高速鐵路中低壓縮性土地基變形時間效應(yīng)狀態(tài)特征分析.pdf

1、中國高速鐵路正處于大規(guī)模建設(shè)和運行維護階段，如何保證高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定成為現(xiàn)階段面臨的突出難題。高速鐵路在運營過程對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在列車荷載、重力作用和環(huán)境因素影響下的強度、穩(wěn)定性和耐久性要求都遠高于普通鐵路;對于路基結(jié)構(gòu)，控制工后沉降發(fā)展是保持軌道結(jié)構(gòu)的良好幾何平順性，維持高速鐵路線路長期穩(wěn)定和安全運營的關(guān)鍵;天然土質(zhì)地基因路堤重力荷載作用產(chǎn)生的具有時間效應(yīng)的變形是路基工后沉降主要來源，對應(yīng)的土層厚度即為地基壓縮層厚度。中低壓縮性土地

2、基在中國分布廣泛，具有較好的工程特性，變形和強度特性研究相對匱乏。合理確定中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，既是有效控制地基工后沉降的技術(shù)核心，又對優(yōu)化高速鐵路地基處理深度、獲得技術(shù)和經(jīng)濟相統(tǒng)一的地基加固方案有極大的現(xiàn)實意義。
　　在總結(jié)已有的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，對土體變形演化狀態(tài)特征進行了全面的理論和試驗分析，以掌握高速鐵路路堤荷載作用下中低壓縮性土地基長期變形時間效應(yīng)狀態(tài)特征為目標(biāo)，采用單元結(jié)構(gòu)填土模型試驗、三軸蠕變試驗和土工離心模型

3、試驗等技術(shù)手段，在土體變形演化狀態(tài)判別準則、地基壓縮層厚度確定和地基系數(shù)K30試驗技術(shù)等方面開展了深入研究，主要工作和成果如下:
　　1)土體變形時間效應(yīng)狀態(tài)特征分析及試驗研究
　　基于單元結(jié)構(gòu)填土模型的小型平板載荷試驗，分析了最優(yōu)含水率下的三種壓實度（90％、95％和100％）模型填土的變形時間效應(yīng)特征隨荷載水平的基本演化規(guī)律，將土體變形演化狀態(tài)劃為快速收斂、緩慢收斂、緩慢發(fā)散和快速發(fā)散四種類別;基于土體變形速率隨時間呈現(xiàn)

4、負冪函數(shù)v(t)∝t-α形式的衰減規(guī)律，論證了收斂變形具有分形特性，推導(dǎo)了分形維數(shù)D與變形速率冪次α之間的定量關(guān)系，依據(jù)二維分維數(shù)D∈[0，2]，確定了區(qū)分變形是否具有時間效應(yīng)和變形是否收斂的冪次界限值分別為2和1;基于變形速率冪次α隨荷載水平的倒“S”型衰減曲線的突變特征，按倒“S”型曲線的相變點αⅠ相變和αⅡ相變將收斂變形劃分為微弱、明顯和顯著三種時間效應(yīng)亞狀態(tài);按變形時間效應(yīng)微弱與明顯狀態(tài)之間的相變點αⅠ相變、變形收斂與發(fā)散的臨界

5、冪次值α=1以及變形速率衰減與否的臨界冪次值α=0，建立了定量區(qū)分土體變形演化四狀態(tài)的“冪次判別準則”;基于單元結(jié)構(gòu)填土模型試驗和三軸蠕變試驗，開展了粉質(zhì)黏土變形時間效應(yīng)狀態(tài)特征分析，確定了土體變形演化四狀態(tài)的三個試驗條件下的荷載水平閾值λlⅠ、λlⅡ和λlⅢ和三個偏應(yīng)力水平閾值λqⅠ、λqⅡ和λqⅢ，借鑒Mohr-Coulomb準則，推導(dǎo)了對應(yīng)的土體變形狀態(tài)強度參數(shù)。
　　2)高速鐵路地基壓縮層厚度計算的“時間效應(yīng)法”
　

6、　基于土體變形狀態(tài)強度參數(shù)，利用地基土中點應(yīng)力變形狀態(tài)平衡條件，建立了地基土體變形狀態(tài)判別方程;結(jié)合路堤荷載作用下地基土體自重和附加應(yīng)力分布特征，將地基土層變形狀態(tài)沿深度劃分為快速發(fā)散、緩慢發(fā)散、緩慢收斂和快速收斂的四種類別;針對以工后沉降作為控制目標(biāo)的高速鐵路路基工程，提出了以變形時間效應(yīng)處于非快速收斂狀態(tài)地基土層作為地基壓縮層的“時間效應(yīng)法”;以壓縮層厚度不超過3～5m所對應(yīng)的土體強度作為僅需淺層處理的地基條件，建立了無砟軌道高速鐵

7、路雙線路堤下地基變形處于快速收斂狀態(tài)的抗剪強度控制方程，討論了滿足地基條件下路堤高度所對應(yīng)的地基土體抗剪強度控制指標(biāo)及基于地基強度的最大路堤荷載控制值。
　　3)路堤荷載對地基壓縮層厚度影響的土工離心模型試驗分析
　　運用土工離心模型試驗技術(shù)，開展了加固深度為10m的中低壓縮性粉質(zhì)黏土地基在路堤荷載作用下的變形演化狀態(tài)研究，討論了路堤荷載對地基具有變形時間效應(yīng)土層厚度的影響。分析表明:地基變形速率冪次α隨路堤高度H的增加呈現(xiàn)

8、先迅速減小后緩慢降低的衰減趨勢，地基變形時間效應(yīng)強弱與路堤荷載之間呈正相關(guān)性;基于“冪次判別準則”，結(jié)合變形速率冪次α隨路堤高度H衰減曲線的相變特征，推得了地基變形具有時間效應(yīng)的土層厚度為10m時對應(yīng)的路堤高度為4～5m，路堤高度由3m增加至6m或者9m時，產(chǎn)生時間效應(yīng)變形的地基壓縮層厚度則由10m以內(nèi)延伸至10m以下;試驗反映的路堤荷載對地基變形具有時間效應(yīng)土層厚度的影響規(guī)律與確定壓縮層厚度的“時間效應(yīng)法”計算結(jié)果具有良好一致性，驗證

9、了“時間效應(yīng)法”的可靠性。
　　4)粉質(zhì)黏土填料在K30試驗加載進程中的變形狀態(tài)分析
　　開展了90％、95％和100％壓實度下粉質(zhì)黏土填料的小型平板載荷試驗，討論了K30試驗進程中填土變形狀態(tài)的演化特征。分析表明:K30試驗的填土變形以彈性為主，處于收斂狀態(tài);變形時間效應(yīng)隨荷載增加呈現(xiàn)出由微弱變?yōu)槊黠@狀態(tài)的演化規(guī)律，總沉降超過1.25mm后，填土變形時間效應(yīng)開始顯現(xiàn)，由快速收斂變形狀態(tài)進入緩慢收斂變形狀態(tài);以填土變形處于收

10、斂狀態(tài)、變形量大于1.25mm為約束條件，針對五級加載、0.04MPa荷載增量的加載制度，得到了細粒土壓實質(zhì)量檢測K30試驗的適宜范圍為60～160MPa/m;“最后1min變形不超過當(dāng)前級1％的變形比’和“變形速率不超過Δs/min”兩種變形穩(wěn)定標(biāo)準下，K30試驗的分級加載時間隨時間效應(yīng)程度分別呈先增長后縮短和加速增長的變化趨勢，后者更符合土體變形穩(wěn)定時間與時間效應(yīng)程度的正相關(guān)變化規(guī)律;Δs取0.01mm既能節(jié)省51％～58％的試驗時