高速铁路改良膨胀土路堤动力特性的实验及理论研究

With the advancement of high-speed passenger transport in China, the expansion soil improved by lime started to be utilized in embankment construction of passenger railway and high-speed railway, which would definitely involve dynamic deformation issue of improved expansion soil embankment. By the combination of experimental and theoretical approaches, the in-depth investigation of the dynamic characteristics of typical improved expansion soil embankment in Jianghuai region is conducted under the effect of vibration load and dry-wet cycle, which has the vital practical significance. In this study, the influence of construction parameters on performance index and mechanical property of improved soil is analyzed by in-door test, then the optimum method of preparation parameters is proposed. On this basis, the embankment model is established with loading, measuring and raining&lighting system, and the dynamic model test of improved expansion soil embankment is preformed, from which the stress, displacement and humility field of embankment under service condition and soil strength attenuation are obtained. Then the energy dissipation analysis method is introduced. The external work rate and its mechanism of action are investigated and the kinematically admissible velocity field is constructed. The nonlinear energy dissipation rule of embankment system is studied, and the analytical formulation of embankment long-term stability is proposed. This study provides the experimental and theoretical basis for construction design optimization and long-term stability evaluation.

随着我国铁路高速客运的发展，石灰改良膨胀土开始应用于客运专线及高速铁路的路堤修建，这将不可避免地涉及改良膨胀土路堤的动力变形问题。本研究采用室内实验与理论分析相结合的方法，针对江淮地区典型改良膨胀土路堤在列车振动荷载及干湿循环作用下的动力特性展开深入研究，具有重要的现实意义。通过室内土工试验，综合分析不同施工参数对改良土物化指标和力学性质的影响，提出改良土制备参数的优选方法。建立路堤模型，结合加载、量测和降雨照明系统，进行改良膨胀土路堤的室内模型试验，获得改良土路堤在服役环境下应力、位移及湿度场等多场演变特征和土体强度衰减规律。在此基础上，引入能量耗散分析方法，对路堤振动变形过程中的外部功率输入及作用机理进行分析，构建路堤的相容速度场，研究路堤系统工作条件下的非线性能量耗散规律，进而建立路堤长期稳定性评估的解析表达式。本研究为改良膨胀土路堤的设计施工优化及长期安全性评价提供了理论依据。

江淮地区膨胀土分布广泛，其胀缩和强度衰减特性使其无法直接作为高速铁路等交通基础设施建设的基础主体结构。工程上一般对其进行改良，掺入石灰等改良剂可以改善其土体细观结构，显著提高其宏观强度特性，因此在工程中得到广泛的应用。本研究利用室内外试验，理论分析以及数值模拟等研究手段，从土体的微观结构分析入手，通过研究膨胀土以及改良土的微观指标的变化规律，分析其宏观指标的变化规律。针对改良膨胀土参数空间的分布不均问题，基于空间离散技术，进一步建立改良膨胀土路堤破坏的二维与三维模型，提出了其稳定性分析的基本方法。.开展合肥典型膨胀土微观结构的研究。通过观察对其原状试样、干湿循环以及石灰改良土在相同工况下微观结构的变化，进一步探究膨胀土具有胀缩性的微观原因，揭示改良膨胀土微观结构的本质变化。研究揭示了膨胀土结构的单元排列形式，分形维数、单元体形状系数，圆形度在干湿循环作用下的变化规律，并利用熵的变化度量了改良土单元体在固结压力下的定向度，初步建立了土体剪切破坏时宏观强度与微观指标之间的关系。.开展了改良膨胀土路基的稳定性分析方法研究。基于塑性力学上限基本原理，构建了改良膨胀土路堤的三维破坏机构。该破坏机构严格满足相关联流动法则和正交原理，符合速度破坏场的速度协调条件，能够准确反应出路堤的破坏模式和破坏时的土体内部的能量耗散规律。同时利用该破坏机构，探究了在动力作用下改良膨胀土路堤的速度间断面（塑性区）分布特征以及随着地震荷载的变化规律。对于稳定性不足的路堤，着重分析了其在抗滑桩加固作用下三维动稳定性特征。.针对改良膨胀土路堤的土体强度参数分布离散性较大的特征，提出三维以及二维条件下的离散上限分析方法。该机构基于空间离散技术，采用点到点的模式进行边坡破坏面的生成，能够较好地处理改良膨胀土的强度参数空间参数变异性问题。本研究提出了三维以及二维条件下路堤破坏机构的构建模式，提出了离散化的机动许可的速度场算法。同时利用该机构可以考虑路堤在地震等动力作用下以及孔隙水压力以及降水蒸发作用下长期稳定性问题。.本研究采用从微观结构特性到宏观力学指标到稳定性分析方法的研究脉络，初步厘清了改良膨胀土强度特征的变化特性以及内外微观机理。在此基础上，通过建立三维破坏机构，探究了改良土路堤破坏时塑性区的分布规律以及能量耗散规律，并针对改良膨胀土的参数变异性问题，创新性地提出了离散化稳定分析方法。