車移動荷載，提出了高速鐵路路基內(nèi)部動應(yīng)力計算的經(jīng)驗公式，實現(xiàn)了板式軌道-路基不同深度和速度條件下路基動應(yīng)力的計算；分析了水位上升對系統(tǒng)動力穩(wěn)定性和動力累積變形的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)路基達到完全飽和時，兩者均遠遠超出了規(guī)范的要求，建議在路基設(shè)計中應(yīng)該充分考慮水對路基強度和變形的影響；長期列車循環(huán)加載試驗結(jié)果初步表明將非水反應(yīng)高聚物注漿技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路無砟軌道路基沉陷的修復(fù)中是可行的，修復(fù)后軌道-路基系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性和動力累積變形均滿足無砟軌道路基的技術(shù)要求；通過在車—軌—路垂向耦合模型中引入典型沉降模式，結(jié)合乘客舒適度指標(biāo)和輪重減載率指標(biāo)獲得了列車不同運行速度下的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn),為不同路基沉降情況下列車運行速度控制提供了依據(jù)。本項目的研究對于我國土質(zhì)路基上建造安全可靠的高速鐵路具有重要意義。 2100433B

鐵路路基是軌道下方直接承載列車動荷載的關(guān)鍵土工構(gòu)筑物，一般由基床表層、基床底層和路堤本體構(gòu)成。大周次列車循環(huán)荷載產(chǎn)生的路基累積沉陷導(dǎo)致軌道變形，影響高速列車運行的安全性和舒適性。如何正確認識累積沉陷的發(fā)生機理和發(fā)展規(guī)律，進而實現(xiàn)有效控制是高速鐵路建設(shè)中亟待解決的難題。本課題通過細觀尺度與宏觀尺度相結(jié)合來研究路基的累積沉陷問題。建立考慮路基顆粒料真實幾何形狀和級配特性的細觀分析理論和計算方法，基于數(shù)值仿真揭示路基顆粒料的運動規(guī)律和四種累積沉陷模式的發(fā)生機理；通過單元體試驗獲得單向循環(huán)荷載和有主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的交通荷載作用下顆粒料的強度和變形特性；結(jié)合細觀尺度上揭示的沉陷發(fā)展機理和宏觀尺度上獲得的變形特性，提出路基累積沉陷的判別準(zhǔn)則和預(yù)測理論；最后，通過模型試驗驗證所提出的累積沉陷分析理論，提出相應(yīng)的控制對策。本項目的研究對于我國土質(zhì)路基上建造安全可靠的高速鐵路具有重要意義。

本項目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動三軸試驗、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗驗證，揭示粉粒夾層厚度對層狀砂土液化影響的宏細觀機理，主要研究內(nèi)容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細觀組構(gòu)特征及其演化規(guī)律；（2）利用離散單元法中的顆粒流理論，在細觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對飽和層狀砂土液化特性影響的宏細觀機理進行系統(tǒng)研究，分析宏細觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細觀力學(xué)機理，并用離心機試驗對模擬結(jié)果進行驗證。本項目的開展不僅能夠為砂土液化研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的認識，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場液化現(xiàn)象提供細觀力學(xué)解釋。

鑒于自然界的砂土特別是水力沖填形成的砂土，大都為具有一定分選性的層狀結(jié)構(gòu)，本課題利用自動數(shù)碼攝像實時跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖象變形量測及處理技術(shù)，進行了含粉粒夾層飽和層狀砂土地基液化宏細觀機理研究，獲取了層狀砂土液化發(fā)生和發(fā)展過程中砂粒和粉粒層孔壓變化、砂粒和粉粒接觸層面變化以及相應(yīng)各細觀參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了相對弱透水粉粒夾層的存在對砂土液化宏細觀特征影響的內(nèi)在規(guī)律。研制了可用于研究散粒體細觀特征的可視化動三軸試驗系統(tǒng)，并利用所研制的可視化動三軸試驗系統(tǒng)，從宏細觀結(jié)合的角度對單調(diào)和循環(huán)荷載作用下飽和均勻及含粉粒夾層層狀砂土液化的宏觀特性、顆粒運動規(guī)律及細觀特征進行了研究，得到了土體中粉粒層存在對砂土液化宏細觀特性影響的基本規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，引入散粒介質(zhì)的顆粒流理論及PFC分析方法，開發(fā)了非圓顆粒和基于散體介質(zhì)理論的流體-離散顆粒耦合動力分析方法，建立了飽和均勻及層狀砂土液化流固耦合細觀數(shù)值模型，從離散顆粒和孔隙流體二者之間的相互作用出發(fā)，探討不同厚度粉粒夾層的出現(xiàn)對層狀砂土液化及液化后變形宏細觀機制影響的規(guī)律及細觀力學(xué)機理,揭示了含粉粒夾層層狀砂土與均勻砂層液化過程中宏細觀特征差異的內(nèi)在原因。通過自主改裝的可視化動力離心模型試驗系統(tǒng)，直觀的觀察了層狀砂土液化過程中砂層與粉粒層界面變化和顆粒細觀結(jié)構(gòu)變化，驗證了顆粒流數(shù)值仿真模擬結(jié)果的可靠性。并通過與均勻砂土液化的比較，分析了不同厚度粉粒夾層對層狀砂土地基液化特征的影響機制，獲得了層狀砂土液化過程中砂土顆粒細觀組構(gòu)變化與液化宏觀特性的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了含粉粒夾層的飽和砂土液化與均勻砂土液化宏細觀機理的不同規(guī)律及內(nèi)在機理。本項目的研究成果不僅能夠為層狀砂土液化特征研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的新認識，而且還能為今后實際工程中的液化防治及抗震減災(zāi)提供參考。 2100433B

黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，降雨、灌溉、生活污水和地下水變化嚴(yán)重惡化了黃土地質(zhì)環(huán)境，孕育和誘發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害。因此系統(tǒng)檢測和查明不同地質(zhì)環(huán)境中黃土的含水狀況，從宏細觀深入探討含水狀態(tài)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在關(guān)系具有重要的科學(xué)意義和研究價值。本項目基于大量的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究，運用工程地質(zhì)、巖土力學(xué)與電子信息技術(shù)、電磁場理論等交叉學(xué)科的手段和方法，深入進行了基于探地雷達的土含水狀態(tài)宏細觀模型的理論與應(yīng)用研究。針對黃土典型的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)用快速無損的探地雷達技術(shù)檢測含水率，從試驗研究、理論分析及數(shù)值模擬等方面，研究了多因素影響的黃土介電常數(shù)與含水量宏觀模型?？紤]黃土的水敏感性，基于有效分子電場理論和介質(zhì)極化理論，建立了黏性土的混合介電常數(shù)模型，分析了界限體積含水率、孔隙率、飽和度對黏性土混合介電常數(shù)的影響規(guī)律，從細觀上深入研究黃土含水狀態(tài)對工程特性的影響。建立了土體的宏細觀含水狀態(tài)與介電常數(shù)模型，驗證了模型的適用性。建立了宏細觀含水狀態(tài)與結(jié)合水膜厚度的關(guān)系，確定了介電常數(shù)與黃土工程狀態(tài)劃分體系和評價指標(biāo)。采用時域有限差分法和人工智能技術(shù)，建立了復(fù)雜含水狀態(tài)非均質(zhì)黃土地電模型，進行了典型地質(zhì)災(zāi)害正演模擬和試驗驗證，分析了鐵路路基病害、鐵路隧道病害、高鐵無碴軌道病害等不同地質(zhì)災(zāi)害檢測的探地雷達圖像特征；研究了含水率的雷達信號特征提取，揭示了雷達圖像和黃土含水狀態(tài)間關(guān)系，提高了圖像解釋精度，完善了地質(zhì)災(zāi)害圖像數(shù)據(jù)庫；針對探地雷達測定黃土洞穴時出現(xiàn)的繞射干擾現(xiàn)象，對正演模擬數(shù)據(jù)格式文件進行了二次開發(fā)，結(jié)果表明提高了圓形洞穴和矩形洞穴的圖像解釋精度。進行了層位自動追蹤算法及其在鐵路隧道探地雷達檢測中的應(yīng)用研究，并結(jié)合實際隧道工程，對自動追蹤算法在隧道襯砌病害中的應(yīng)用進行驗證，并得到了很好的效果。研究成果具有創(chuàng)新性和應(yīng)用前景，可為西部地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃和防治提供重要依據(jù)。 2100433B