机车荷载作用下青藏铁路多年冻土区典型结构路基稳定性研究

论文摘要

青藏铁路格(尔木)—拉(萨)段全长1142km，其中穿越连续多年冻土区546.41km(其间融区总长为101.68km)，位于多年冻土区的路基占多年冻土区总长的72.3%。自2006年7月1日青藏铁路正式开通运营以来，因其穿越大面积连续多年冻土区，铁路的长期运行安全性备受关注。多年冻土区铁路路基及其下部冻土的热状况是路基稳定性的关键因素。为了减小工程扰动的影响，有效保护多年冻土，青藏铁路在修建时，针对多年冻土区路基采用了主动保护多年冻土的工程措施。在北麓河试验段，采取了一系列青藏铁路典型的路基结构形式，其中包括，块（碎）石路基、通风管路基、保温材料、热棒、块（碎）石护坡、边坡防护工程、合理路基高度、遮阳板护坡、拼装式涵洞基础等等，以上不同的路基结果形式均取得了很好的试验和运营效果。但是，多年冻土区部分地段的路基工程从施工完成到运营均有一些病害产生，影响了行车速度，也给运营安全带来了潜在的威胁。因此，开展运营后多年冻土区典型结构路基工程状态的研究、评价其安全稳定性，是保证青藏铁路多年冻土区路基工程长期、安全、可靠运营的关键。本文采用相关资料收集分析和现场调查、现场强震动测试、理论分析和计算等方法，分析了多年冻土区不同铁路结构路基在机车通过实时加速度和速度变化以及机车的振动频率特性，得到不同季节、不同断面的振动加速度衰减规律，研究了列车振动荷载作用下不同路基断面动力响应特征。在此基础上运用二维等价线性响应时程动分析法对典型结构路基进行了动力响应的数值计算；并在以往三轴流变实验的基础上，对青藏铁路多年冻土区的普通素土路基在等效机车荷载作用下的蠕变效应进行了分析。论文的主要结论和创新性成果如下:（1）多年冻土区机车通过时，无任何处理措施的素土路基表层振动响应强烈，不利于维持多年冻土区路基结构的动力稳定性。（2）机车载荷通过路基的传递，与路基相同的成分显示出振动卓越性，与路基结构差异较大的成分被吸收。碎石路基、块石路基、普通路基结构的固有频率为30～40Hz，通风管路基的固有频率为40～50Hz。（3）机动车荷载传递的衰减效应暖季大于寒季。寒季路肩上部土体冻结，结构刚度大，传递速度快，衰减效应小。素土路基的振动衰减要略大于块石路基。（4）素土路基与块石路基的最大沉降量均发生在路基上部土体处，最大位移分别为0.018及0.020mm；然而，对于振动沉降量的控制，块石路基的效果优于素土路基。（5）ABAQUS软件中时间硬化与蠕变模型能较好地模拟路基运营过程中的蠕变效应。数值模拟表明，随着时间的延长，素土路基中各点的位移和蠕变应变不断增大，并最终趋于稳定。路基的竖向位移由路基顶部中心位置向路基内部和两侧逐渐减小，竖向变形最大值位于顶部中心，其最大位移达到14mm，与路基断面的年沉降变形观测值一致。（6）素土路基中心的蠕变应变值大于路基顶面和天然地表的应变值，路基道砟下部的蠕变应变值最大，原天然地表位置处的应变值最小。路基中心受机车荷载影响最大。边坡的应变较同一高度的路基中心处的应变有所下降，不同高度的应变值随路基高度的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土物理学、静力学研究
• 1.2.2 冻土动力学研究
• 1.2.3 冻土工程及冻土路基工程概况
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 主要研究思路
• 第二章 青藏铁路多年冻土区工程地质条件
• 2.1 多年冻土区自然地理环境及区域地质特征
• 2.1.1 青藏铁路穿越多年冻土区地理位置
• 2.1.2 高原冻土区气候
• 2.1.3 青藏高原气温变化历史规律
• 2.1.4 高原冻土区植被
• 2.1.5 区域地质构造和地震活动
• 2.2 多年冻土分布特点
• 2.2.1 楚玛尔河高平原
• 2.2.2 北麓河盆地
• 2.2.3 沱沱河盆地
• 2.2.4 开心岭山区
• 2.2.5 通天河盆地
• 2.2.6 布曲河谷地
• 2.2.7 温泉断陷盆地
• 2.3 高原多年冻土区的冷生地质现象
• 2.4 青藏铁路高原多年冻土的工程地质区划
• 2.5 小结
• 第三章 多年冻土区典型路基断面的强震动测试
• 3.1 试验段的地质概况
• 3.2 测试断面概况
• 3.2.1 DK1142+700 断面
• 3.2.2 DK1142+660 断面
• 3.2.3 DK1142+480 断面
• 3.2.4 DK1141+070 断面
• 3.2.5 DK1139+670 断面
• 3.2.6 DK1142+945 断面
• 3.2.7 DK1143+057 断面
• 3.3 现场强震动测试
• 3.3.1 强震动观测原理
• 3.3.2 强震动数据分析方法
• 3.4 现场强震动测试数据采集
• 3.4.1 仪器类型与采样参数
• 3.4.2 测线布置与数据采集工程
• 3.4.3 采集波形例
• 3.5 强震数据分析结果
• 3.5.1 振动加速度波形分析
• 3.5.2 傅里叶谱分析
• 3.5.3 能量谱分析
• 3.6 小结
• 第四章 多年冻土区典型路基数值计算分析
• 4.1 数值计算分析方法
• 4.1.1 结构固有模态分析
• 4.1.2 时程法分析结构动力响应
• 4.1.3 蠕变效应分析
• 4.2 路基模型及参数
• 4.2.1 模型网格划分
• 4.2.2 模型力学参数
• 4.2.3 计算过程介绍
• 4.3 数值计算结果分析
• 4.3.1 路基固有模态分析
• 4.3.2 机车动载荷作用下振动传递特性
• 4.3.3 机车动载荷作用下位移响应特性
• 4.3.4 等效机车动载荷作用下路基蠕变特性分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介