高速铁路路基累积沉陷的宏细观尺度研究

铁路路基是轨道下方直接承载列车动荷载的关键土工构筑物，一般由基床表层、基床底层和路堤本体构成。大周次列车循环荷载产生的路基累积沉陷导致轨道变形，影响高速列车运行的安全性和舒适性。如何正确认识累积沉陷的发生机理和发展规律，进而实现有效控制是高速铁路建设中亟待解决的难题。本课题通过细观尺度与宏观尺度相结合来研究路基的累积沉陷问题。建立考虑路基颗粒料真实几何形状和级配特性的细观分析理论和计算方法，基于数值仿真揭示路基颗粒料的运动规律和四种累积沉陷模式的发生机理；通过单元体试验获得单向循环荷载和有主应力轴旋转的交通荷载作用下颗粒料的强度和变形特性；结合细观尺度上揭示的沉陷发展机理和宏观尺度上获得的变形特性，提出路基累积沉陷的判别准则和预测理论；最后，通过模型试验验证所提出的累积沉陷分析理论，提出相应的控制对策。本项目的研究对于我国土质路基上建造安全可靠的高速铁路具有重要意义。

高速铁路路基是轨道下方直接承载列车循环动荷载的关键土工结构物，由基床表层、基床底层和路堤本体构成。大周次列车循环荷载产生的路基累积沉陷导致轨道变形，影响高速列车运行的安全性和舒适性。如何正确认识累积沉陷的发生机理和发展规律，进而实现有效控制是高速铁路建设中亟待解决的难题。本课题通过细观尺度与宏观尺度相结合来研究路基的累积沉陷问题。建立了基于双平面镜和三视图的颗粒图像采集软硬件平台，建立颗粒的三维模型，利用几何形状参数对不同颗粒形状进行了分类；将颗粒三维模型引入基于多面体的离散元程序进行数值仿真，揭示了颗粒细观尺度行为对宏观力学特性的影响机理；通过单元体试验获得单向循环荷载作用下颗粒料的力学特性，发现粗粒料颗粒的破碎主要发生于制样过程，道砟和底砟间界面效应对于限制永久塑性变形和体积应变具有积极作用；基于全比尺物理模型试验，通过时序加载系统施加高速列车移动荷载，提出了高速铁路路基内部动应力计算的经验公式，实现了板式轨道-路基不同深度和速度条件下路基动应力的计算；分析了水位上升对系统动力稳定性和动力累积变形的影响，发现当路基达到完全饱和时，两者均远远超出了规范的要求，建议在路基设计中应该充分考虑水对路基强度和变形的影响；长期列车循环加载试验结果初步表明将非水反应高聚物注浆技术应用到高速铁路无砟轨道路基沉陷的修复中是可行的，修复后轨道-路基系统的动力稳定性和动力累积变形均满足无砟轨道路基的技术要求；通过在车—轨—路垂向耦合模型中引入典型沉降模式，结合乘客舒适度指标和轮重减载率指标获得了列车不同运行速度下的路基沉降控制标准,为不同路基沉降情况下列车运行速度控制提供了依据。本项目的研究对于我国土质路基上建造安全可靠的高速铁路具有重要意义。