考虑长期行车振动效应的寒区高铁路基级配碎石层冻胀预测与评价

The void compaction and particle breakage of subgrade fills under long-term train loading may be susceptible to frost heave. Therefore, it may lead to frozen damage of subgrade. However, few prediction methods are provided to evaluate the extent of this effect. In this study, firstly, the cyclic tri-axial tests of graded gravel under high-speed train loading will be conducted, and then the accumulated deformation and the evolution of fines content will be studied. The high-cycles cyclic elasto-plastic constitutive model is developed to describe the accumulation and breakage behaviour of graded gravel. Then a frost heave model accounting for the basic freezing features of graded gravel is to be proposed based on a series of one-dimensional freezing tests. Lastly, a predication method accounting for long-term train loading will be proposed to estimate the frost heave amount of graded gravel layer, and then the evolution of frost heave of this layer will be evaluated in the whole life. This study can optimize the design approach for the high-speed railway in clod regions and may be used in the construction of highway or airport. In addition, this research can promote the development of soil dynamics and frost heave theory.

长期行车振动荷载下高铁路基填料孔隙压密、颗粒破损导致细粉粒增加等变化对其冻胀性能会产生影响，进而可能导致路基在运营期间冻胀失效。目前，行车振动效应对路基填料冻胀敏感性的影响程度与范围并不明确，相关的预测理论与计算方法尚未出现。鉴于此，本项目以级配碎石层为研究对象，首先利用模拟列车行驶振动荷载作用的循环三轴试验还原级配碎石变形累积、颗粒破损的演化过程，构建可以详细描述前述特征变化的大周次循环荷载下级配碎石填料的弹塑性本构模型。继而通过设计级配碎石填料一维冻胀试验，建立符合其冻胀发生机制的冻胀预测模型。最后建立考虑列车行驶振动效应的寒区高铁级配碎石层冻胀预测计算方法，并对高铁路基服役期间基床表层冻胀量演化进行评估。通过本项目的研究可以优化寒区高铁路基抗冻胀设计方法，相关的技术理论也可推广应用于寒区高速公路，民航机场等工程中。同时该研究对土动力学和土体冻胀理论的发展具有一定促进作用。

本项目以寒区高铁路基冻胀病害防控为出发点，旨在揭示高铁列车长期行车振动作用与路基填土冻胀之间的相关性，并建立相关的计算模型与预测框架。为了达到这些目的本项目系统开展了模拟高速列车行驶振动荷载的路基填土的循环三轴试验，揭示了长期循环加载下路基土的变形特性与状态演化，突破变幅值加载的影响，建立了长期循环荷载下的冻结路基土的弹塑性本构模型，开发了路基填土的体积冻胀率试验，基于土体冻结特征，提出了体积冻胀率预测技术流程，主要的研究成果如下：（1）基于系统的冻结填土长期循环三轴试验，构建了土体累积剪应变的经验公式和累积方向比的经验公式以及长期低幅循环荷载下动态模量的计算模型，在经典弹塑性理论框架下建立了模拟寒区高铁路基填土在长期低幅循环荷载下弹塑性变形特性的本构模型；（2）基于变幅值循环加载工况下的循环三轴试验，发现应变累积历史与循环荷载幅值对残余应变累积速率和循环变形模量的耦合影响作用，通过引入“过应力幅值”的概念，将两者的耦合影响进行统一考虑，建立了适用于变幅值循环加载条件下的增量型本构模型；（3）开发了路基粗颗粒填料的单元冻胀率的试验方法，重点关注细颗粒含量和含水量的影响，开展了系列的单元冻胀率测试试验，引入土体冻结特征曲线，建立了单元冻胀率的半经验预测模型。