循环荷载下高速铁路改良黄土路基累积塑性变形及长期动力稳定性研究

Due to the lack of good filling, improved loess is usually used to fill subgrade of high-speed railway in loess area. The long-term dynamic stability and design method of improved loess subgrade are directly related to the safety and comfort of high speed train operation as well as maintenance cost of subgrade. However, there has been little research on the long-term dynamic stability of improved loess subgrade. Neither relevant data nor experience could be obtained. In this project the long-term dynamic stability and design method of improved loess subgrade under cyclic loading is studied. With dynamic three-axis test, dynamic model testing and statistical analyzing, combining with unconfined compression test and ground coefficient test, the dynamic characteristics, the parameters of dynamic stability and the change rules of accumulated strain of improved loess are researched under different conditions. The main influence factors on both the dynamic stability parameters and the long-term accumulated deformation are obtained. The evolution status categories and criteria of the accumulated plastic deformation are provided. An accumulated plastic deformation model is established which can reflect many influence factors. The long-term dynamic stability of improved loess subgrade under cyclic loading is evaluated, and the evaluation system and design method of the long-term dynamic stability for improved loess subgrade of high speed railway are proposed. The research results can provide data and theory basis for both evaluating long-term dynamic stability and designing improved loess subgrade of high-speed railway.

在黄土地区修建高速铁路，由于缺乏优良填料常采用改良黄土填筑路基。循环荷载作用下改良黄土路基的长期动力稳定性及其设计方法直接关系到高速列车运营的安全性、舒适性和路基的维修费用，但目前有关改良黄土路基长期动力稳定性的研究颇少，也没有相关数据或经验可依。本课题拟通过动三轴、动态模型试验和统计分析，结合无侧限抗压强度和地基系数试验，研究循环荷载作用下改良黄土不同工况下的长期累积变形、动力特性及动力稳定性参数的变化规律，掌握影响改良黄土动力稳定性参数和长期累积变形的主要因素；提出累积塑性变形的演化状态类别和判别准则，建立能反映多重因素影响规律且适用性较强的累积塑性变形模型；评价循环荷载作用下改良黄土路基长期动力稳定性；构建高速铁路无砟轨道改良黄土路基长期动力稳定性评价体系和设计计算方法。研究结果将对黄土地区高速铁路改良黄土路基的长期动力稳定性评价和设计方法提供数据支持和理论依据。

高速铁路对沉降的要求十分严格，路基作为轨道结构的基础，是保证轨道结构平顺和稳定的前提。随着西部大开发战略的不断推进，在黄土地区修建高速铁路所遇到的问题越来越多，以沿线优良A、B组填料最为突出。为满足高速铁路对路基填料的要求、扩大黄土填料的使用范围，最好的方法是用水泥、石灰等固化剂对其进行改良。目前针对高速铁路循环荷载作用下水泥、石灰改良黄土路基基床动力稳定性的研究较少，也缺乏相关经验和相对成熟的理论。因此，本文通过动三轴试验、室内动态模型试验和数值模拟等手段，对改良黄土路基基床长期动力稳定性展开系统地研究。通过室内物理力学特性试验和静动三轴试验，测试重塑黄土、不同掺量的水泥和石灰改良黄土物理力学指标，得到改良黄土的无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角、动强度、动模量等随水泥、石灰掺量变化关系。对不同掺量的水泥、石灰改良黄土进行了短时及疲劳动三轴试验，得到短时动剪应变门槛、疲劳动剪应变门槛及临界动应力随围压和固结比的关系，并通过回归分析拟合了相应的关系式，进一步得出短时动剪应变门槛与疲劳动剪应变门槛满足的关系。通过室内动态模型试验，对兰州地区黄土和水泥改良黄土填料路基进行了不同工况下路基结构长期累积变形随循环加载作用次数的变化规律研究，确定了两种路基累计塑性变形的发展规律，建立了循环荷载作用下水泥改良黄土路基的长期累积塑性变形预测模型。通过多体动力学软件对高速列车进行建模，通过车路耦合模型研究了六种不同轨道结构形式下改良黄土路基动力响应的分布与衰减规律，并结合前人研究成果，得到不同轨道结构下高速铁路改良黄土路基的动力响应规律，从而对黄土地区的高速铁路修建和运营以及水泥改良黄土路基的动力稳定性评价提供理论依据。最后，分别采用临界动应力法和动剪应变法对改良黄土路基动力稳定性进行评价，通过对比分析，动剪应变法是评价改良黄土路基动力稳定性更适宜、更准确的方法。