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原文传递有砟轨道高速铁路车站岔区无砟化路基沉降演化规律及预测研究

论文题名：	有砟轨道高速铁路车站岔区无砟化路基沉降演化规律及预测研究
关键词：	车站岔区;高填方路基;沉降预测;数值模拟;降雨入渗
摘要：	国内目前高速铁路及客运专线设计建设主要为两种类型。一是全线采用无砟道床，二是全线以有砟轨道为主，长大隧道或隧道群及其间桥梁采用无砟道床的形式。近年来，西北地区新建的兰州西客站、兰州西动车所、兰州北站岔区均为有砟道床。由于有砟轨道车站岔区车轨系统动力相互作用及排水系统较为复杂，加之西北地区黄土的特殊工程性质的影响，开通运营后，导致线路几何形位变化较快，且岔区在沉降后日常捣固、垫板起道等维修难度较大，工作效率低，使得岔区养护维修成为工务系统的顽疾。为减少养护维修频率及费用，现拟将中兰客专的两个车站（北滩站和平川站）岔区进行无砟化。然而路基设计和填筑时均按照有砟轨道标准进行的，且有砟轨道与无砟轨道对最大工后沉降要求不同。为研究北滩站和平川站的路基沉降规律及确定岔区高填方路基工后沉降是否满足铺设无砟轨道要求，本文基于中兰客专的北滩站和平川站的路基工程，针对其自身持点，展开高填方路基的沉降分析与控制研究。　　论文主要工作：　　（1）查阅文献及资料，了解高填方路基工后沉降预测研究现状及高填方路基沉降影响因素及高填方路基沉降机理，并在文献的阅读过程中不断总结、归纳，找出适合本课题研究内容的研究方法。　　（2）整理归纳现场监测数据、对高填方路基沉降规律进行分析，发现，各断面沉降量随着时间及填筑高度的增加而增加，呈现出较好的曲线形状；沉降曲线大致可分为两个阶段，第一阶段为分层填筑期间的加速沉降阶段，第二阶段为填筑完成后的缓慢沉降阶段；平川站各断面测量结束时的最大沉降量分别为4.43mm、7.26mm、20.00mm，分层填筑完成时各断面的沉降分别为3.0mm、6.2mm、16.6mm，路基填筑完成时各断面路基沉降量分别为当前总沉降的68%、85%、83%，北滩站各断面测量结束时最大沉降量分别为24.2mm、19.4mm、14.9mm，分层填筑完成时各断面的沉降分别为21.0mm、18.4mm、11.8mm，路基填筑完成时各断面路基沉降量分别为当前总沉降的87%、95%、79%，可见，路基的绝大多数沉降发生在分层填筑阶段：当路基填高稳定一段时间后，短时间内对路基再进行填筑时对应的沉降曲线出现一定的陡坎下沉，且填筑越高，下沉越多。　　（3）利用沉降预测方法中的经验公式法对监测路基的工后沉降进行预测。首先利用经验法中的三个单项沉降预测模型（灰色Verhulst模型、双曲线模型及邓英尔模型）对路基工后沉降进行预测，并利用最优组合原理将三个单项模型进行组合，提出了四种新的组合预测模型，其中三种为两模型组合模型（邓英尔—双曲线模型、邓英尔—灰色Verhulst模型及双曲线—灰色Verhulst模型），一种为三模型组合模型（邓英尔—双曲线—灰色Verhulst模型），并利用四种新的组合模型对路基工后沉降进行了预测，而后引入绝对误差平方和、标准误差、相对误差平方和、相对标准误差及平均绝对百分误差五个精度评价指标对各模型预测效果进行评价，得预测效果优劣顺序为：三模型组合模型＞两模型组合模型＞邓英尔模型＞灰色Verhulst模型＞双曲线模型，最后选出每个断面相对合适的预测模型，对各监测断面工后沉降进行预测。　　（4）开展一系列室内试验，利用室内试验测出土体的颗粒级配、最大干密度及最优含水率，并推导出土体强度参数和建立数值模拟模型所需要的参数。利用FLAC3D有限差分软件中的内置本构模型Cvise蠕变模型分析粘弹塑性路基沉降演化规律、地基加固模式下路基沉降演化规律。结果表明：数值模拟结果与实测结果基本一致，路基沉降在分级加载期间沉降较大，后期逐步稳定，蠕变至400d时沉降基本稳定；整个路基中路基面处沉降最大，而路基面的沉降主要是由于地基蠕变引起，且后期的蠕变沉降也主要发生在地基中。　　（5）利用数值计算软件COMSOL模拟了降雨条件下雨水在路基中的入渗情况，并在此基础上，利用FLAC3D分析了雨水入渗对路基工后沉降的影响。结果表明：边坡浅层土体有效饱和度随着降雨时间的持续不断增大，饱和土体范围不断向内部发展，降雨初期边坡浅层土体有效饱和度增长率较大，降雨后期有效饱和度增长率逐渐减小；入渗深度随时间呈台阶状自地面向土体深处发展，降雨初期发展速率最大，之后进入平台期，稳定一段时间后，入渗深度发展速率又进入较大值阶段，但较前一次的速率明显减小，降雨1h时，边坡表面向内的水平入渗深度为56cm，自地基面竖向入渗深度为35cm：降雨主要影响路基坡脚的沉降，两个车站受降雨入渗影响，对路基边坡变形的影响在3mm左右。
作者：	陈玉燕
专业：	道路与铁道工程
导师：	马学宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022