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原文传递低矮路堤荷载下膨胀土地基胀缩变形特性研究

论文题名：	低矮路堤荷载下膨胀土地基胀缩变形特性研究
关键词：	铁路工程;膨胀土地基;变形特性;沉降控制
摘要：	在工程建设中，膨胀土大都属于非饱和土范畴。对一般铁路工程而言，膨胀土地基的胀缩变形对路基影响较小，常忽略不计;对高速铁路无砟轨道路基而言，膨胀土的胀缩变形可能导致线路的不平顺性加剧，影响高速铁路的正常运营，甚至可能引发重大安全事故。因此，在高速铁路工程设计中，膨胀土地基的胀缩变形就必须加以考虑。　　目前，我国在建或勘察设计中的多条铁路客运专线，沿线广泛分布膨胀土，云桂高速铁路便是其中之一。要在膨胀土地基上修建高标准无砟轨道路基，尤其是低矮路堤或路堑，其面临的主要问题有: 　　(1)低矮路堤下膨胀土地基宏观胀缩响应机制尚未揭示。　　(2)缺乏较为准确的低矮路堤膨胀土地基胀缩变形计算理论，尤其是胀缩变形计算修正系数不明确。　　(3)国内高速铁路膨胀土区域低矮路基和路堑的基床换填厚度、换填底面下的地基处理标准不统一。　　针对上述面临的主要问题，本文结合铁道部科研项目“低压缩性土及膨胀土地基无砟轨道沉降控制深化研究”，通过国内外已有研究资料的详细调研、原状膨胀土室内土工试验、现场原位测试、压板载荷现场浸水试验、低矮路堤现场湿干试验、数值模拟及理论分析等手段，对膨胀土地基上低矮路堤胀缩宏观响应特征、渗流与变形耦合机制、胀缩变形计算理论及地基处理技术等开展研究。　　本文具体研究内容和结论主要包括: 　　(1)通过室内基本土工试验，详细掌握了原状膨胀土物理力学参数及胀缩变形参数;在此基础上，由固结系数与有效应力和孔隙比的关系，推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程，根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式，并结合原状膨胀土分级连续加载K0固结试验，验证了理论计算公式的合理性。　　(2)在云桂铁路弥勒试验段选取典型工点，开展膨胀土地基原位测试，取得了压缩模量、地基承载力等基本岩土参数，探讨了各种原位测试方法的优缺点及适用性，确立了膨胀土地基压缩沉降计算参数的获取原则。同时，在低矮路堤现场湿干试验区域进行了多压板载荷膨胀土地基现场浸水试验，测取了地基相对膨胀力与绝对膨胀力，建议采用多压板载荷现场浸水试验确定地基膨胀力。　　(3)首次通过现场湿干试验，研究了低矮路堤下膨胀土地基胀缩宏观响应机制。结果表明，中-强膨胀土地基浸水饱和后不发生膨胀的路堤临界填高约为5m，路堤填高0.9～2.7m的膨胀土地基极限相对膨胀量为14.22～8.14mm、雨季期（2014年5月～2104年9月）相对膨胀量为3.75～2.23mm;膨胀土地基由充分饱和状态到下一个雨季来临前（2013年9月～2014年5月），路堤填高0.9～2.7m的地基相对收缩量为7.48～6.33mm;由地基胀缩变形引起的路基本体内不同高度处的升降量是不同的，路堤顶面的升降量小于地基表面的胀缩量、其衰减比例随路基填高的增加而增大，当路堤填高为0.9～2.7m时，路堤面极限相对膨胀量为11.95～5.8mm，相比地基面衰减了16.0～28.8％，路堤面干缩期相对收缩量为7.03～5.65mm，相比地基面衰减14.3～25.0％。　　(4)基于流体质量守恒、Darcy定律及膨胀土弹性本构方程，得到了非饱和膨胀土地基渗流与变形耦合控制方程，并采用考虑耦合与不考虑耦合两种数值模拟方法，分析了低矮路堤下膨胀土地基的参数敏感性及膨胀变形特征。研究表明，增大降雨量，地基竖向、侧向（渗流引起的）变形均有所增大，而增大弹性模量、路堤填高及泊松比后，地基竖向、侧向变形则明显减小;同一时间内，未考虑耦合数值模拟得到的膨胀变形、孔隙水压力均落后于考虑耦合的;数值计算与现场试验比较表明，不考虑耦合影响的数值模拟方法难以描述人工浸水条件下地基的膨胀变形规律，而考虑耦合影响的数值模拟方法与现场实测值吻合较好。　　(5)结合低矮路堤现场湿干试验，从胀缩变形计算精度及参数获取难易程度，对比分析了直接模拟法与常体积法的优缺点，在膨胀土区域设计高速铁路无砟轨道低矮路堤，建议优先采用直接模拟法进行膨胀变形计算;在考虑胀缩变形沿路堤本体内呈衰减特征的基础上，提出了无砟轨道低矮路堤膨胀土地基胀缩变形的修正计算方法，明确了地基表面、路堤顶面胀缩变形计算修正系数（ψer与ψfer取0.7、ψs与ψfs取0.6）;基于直接模拟法与现场湿干试验，揭示了刚性、柔性基础膨胀地基膨胀变形计算的相互关系，并提出应用压板载荷浸水试验预测低矮路堤地基膨胀变形的分析思路;最后，通过低矮路堤现场湿干试验与胀缩变形计算理论研究，提出了高速铁路低矮路堤膨胀土地基处理原则，在此基础上，初步提出了高速铁路无砟轨道低矮路堤中-强膨胀土地基处理措施。
作者：	陈伟志
专业：	道路与铁道工程
导师：	蒋关鲁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文