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原文传递高速铁路无砟轨道基床翻浆冒泥机理及修复研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道基床翻浆冒泥机理及修复研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道基床;翻浆冒泥机理;注浆修复
摘要：	无砟轨道具有高平顺性、高舒适性及少维修等优点，广泛运用于各国高速铁路建设之中。随着人们对客运需求的不断增加，列车轴重、运行速度及发车频次也在不断增加。同时全球气候变暖，极端降雨事件频发。密集运营的列车产生的高频动荷载和极端天气引起的强降雨的共同作用下，无砟轨道基床出现翻浆冒泥病害，影响着行车舒适性，严重时甚至危及行车安全。因此，开展高速铁路无砟轨道基床翻浆冒泥机理研究，并提出有针对性的修复方法，对保证行车舒适性和列车运营安全显得尤为重要。　　基于沪宁城际无砟轨道高速铁路，本文通过开展现场调研、取样试验、数值模拟以及全比尺物理模型试验，研究了高速铁路无砟轨道基床翻浆冒泥的形成机理，并提出了一种基于聚氨酯注浆工艺的翻浆冒泥修复技术，主要结论有：　　（1）开展了无砟轨道翻浆冒泥病害现场调研及取样试验研究，统计分析了无砟轨道翻浆冒泥的病害特征，发现无砟轨道翻浆冒泥发生于底座板端部伸缩缝的位置，并沿线路纵向分别向底座板两侧扩展（扩展范围约2m），而底座板中部位置基本上不发生翻浆冒泥；分析了地下水及毛细水的影响，发现降雨是诱发翻浆冒泥病害水的主要来源；基于XRD试验发现翻浆冒泥土中的细颗粒主要来源于基床表层；通过对取样土的含水率分析发现入渗的雨水滞留于基床表层并形成滞留水；基于取样土的颗粒级配分析，发现翻浆冒泥的形成和发展本质上是基床表层颗粒不断运移的过程，即细颗粒初始积聚于基床表层底部，然后逐渐向上运移到基床表层顶部，最后从伸缩缝及底座板侧缝处翻冒出来。　　（2）基于有限元分析软件（ABAQUS2016）建立了车辆-轨道-路基垂向动力耦合分析模型，分析了正常路基状态下轨道-路基结构系统的动力响应，发现无砟轨道结构的底座板端部存在鞭梢效应，鞭梢效应引起底座板端部和基床表层之间形成离缝，该离缝形成了雨水最初始的入渗通道，雨水入渗基床并逐渐饱和基床，底座板端部鞭梢效应形成的拍打作用促使基床表层的细颗粒从离缝处翻冒出来形成翻浆冒泥，轨道结构的动力响应（鞭梢效应）和翻浆冒泥之间相互促进，形成一个恶性循环。　　（3）建立了考虑伸缩缝结构和降雨装置的全比尺无砟轨道物理模型，模型内部布设了多类传感器形成了完善的测试系统。开展了降雨模拟和行车试验，重现了无砟轨道基床翻浆冒泥病害。明确了雨水侵入基床的入渗机理，发现行车促进了雨水入渗基床，加速了翻浆冒泥的形成和发展。　　（4）开展了无砟轨道翻浆冒泥全比尺物理模型试验，分析了翻浆冒泥前、后轨道-路基结构系统的静力和动力特性以及翻浆冒泥的形成机理。发现翻浆冒泥发生后，轨道-路基结构系统的静力及动力性能均出现大幅度降低。列车荷载作用下，饱和的基床表层内的孔压发生积聚，并形成自下而上的孔压梯度，车速越大孔压梯度越大。孔压梯度促使基床表层底部的细颗粒向顶部运移并积聚，并在基床表层表面孔压消散时驱使细颗粒翻冒出来形成翻浆冒泥。　　（5）基于Terzaghi渗流理论，提出了基床表层颗粒稳定性的判别方法，并分析了翻浆冒泥不同阶段基床表层颗粒稳定性变化规律。同时推导了基床表层颗粒发生移动的临界水力梯度计算方法，分析了基床表层不同粒径颗粒移动的临界水力梯度，并依据物理模型试验的结果验证了该临界水力梯度。另外，通过对已发生过翻浆冒泥病害土的物理参数进行统计，提出了基于塑性指数和液限的易发生翻浆冒泥土的判别方法。　　（6）开展了聚氨酯加固基床表层材料的单元体试验，分析了聚氨酯-基床表层材料混合体的力学特性和长期服役性能，基于翻浆冒泥形成机理和基床表层颗粒稳定性特性，提出了聚氨酯化学材料注浆（Polyurethanechemicalinjection）工艺的无砟轨道翻浆冒泥修复技术。同时基于室内全比尺物理模型PCI修复试验以及调研现场PCI修复试验，验证了PCI修复技术在无砟轨道翻浆冒泥病害治理的适用性和有效性。
作者：	万章博
专业：	岩土工程
导师：	边学成
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021