基于填充料凍脹與粗粒骨架相互作用的微凍脹填料凍脹機(jī)理研究.pdf

1、高速鐵路對(duì)線路的平順性提出了極其嚴(yán)格的要求，路基的微小變形都將導(dǎo)致不良的影響。嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基的凍脹變形影響線路的平順性和乘車舒適度以及結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴(yán)重的甚至影響列車的行駛安全。而針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不凍脹土已不能適應(yīng)高速鐵路的要求。因此，研究微凍脹填料的凍脹性問題對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)具有重要意義。
　　論文針對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹對(duì)高速鐵路平順性的影響問題，基于填充料的凍脹與粗顆粒骨架的相互作用開展微凍脹填料的凍

2、脹性研究。通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算相結(jié)合的研究方法，分析了微凍脹填料的凍脹特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特性，揭示了微凍脹填料的凍脹發(fā)育機(jī)制;分析了微凍脹填料凍脹過程中填充料凍脹與骨架顆粒的相互作用關(guān)系，建立了微凍脹填料凍脹變形分析模型;基于能量最低原理，推導(dǎo)了微凍脹填料的凍脹計(jì)算公式;提出了微凍脹填料的凍脹性評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法，并提出了路基防凍脹的相關(guān)建議。主要研究成果如下:
　　(1)揭示了微凍脹填料凍脹的特點(diǎn)和凍脹微觀發(fā)育機(jī)制。微凍脹填

3、料主要由粗顆粒組成，含有少量細(xì)顆粒，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的離散性和水分傳遞的非連續(xù)性，凍結(jié)時(shí)土樣的不同部位基本處于相對(duì)“封閉”的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為“原位凍脹”，凍脹的發(fā)生隨凍結(jié)溫度呈“瞬時(shí)性”。微凍脹填料的自然持水率一般較低，且絕大部分賦存于細(xì)顆粒中。凍結(jié)時(shí)細(xì)顆粒中的水分轉(zhuǎn)移集聚會(huì)導(dǎo)致新的空間占位，其作用遠(yuǎn)大于水變冰的體積增量;而粗顆粒表面吸附的少量水分，僅會(huì)產(chǎn)生一定的相變體積膨脹。細(xì)顆粒是微凍脹填料凍脹的主要根源。
　　(2)建立了微凍脹

4、填料凍脹變形分析模型。微凍脹填料由粗粒骨架與骨架中的填充料及未充填的剩余孔隙組成。骨架粗顆?？梢哉J(rèn)為是剛性體，凍結(jié)時(shí)體積不膨脹。填充料凍結(jié)時(shí)體積膨脹，一方面產(chǎn)生填充作用，充填剩余的孔隙;另一方面產(chǎn)生抬升作用，抬升骨架顆粒，導(dǎo)致宏觀上的凍脹。剩余孔隙率大時(shí)，對(duì)凍脹的內(nèi)部消納作用強(qiáng)，同時(shí)也削減抬升作用的能量;抬升作用則導(dǎo)致骨架孔隙增大，有利于充填作用的發(fā)展。骨架結(jié)構(gòu)結(jié)合穩(wěn)定時(shí)，充填作用明顯。實(shí)際的微凍脹填料凍脹過程是充填作用與抬升作用的動(dòng)態(tài)

5、平衡過程。
　　(3)建立了微凍脹填料的凍脹計(jì)算公式?；谒⒌奈雒浱盍戏治瞿Ｐ停紤]充填和抬升作用的相互影響，采用能量最低原理，推導(dǎo)了以填充料摩擦角、粘聚力、含量、凍脹率、初始填充率、填料比重、含水率、密度、上覆荷載和骨架比重等物理力學(xué)參數(shù)的微凍脹填料凍脹計(jì)算公式。
　　(4)建立了微凍脹填料凍脹敏感性分析評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法。以填料中2mm以下的填充料的凍脹試驗(yàn)為基礎(chǔ)，綜合粗粒骨架的孔隙及充填狀態(tài)，按所推導(dǎo)的微凍脹填料凍脹