季节性冻融环境下高铁路基服役性能演化规律与孕灾风险评估理论

This proposal is motivated by the development of the high speed railway in cold regions, which are affected by frost heavy and performance degradation significantly. The couple effects of freezing-thawing cycle and high-speed train load will be fully considered by means of deep theoretical analysis, reiterative numerical simulation, enough test measured, appropriate engineering test. Finally, it is expected that through the efforts this proposal will achieve to solve problems covering the: (1) Degradation evolution and deformation rules for base course materials and a constitutive model to simulate the elasto-plastic behavior of base course materials subjected to freezing-thawing cycle under long-term low-level repeated cyclic loading. (2) A 3D finite element analysis for embankment and track interaction. (3) Analysis theory and evaluation method of risk assessment for high-speed railway considering shakedown theory. This project ultimately benefits for understanding the deformation and cataclysm laws of base course material and relationships of embankment and track interaction induced by the multi-coupling effects. Most importantly, it aims to improve the research level and to strengthen the emergency capability of the co-management of prevention and control for high-speed railway hazard during the operation periods of the major project in the seasonally frozen environment.

以季节性冻融环境下高速铁路建设发展为应用背景，聚焦路基长期冻胀变形与服役性能劣化的主要诱因，注重冻融循环－行车振动耦合力学效应，立足已有研究基础与技术积累，着眼室内试验、数值模拟、理论分析和现场试验等相结合的研究手段，揭示季节性冻融环境多因素耦合作用下高铁路基填料性能劣化与演变规律，建立刻画长期低幅值循环荷载下季节性冻融路基填料残余应变累积效应的动力损伤弹塑性本构模型，发展路基冻胀－轨道结构相互作用系统分析三维有限元模拟方法，系统研究路基变形对轨道平顺性的影响关系，查明路基长期服役性能演化趋势并甄选主控因素，引入安定性极限状态的评价理论，构建路基长期服役性评价技术与理论框架，致力研究解决季节性冻融环境运营高铁路基孕灾风险评估方法。本项目力求突破季节性冻融环境多因素耦合作用下高铁路基填料劣化机制，构建路基-轨道相互作用分析模型，提出高铁路基孕灾风险评估体系，无疑具有重要理论与现实意义。

季冻区高铁路基受季节性冻融环境和高速列车行车振动的耦合影响，如何科学有效地评估路基服役性能演化规律与相应的孕灾风险，从而保障路基百年服役期的耐久稳定，是季冻区高铁发展建设面临的重大挑战。本项目聚焦季冻区路基长期服役性能劣化的主要诱因，关注冻融循环-行车振动耦合力学效应，在大量实测资料分析基础上，针对季节性冻融环境下填料性能时效演化、冻胀-轨道结构相互作用分析模型、孕灾风险评估体系三部分内容开展研究。研制了环境温度-列车动载循环可控的大直径三轴试验系统，量化揭示了冻融循环-行车振动耦合作用下填料特性演化规律，建立了刻画季节性冻融路基填料的弹塑性本构模型。研究了不同补水情况下冻胀发展过程，构建了考虑非饱和土热量传递和水-气迁移过程的填料冻胀发育模型。依托牡佳、哈大高铁等现场监测，揭示了路基冻胀规律、振动响应演化规律，评估了不同冻融时期列车运行条件下线路平顺性影响。考虑路基冻胀-轨道不平顺互馈效应，构建了高铁路基冻胀-轨道结构相互作用分析模型，揭示了不均匀冻胀条件下路基与列车动力响应规律。系统分析甄选孕灾风险主要影响参数，结合模糊综合评价法和层次分析法，建立了考虑行车安全性、舒适性，车轨动态相互作用等的季节性冻融环境下运营高铁路基孕灾风险评估体系，实现了高铁运营安全风险多层次综合评判。相关成果在牡佳、哈大、秦沈、兰新等典型寒区高铁线路得到了成功应用。本项目合计发表学术论文25篇，其中SCI论文14篇。申请专利7项，授权发明专利4项，实用新型专利2项。登记软件著作权1项。出版专著2部。获铁道学会科技二等奖1项、中国专利优秀奖1项。研究成果为季节性冻融环境下填料时效演化理论的发展完善提供了重要支撑，加深了对季冻区高铁路基工作状态的系统认知，为路基服役性能与孕灾风险评估提供了技术手段，在我国寒区重大工程的科学维养、孕灾风险评估、冻融病害防控等方面具有重要的指导意义和应用前景。