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原文传递高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石翻浆机理与加固效果研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石翻浆机理与加固效果研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道;基床表层;翻浆病害;注浆加固
摘要：	高速铁路无砟轨道结构投入运营至今已有数十年，根据高速铁路无砟轨道路基段现场调查，发现无砟轨道路基结构产生了一些病害问题，如CA砂浆层老化开裂、无砟轨道板开裂、底座板纵向伸缩缝开裂以及伸缩缝前后区域的基床翻浆等，其中无砟轨道结构底座板纵向伸缩缝前后和底座板板底与基床表层接触面的基床翻浆病害最为典型。在无砟轨道路基空间层状结构体系中，混凝土底座板纵向伸缩缝填充高分子材料以及路基封闭层与底座板相邻接缝开裂后，在雨季期间，雨水渗入基床，车辆荷载激励作用使基床中的孔隙水产生瞬间超孔隙水压力，超孔隙水压力的形成-消散循环过程对基床填料产生反复冲蚀，并且造成基床内细颗粒产生迁移，甚至孔隙水将基床细颗粒通过底座板伸缩缝和底座板板底与路基封闭层侧缝携带出基床外，改变基床对底座板的支撑状态，造成线路不均匀沉降，劣化车辆-轨道-路基整体系统动力相互作用，影响行车舒适性和安全性。　　目前，高速铁路无砟轨道基床翻浆机理与整治技术研究已成为高速铁路无砟轨道路基工程学科前沿热点研究课题，是高速铁路运营维护领域急需攻关的一大技术难题。因此，针对高速铁路无砟轨道基床翻浆病害问题，深入地研究无砟轨道基床级配碎石变形特性、翻浆病害产生机理以及加固技术，具有重要理论意义和实用价值。　　本文以高速铁路无砟轨道基床表层为研究对象，针对目前广泛存在的基床表层翻浆病害问题，开展了理论分析、大型静、动三轴试验和室内大比例模型试验，得到了以下主要研究成果: 　　1)对无砟轨道基床表层级配碎石填料开展了颗粒分析、击实和渗透试验，发现试验所用的两种碎石填料中粗颗粒（≥5mm）含量位于40％～75％之间，级配参数指标满足要求，并且其级配曲线均位于《中国高速铁路设计规范》规定的范围内;另外，试验所用的两种碎石填料渗透系数KT＞i×10-4 cm/s，具有较好的渗透性，其渗流规律符合Darcy定律;最大干密度随细颗粒含量的增大而减小，最优含水率随细粒含量的增大而增大。　　2)采用大型静三轴试验，分析了不同压实度、含水状态及颗粒级配对其静强度的影响，发现级配碎石的抗剪强度随着压实度增大而提高，但压实度增大至一定程度后，在碾压过程中颗粒间发生破碎，导致细颗粒含量逐渐增多，反而导致其抗剪强度逐渐降低。级配碎石的抗剪强度随着含水率增大而快速降低，有效抵抗变形能力减弱，尤其是达到饱和含水状态时，基床的抵抗变形能力降低更多。与不同压实度、不同颗粒级配对抗剪强度的影响相比，含水率变化具有最大的影响。　　3)通过级配碎石动三轴试验可知，当施加动应力幅值较小时，级配碎石试样的变形以弹性变形为主，累积变形较小;随着施加动应力幅值的增大，级配碎石试样弹性变形和累积变形显著增大。级配碎石试样累积变形随荷载作用次数的发展趋势可分为两类变形区:衰减区和破坏区，选用Stewart模型和Monismith模型分别表示级配碎石累积变形曲线的衰减型和破坏型，具有较好的拟合效果。　　4)在施加同样的围压、动应力幅值条件下，级配碎石试样的累积变形随着含水率、荷载频率和细颗粒含量增大而逐渐增大;试样的临界动应力、动抗剪强度随着含水率、荷载频率和细颗粒含量增大而减小，尤其是试样含水率的增大对累积变形、临界动应力和动抗剪强度的影响最为显著。　　5)通过无砟轨道路基大比例模型动态试验，发现当基床表层级配碎石在最优含水状态ωopt=5.22％时，无砟轨道路基动应力、振动位移、动速度、动加速度和动孔隙水压开始时变化较大，随着荷载振次增大而逐渐减小，然后趋于稳定;当基床表层级配碎石在饱和含水状态ωs=7.86％时，在动荷载循环作用下，基床表层级配碎石逐渐产生翻浆现象，基床翻浆发展过程可分为三个阶段:前期缓慢翻浆阶段、中期激烈翻浆阶段和后期脱空阶段。随基床翻浆逐渐恶化，底座板板底与基床表层间的接触面局部空吊、脱空，造成路基不均匀沉降，甚至引起轨面严重不平顺、轨道板开裂等。基于无砟轨道路基基床翻浆前后动力响应特征，提出了采用无砟轨道路基层间动力学响应指标作为分析基床翻浆对无砟轨道动力特性影响的评估方法。　　6)在动荷载循环作用下，基床级配碎石孔隙水形成超孔隙水压力;同时，无砟轨道底座板与路基封闭层相邻接缝处在动力作用下逐渐开裂，形成基床水进出通道，在基床级配碎石渗流场冲击力作用下，基床级配碎石细颗粒通过基床水进出通道被携带出路基封闭层面上，形成基床翻浆病害现象。无砟轨道底座板下基床翻浆的根本原因是基床颗粒级配不良、水和动力荷载三个因素综合作用所致。　　7)研制了一套注浆模拟加固试验系统，采用该系统将高聚物化学浆注入翻浆基床内，继续施加循环动力荷载，研究了无砟轨道基床翻浆加固后动力响应特征，分析了基床翻浆加固效果。试验结果表明注浆加固不仅改善了无砟轨道底座板板底与基床表层的层间接触状态，恢复了各层刚度匹配。同时，加固完成后，级配碎石表面上形成一不透水层，起到截水堵漏作用;另一方面，高聚物化学浆与级配碎石孔隙内部的自由水反应，填充细颗粒流失造成的空隙，恢复路基基床表层的强度及支承作用。
作者：	PHAM Duc Phong
专业：	道路与铁道工程
导师：	苏谦
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