季节冻土区铁路列车行驶路基振动反应与稳定性研究

以我国东北典型季节冻土区铁路路基冻融病害防治为应用背景，立足于我们过去的研究基础与资料积累，并结合我们正在进行的相关研究工作，充分考虑列车行驶振动条件，通过深入的理论分析、数值模拟与现场监测、室内试验相结合研究手段，着眼于研究在列车行驶长期反复振动作用下季节性冻胀路基稳定性机理与影响因素、路基季节性冻胀－融沉变形发展规律与影响因素、路基季节性冻融失稳触发条件与灾害控制等三方面亟待解决的突出基础与理论问题，致力于为季节性冻胀路基病害治理措施的合理确定提供必要的理论依据，并给出季节性冻胀路基列车载荷下稳定性分析技术途径、沉陷预测技术方法，同时提出病害防治的若干可行建议。有利于进一步加深理解季节性冻胀路基列车载荷下稳定性、冻融病害等关键科学问题，对于避免病害治理措施选择的盲目性且确保措施的长期有效性无疑具有极其重要的实际意义，对于促进我国冻土动力学、轨道交通动力学的学科发展具有重要的理论意义。

本项目针对季节冻融铁路路，对京哈铁路轨道交通荷载下冻土、融土的动力性能、列车荷载下路基动力响应、长期列车荷载作用下路基动力永久变形和路基冻害处理等科学问题进行了基础性研究，主要研究内容与取得的成果如下。.(1) 通过室内低温动三轴试验，对比研究了在动应力条件、外界环境和土体物理状态改变下冻结粉质粘土的动态力学行为，深入研究了列车循环荷载下冻结粉质粘土的弹性变形和累积塑性变形的变化规律，建立了回弹模量的经验模型，并以临界动应力为归一化因子，建立了累积变形与动应力条件、振动次数和冻结温度等参数之间的关系模型。.(2) 针对季节性冻融循环与列车荷载作用特点，基于室内常温循环三轴试验，对比研究了冻融循环次数、融化温度、动应力幅值和围压等影响因素对粉质粘土的动态力学行为的影响，深入研究了冻融循环和列车循环荷载综合作用下粉质粘土的弹性变形和累积变形变化规律，并建立了回弹模量和累积塑性变形与冻融循环次数之间的关系模型。.(3) 建立了有限元-无限元结合针对季节冻土路基三维动力响应的数值模拟途径。采用课题组自编的车-轨-路基动力模型程序计算列车动荷载，以轨-枕作用力为列车荷载输入到路基三维动力数值模型中，实现了温度场和应力场耦合，探讨了列车速度、列车轴重及路基的主要设计参数对路基动力响应的影响规律，并借助正交试验设计原理，对各影响参数的敏感性进行评价。. (4) 以建立的列车循环荷载下冻结、融化的粉质粘土的累积永久应变模型为基础，二次开发了接口于以Drucker-Prager准则为屈服标准的粘弹塑性本构的CREEP子程序，建立了考虑列车荷载引起动应力的铁路路基长期变形的数值模型。基于该模型预测了列车荷载作用下路基的永久变形，并探讨列车轴重、行车速度、振动次数等因素对路基动力永久变形发展的影响。.(5) 建立季冻区铁路路基温度场预测模型，预测应用固化剂和保温板分别对季冻区铁路路基内部温度场的影响。考虑在铺设保温层情况下，加铺防冻胀护道对路基地温特征的影响规律，并与未加铺防冻胀护道的情况进行对比分析。结果表明：铺设保温材料对减小路基中部附近土体季节冻结深度有明显作用。