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原文传递高铁路基冻胀变形分析模型研究

论文题名：	高铁路基冻胀变形分析模型研究
关键词：	高铁路基;冻胀变形;优化组合模型;动态预测模型;数值模拟
摘要：	冻胀变形分析与预测是预防高铁路基冻胀危害的重要手段。冻土区高铁路基的不均匀冻胀变形将会影响路基平整性，对高铁行车安全带来严重危害。高铁路基冻胀变形受环境影响显著且变形机理较为复杂，仅从数学角度利用观测数据建立的函数模型难以揭示冻胀变形的时空过程，还需要利用岩土数值模拟方法分析冻胀变形机理，研究高铁路基冻胀变形时空规律。对于冻土冻胀分析的研究由最开始的单一的冻胀变形研究不断发展到对温度场、水分场、变形场的耦合研究。因此，通过不同角度对高铁路基冻胀变形进行有效分析、预测对高铁的安全运行具有重要意义和现实价值。　　国内外学者在高铁路基冻胀分析方面取得了大量的成果。但由于高铁路基冻胀影响因素复杂，是一个动态、复杂的不确定性过程。目前依靠单一模型预测方法精度较低，难以满足高铁安全运营及铁路养护的需求。针对高铁路基冻胀变形预测过程中存在的问题，本论文从数学模型分析法与水-热-力耦合的冻胀机理模型两个方面对高铁路基冻胀变形分析与预测进行了研究，主要研究内容如下：　　（1）建立了高铁路基冻胀变形分析的组合模型。针对单一模型在高铁路基冻胀变形预测过程中存在局限性，本文首先建立非等间距回归模型与基于幂函数改进的非等间距灰色模型，然后通过马尔科夫算法修正两种模型的预测结果，最后通过最优权组合算法将两种修正后的模型进行最优组合进行预测。结合冻胀变形监测数据，在改进灰色模型、回归模型、灰色马尔科夫模型以及本文建立的最优权组合模型之间进行验证。结果表明：本文建立的最优组合模型预测结果具有较高的精度、离散程度低且差异性小，可为冻土区高速铁路路基的冻胀变形监测提供有效参考。　　（2）建立了一种改进的动态GM-Markov冻胀变形预测模型。针对传统灰色模型在预测具有波动性的数据时精度不高、效果不佳的问题，借鉴数据同化的思想提出一种改进的动态GM-Markov预测模型。利用非等间距加权矩阵与无偏优化对灰色模型进行改进，通过原始序列的动态更新实现模型的参数更新，在此基础上利用Markov模型对预测结果进行修正，建立实时预测结果修正与模型参数调整的动态GM-Markov预测模型。选取两个工程实例中的高铁路基冻胀变形监测数据进行分析，将改进的动态GM-Markov模型预测与灰色以及非等间距无偏灰色模型、灰色神经网络模型[73]预测的结果进行对比分析，结果表明：改进的动态GM-Markov模型对于波动性较大的冻胀变形数据可以取得较好预测效果，提高了预测精度与稳定性。　　（3）建立了间接的水-热-力耦合冻胀数值分析模型。高铁路基土体内水分迁移与温度相变是导致路基产生冻胀变形的主要诱因，根据热传导与质量迁移理论建立高铁路基冻土温度场、水分场、应力场三场间接耦合的数学模型，引入阻抗因子表示孔隙水结冰后对水分迁移产生的影响。通过COMSOL岩土数值模拟平台PDE模块对建立的间接水热力耦合模型进行自主编辑完成对高铁路基冻胀变形温度场、水分场、应力场的数值模拟。依据热膨胀理论建立冻胀变形计算模型并以数值模拟输出结果为基础进行冻胀变形计算得到路基冻胀变形场，分析了冻胀变形的时空规律。
作者：	梁斌
专业：	测绘科学与技术
导师：	魏冠军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022