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原文传递高铁荷载作用下泡沫轻质土路基的动力特性研究

论文题名：	高铁荷载作用下泡沫轻质土路基的动力特性研究
关键词：	泡沫轻质土路基;动三轴试验;动力特性;微观结构;数值模拟;高速铁路
摘要：	近年来，我国高速铁路发展迅速，随着高速铁路线在全国分布范围越来越广和高速铁路运行速度越来越快，各种复杂地质条件和高速铁路列车移动荷载产生的高速铁路路基病害也越来越频繁，并在一定程度上威胁到高速铁路列车的运行安全，影响高速铁路网的运营效益。高速铁路路基的沉降控制是保证高速铁路线安全有效运行的重要措施，而泡沫轻质土作为一种新型轻质路基材料，在控制高速铁路路基沉降方面具有广阔的应用前景。其材料成本较低，绿色环保，也符合当前节能减排的社会倡导。本文使用室内GDS动三轴仪器对泡沫轻质土试样进行一系列试验，探究高铁荷载作用下泡沫轻质土的动等效刚度、阻尼比、累积轴向应变等动力特性。并进一步通过扫描电子显微镜（SEM）观察了试验前后泡沫轻质土试样内部微观结构，定性、定量分析了试验前后泡沫轻质土内部微观结构的变化规律和机理。利用ABAQUS有限元软件建立了轨道-路基-地基三维有限元模型，对高铁列车移动荷载作用下泡沫轻质土路基的动力响应进行研究，所得出的结论有助于进一步加深对泡沫轻质土材料性能和内部结构特征的理解，并为高速铁路相关设计提供了理论依据和参考。主要研究成果有以下3个方面。　　（1）以围压、动应力幅值、材料干湿状态作为主要变量研究不同条件动三轴试验下泡沫轻质土试样的动力特性。动等效刚度随动应力幅值增大先增大后减小，动等效刚度和试验振次的规律趋势与之相似，不同的动应力幅值会影响动等效刚度随试验振次的变化速率，动应力幅值越大，泡沫轻质土动等效刚度随试验振次的变化速率越大。泡沫轻质土试样阻尼比随动应力幅值的增大而增大，并且增长速率逐渐加快。不同动应力幅值作用下，泡沫轻质土试样的阻尼比基本均随试验振次的增加而增大，当动应力幅值为30kPa时，阻尼比随试验振次的增长速率最快，阻尼比也最大，当动应力幅值为10kPa时，阻尼比随试验振次的拟合曲线有所起伏，但总体数值上阻尼比还是基本随着试验振次的增加而增大。不同围压和不同动应力幅值条件下，泡沫轻质土试样轴向累积应变随试验振次增加均呈现出迅速增长和平稳缓慢增长两个阶段。动应力幅值的增加或更高的试样含水量都能够增大泡沫轻质土试样的轴向应变累积速率和最终应变总量，而增大试验围压则会使他们减小。　　（2）使用扫描电子显微镜（SEM）描述了不同倍数图像泡沫轻质土孔隙结构特征，泡沫轻质土内部微观孔隙主要可以分为聚合孔隙、连通孔隙、完整独立孔隙。泡沫轻质土试样内部结构较为松散，动三轴试验对其孔隙形态的影响并不明显，但可能是导致部分孔壁破裂的原因。进一步通过Image-ProPlus（IPP）软件对泡沫轻质土试样截面图像统计的孔结构数据对其微观孔结构的分布和形状特征进行定量分析。分析结果显示泡沫轻质土试样的孔隙主要以小型（孔径＜400μm）孔隙为主，并且这些小型孔隙的形状很接近圆形，所有试验条件下的泡沫轻质土孔隙的形状系数统计的算术平均值都很接近1。不同条件的动三轴试验对泡沫轻质土试样内部孔隙的形状有挤压和破坏作用，水的作用使得试样内部结构在动荷载作用下扰动更大。利用分形理论研究泡沫轻质土微观孔隙的分形维数，泡沫轻质土试样的面分形维数大致在1.03~1.07，与动三轴试验参数和材料动力特性均表现出了良好的相关性。　　（3）利用ABAQUS有限元软件建立轨道-路基-地基三维有限元模型，对高铁列车移动荷载作用下泡沫轻质土路基动力响应进行研究。结果表明高速铁路路基中的动力响应（如动位移，加速度）均会随着列车速度的提高而增大。而泡沫轻质土可有效减少路桥过渡段不均匀沉降引起的轨面弯折，随着泡沫轻质土密度等级的提高，改善效果逐渐增强。由桥台至路基方向，加速度沿纵向分布规律为先增大再减小并维持在一定水平，大约在过渡段与普通路基段的交界处达到最大值。高速铁路荷载产生的路基动力加速度沿深度方向逐渐衰减，在泡沫轻质土中的衰减速度远小于普通土质路基中的衰减速度。
作者：	张彦琨
专业：	岩土工程
导师：	崔振东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2021