高速列车振动荷载和干湿循环耦合作用下路基性能衰变规律研究

Based on the engineering construction of high-speed railway, a series of experiments and theoretical investigations are performed to reveal the deterioration laws of strength, deformation and damage performance of subgrade soil under train dynamic load coupled with drying-wetting cycles. A dynamic analytical model of the vehicle-irregular track-subgrade coupling system is proposed considering vehicle, railway and subgrade as a whole system. Then, the dynamic analytical model is verified using field tests, and is used to illustrate the variation laws of dynamic response under different strain speed and axial loads. The moisture conditions and threshold values of the subgrade soil under atmospheric are also obtained by in-situ test method. Furthermore, a series of laboratory tests including static, dynamic triaxial tests, CT scanning observations and conductivity measurements are conducted on the subgrade soil specimens after experienced several drying-wetting cycles with different cycle numbers and amplitudes. The damage evolution mechanism is revealed from the micro-scale and macro-scale respectively, and a prediction function is obtained by taking account into the CT number and conductivity of the soil specimens. Moreover, a damage evolution model is proposed to predict the long-term performance of subgrade soil under train dynamic load coupled with drying-wetting cycles, and some technical measures are also proposed to improve the long-term service performance of railway subgrade. The method developed herein may be used as theoretical basis and technical support for the construction and safe operation of high-speed railway.

以我国高速铁路工程建设为背景，通过系统的试验研究和理论分析，揭示铁路路基在长期列车动荷载和循环湿度变化耦合作用下的强度、变形及损伤特性的演化机制。将列车与路轨结构视为一个整体系统，建立列车-不平顺轨道-下卧路基系统耦合动力学模型，利用现场行车试验对模型进行验证，探讨不同列车轴载、时速下路基动力响应分布规律。利用路基湿度变化的原位测试，查明气候作用下路基的湿度状态与变化界限阈值。基于路基动应力分布及湿度变化规律，全面开展不同干湿循环幅度及次数后的路基静动力学特性试验，并同步进行细观CT 扫描试验和宏观电导率试验，从细观、宏观尺度分别研究列车荷载和干湿循环耦合作用下路基土体的损伤演化规律，提出路基土体损伤演化的CT 数或电导率评价方法，在此基础上建立路基土在长期列车振动荷载和循环湿度变化耦合作用下损伤演化模型，提出保证路基长期性能的工程技术措施，为高速铁路建设和安全运营提供理论依据和技术支持。

我国的高速铁路经过短短十余年的发展，已经成为一种人们出行的主要方式。由于高铁运行速度是普通列车速度的两到三倍，因而铁路结构的稳定安全显得尤为重要。在国内外都曾出现过路基病害引发的安全问题，铁路路基也因此倍受关注。路基作为承载上部荷载的重要结构，会受到列车荷载和自然环境（主要为水的作用）的共同作用，其性能可能因此发生改变。本项目采用理论推导、数值分析与室内试验相结合的手段，对列车荷载和干湿循环耦合作用下高铁路基性能衰变规律进行研究，并提出路基损伤演化模型。主要研究内容如下：.一、考虑轨道不平顺以及真实路基地基的分层结构特点，采用Fourier变换和动力刚度矩阵法，建立了列车-不平顺轨道-层状路基大系统耦合动力学分析模型。采用现场实测数据对模型进行了对比验证，然后利用该模型研究了高速列车引起的轮轨接触力的变化规律，并分析了地表和路基的动力响应规律。同时，系统地研究了车速、轨道不平顺、基床材料参数等因素对地表和路基动力响应的影响规律。.二、以郑西高铁沿线老黄土作为试验土样，对其进行了基本物理性质试验，同时研究了土样的压实特性、持水特性和渗透特性。对土样进行了不同次数和幅度的干湿循环试验，并开展了干湿循环前后的静三轴试验，探讨了土样强度和变形在不同干湿循环条件下的演化规律。.三、以路基动力响应数值计算结果为依据，制定了动力学试验方案。为考虑列车荷载与干湿循环的耦合作用，对经历不同干湿循环次数和幅度的土样开展了全面的动三轴试验。通过试验研究了动应力幅值、干湿循环次数、干湿循环幅度、围压、加载频率等因素对土样累积塑性应变以及动回弹模量的影响。基于动三轴试验结果，建立了考虑列车荷载和干湿循环耦合效应的路基累积塑性应变预测模型。.四、对经历不同动应力和干湿循环耦合作用后的土样开展了电阻率测试和CT扫描，研究了不同耦合条件下土样电阻率的变化规律。提出了基于电阻率、动回弹模量和CT数的宏细观多尺度路基损伤评价方法，建立了列车荷载和干湿循环耦合作用下路基损伤演化量化模型。