高速鐵路路基累積沉陷的宏細(xì)觀尺度研究項目摘要

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(rèn)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(xì)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(xì)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(xì)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。

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(rèn)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(xì)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(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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

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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)觀機理進行系統(tǒng)研究，分析宏細(xì)觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細(xì)觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細(xì)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(rèn)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)觀特征影響的內(nèi)在規(guī)律。研制了可用于研究散粒體細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)觀機制影響的規(guī)律及細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(rèn)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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