地裂缝活动对高速铁路工程的影响机理研究

我国是世界上地裂缝灾害最为严重的国家，分布十分广泛，地裂缝发生频率和灾害程度逐年加剧，对我国当前正在大规模建设的高速铁路构成了严重威胁。本项目以山西断陷盆地地裂缝灾害为研究背景，选择即将开工建设的大西客运专线高速铁路穿越地裂缝带为研究对象，采用物理模型试验、数值模拟和理论分析计算相结合的方法，重点开展地裂缝活动对高速铁路路基及轨道、桥梁的影响机制研究。力求通过本项目的研究，揭示地裂缝活动作用下不同角度穿越地裂缝带的高速铁路路基及轨道、桥梁变形破坏（失稳）的力学机制，并提出相应的工程防治措施及技术，为大西客运专线高速铁路穿越地裂缝带的路基处理、轨道与桥梁结构设计以及地裂缝灾害防治提供理论依据和技术指导。项目研究成果不仅对我国其它穿越地裂缝发育区的高速铁路地裂缝灾害防治具有重要参考价值，而且将丰富我国地裂缝灾害研究内容，填补高速铁路地裂缝灾害防治研究的空白，具有重要的理论意义和工程实际意义。

本项目以山西断陷盆地地裂缝灾害为研究背景，针对我国重大工程建设－大西客运专线高速铁路建设中遇到严重的地裂缝地质灾害问题，通过现场调查、探槽及钻探等技术手段，揭示了大西高铁沿线典型地裂缝带的活动性参数、地表形变特征、剖面破裂模式及对高铁工程的影响。在此基础上，首次开展了高速铁路路基小角度(15度)和大角度（60度）穿越裂缝带的大型模型试验和数值模拟计算验证，揭示了地裂缝不同活动量作用下高速铁路路基中的应力、位移变化规律，路基变形破坏区范围和失稳特征，以及路基与轨道二者之间的相互作用，分析地裂缝活动作用下高速铁路路基及轨道变形破坏的响应关系，确定地裂缝作用下路基及轨道的受力变形破坏模式。同时，首次通过几何比尺为1：20的高速铁路桥梁450跨越地裂缝带的物理模型试验,结合多工况实体工程数值模拟计算，揭示了地裂缝不同活动量作用下高速铁路桥梁中的应力的变化规律，桥梁变形破坏区范围和失稳特征，桥梁桩基的受力特征以及桥梁与轨道二者之间的相互作用，分析地裂缝活动作用下高速铁路桥梁及轨道变形破坏的响应关系，确定了地裂缝作用下桥梁及轨道的变形失稳模式。基于多工况物理模型试验和FLAC3D数值模拟计算结果，提出了高速铁路路基、桥梁穿越地裂缝带的防治措施和对策，为高速铁路穿越地裂缝地段的工程设计及铁路病害防治措施提供科学依据，丰富了我国地裂缝地质灾害的研究内容，填补了高速铁路地裂缝灾害防治研究的空白。上述研究成果已成功应用于大西（大同-西安）客运专线高速铁路穿越地裂缝带的工程设计中，为大西客运专线的工程建设提供了重要科学依据和技术支撑，对于我国其他地裂缝发育区高速铁路工程建设具有重要借鉴意义，应用前景广阔。.此外，本项目还自主研发了一套地裂缝与工程结构物相互作用的模型试验装置和试验系统，该系统不仅可以开展地裂缝与工程建（构）筑物相互作用的物理模拟，而且还可以开展活断层、地面沉降的运动对工程建（构）筑物影响的物理模拟，可为地裂缝、活断层以及地裂缝沉降工程致灾机理研究提供重要的试验研究平台。