高速鐵路中低壓縮性土地基變形時(shí)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(yùn)行維護(hù)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(yùn)營過程對(duì)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(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性要求都遠(yuǎn)高于普通鐵路;對(duì)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(yùn)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(shí)間效應(yīng)的變形是路基工后沉降主要來源，對(duì)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(qiáng)度特性研究相對(duì)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(duì)優(yōu)化高速鐵路地基處理深度、獲得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)相統(tǒng)一的地基加固方案有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　在總結(jié)已有的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，對(duì)土體變形演化狀態(tài)特征進(jìn)行了全面的理論和試驗(yàn)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(shí)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(yàn)、三軸蠕變?cè)囼?yàn)和土工離心模型

3、試驗(yàn)等技術(shù)手段，在土體變形演化狀態(tài)判別準(zhǔn)則、地基壓縮層厚度確定和地基系數(shù)K30試驗(yàn)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(shí)間效應(yīng)狀態(tài)特征分析及試驗(yàn)研究
　　基于單元結(jié)構(gòu)填土模型的小型平板載荷試驗(yàn)，分析了最優(yōu)含水率下的三種壓實(shí)度（90％、95％和100％）模型填土的變形時(shí)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(shí)間呈現(xiàn)

4、負(fù)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(shí)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(diǎn)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(shí)間效應(yīng)亞狀態(tài);按變形時(shí)間效應(yīng)微弱與明顯狀態(tài)之間的相變點(diǎn)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(zhǔn)則”;基于單元結(jié)構(gòu)填土模型試驗(yàn)和三軸蠕變?cè)囼?yàn)，開展了粉質(zhì)黏土變形時(shí)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(gè)試驗(yàn)條件下的荷載水平閾值λlⅠ、λlⅡ和λlⅢ和三個(gè)偏應(yīng)力水平閾值λqⅠ、λqⅡ和λqⅢ，借鑒Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)的土體變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)。
　　2)高速鐵路地基壓縮層厚度計(jì)算的“時(shí)間效應(yīng)法”
　

6、　基于土體變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)，利用地基土中點(diǎn)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(duì)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(shí)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(shí)間效應(yīng)法”;以壓縮層厚度不超過3～5m所對(duì)應(yīng)的土體強(qiáng)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(qiáng)度控制方程，討論了滿足地基條件下路堤高度所對(duì)應(yīng)的地基土體抗剪強(qiáng)度控制指標(biāo)及基于地基強(qiáng)度的最大路堤荷載控制值。
　　3)路堤荷載對(duì)地基壓縮層厚度影響的土工離心模型試驗(yàn)分析
　　運(yùn)用土工離心模型試驗(yàn)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(duì)地基具有變形時(shí)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(shì)，地基變形時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)弱與路堤荷載之間呈正相關(guān)性;基于“冪次判別準(zhǔn)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(shí)間效應(yīng)的土層厚度為10m時(shí)對(duì)應(yīng)的路堤高度為4～5m，路堤高度由3m增加至6m或者9m時(shí)，產(chǎn)生時(shí)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(yàn)反映的路堤荷載對(duì)地基變形具有時(shí)間效應(yīng)土層厚度的影響規(guī)律與確定壓縮層厚度的“時(shí)間效應(yīng)法”計(jì)算結(jié)果具有良好一致性，驗(yàn)證

9、了“時(shí)間效應(yīng)法”的可靠性。
　　4)粉質(zhì)黏土填料在K30試驗(yàn)加載進(jìn)程中的變形狀態(tài)分析
　　開展了90％、95％和100％壓實(shí)度下粉質(zhì)黏土填料的小型平板載荷試驗(yàn)，討論了K30試驗(yàn)進(jìn)程中填土變形狀態(tài)的演化特征。分析表明:K30試驗(yàn)的填土變形以彈性為主，處于收斂狀態(tài);變形時(shí)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(shí)間效應(yīng)開始顯現(xiàn)，由快速收斂變形狀態(tài)進(jìn)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(duì)五級(jí)加載、0.04MPa荷載增量的加載制度，得到了細(xì)粒土壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)K30試驗(yàn)的適宜范圍為60～160MPa/m;“最后1min變形不超過當(dāng)前級(jí)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(zhǔn)下，K30試驗(yàn)的分級(jí)加載時(shí)間隨時(shí)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(shì)，后者更符合土體變形穩(wěn)定時(shí)間與時(shí)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(yàn)時(shí)