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原文传递路基粗颗粒填料微膨胀机理的数值模拟与试验研究

论文题名：	路基粗颗粒填料微膨胀机理的数值模拟与试验研究
关键词：	高速铁路;路基粗颗粒填料;微膨胀机理;上拱病害;数值模拟
摘要：	随着高速铁路的快速发展，路基粗颗粒填料发生膨胀造成的无砟轨道上拱病害越来越引起工程界和学术界的广泛关注。为掌握路基粗颗粒填料的基本物理和力学性能，研究填料在发生微弱膨胀后对实际工程中路基结构的影响规律。论文通过室内土工试验测定填料的基本土工特性和膨胀特性，通过室内三轴压缩试验测定填料的力学特性和抗剪强度，最后通过数值模拟手段分别对路桥过渡段基床填料膨胀诱发的无砟轨道上拱病害、路隧过渡段路基膨胀引起的上拱病害和不同膨胀区域类型的路基填料膨胀引起的上拱病害进行研究，得到高速铁路不同路段在不同膨胀工况下的路基结构响应规律，主要研究结论如下：　　（1）病害现场取回的路基粗颗粒填料级配良好，最优含水率为6.583%，最大干密度为2.296g/cm3。化验分析结果判定填料为非膨胀土，但具有微弱膨胀性。填料膨胀性随时间变化大幅衰减，12个月后自由膨胀率仅为3.5%。填料饱和含水率为20.51%，24h浸水膨胀率为0.52%。无荷载膨胀试验测得粗颗粒填料含水率达到18%时最大膨胀率达到0.493%。　　（2）一个试样多级加载三轴试验获得填料在最优含水率状态下应力应变曲线呈应变硬化型，试样中部产生明显鼓胀现象，在饱和含水率状态下应力应变曲线呈应变软化型，试样中部既产生了一定的鼓胀，同时伴随有较为明显的剪切破坏面，得到最优含水率下填料黏聚力为 0.30MPa，内摩擦角为38°，而饱和含水率下填料黏聚力为0.54MPa，内摩擦角为31°。　　（3）以一处典型的路桥过渡段路基膨胀工点为研究对象，现场监测和室内试验判断病害产生原因为基床表层下部填料含水率较高，与内部蒙脱石等亲水膨胀性矿物作用引起该部分填料产生膨胀。有限元数值模拟路桥过渡段上拱病害得到：桥梁结构会抑制钢轨上拱位移向外扩散；钢轨轴向应力沿路线走向多呈现拉应力状态，而在拱脚附近存在明显压应力；此外桥梁虽然抑制膨胀发育的范围，但会提高临近桥台侧的峰值拉压应力；路基竖向位移分布范围较广，水平方向上桥梁阻隔作用明显，在临近桥台侧有效抑制了路基其他层位的竖向位移。　　（4）以某高铁路隧过渡段路基上拱路段为研究对象，现场监测和室内试验分析上拱成因为：隧道外基床底层路基填料蒙脱石含量和层位内部含水率均较高，两者相互作用后产生膨胀；隧道内仰拱下部基岩膨胀性较强，遇到丰富的基岩裂隙水后产生膨胀。有限元数值模拟路隧过渡段上拱病害得到：隧道内部钢轨上拱位移和轴向拉应力均高于隧道外部，且在隧道洞口位置出现较短范围渐变；路基竖向位移在隧道洞口区域上拱量最大；隧道洞口是路隧过渡段的关键区域，施工过程中洞口区域的路基填料选用和地基处理需严格管控。　　（5）采用离散元和有限差分相耦合的数值模拟方式，对纯路堤段六种不同膨胀区域类型的路基上拱病害数值模拟得到：双点位膨胀对路基结构面的上拱破坏面积较单点位更大；半幅路基膨胀中会导致一侧路基膨胀高于另一侧，上下行线路间形成高度差；单点位整幅路基膨胀的钢轨上拱位移和轴向拉应力均最大，最大值分别为6.76mm和30.11MPa；膨胀区域的宽度对钢轨的上拱位移影响不大，但对钢轨最大轴向应力的大小影响较大；发生多点位膨胀时，钢轨轨顶会承受多处拉压应力的作用，对钢轨的强度影响不利。
作者：	王梦田
专业：	土木工程
导师：	程建军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	石河子大学
学位年度：	2022