动、静荷载作用下细粒土冻结时水分迁移与冻胀特性实验研究

论文摘要

路基的冻胀、融沉变形使线路轨面实际高程与设计高程有较大差异,而轨面平顺度是影响列车安全及行驶速度的一个重要的因素。随着列车速度的提高,我国北方的冻土地区铁路路基的冻害已经严重制约着高速列车的安全运营。因此研究列车动荷载作用下路基土的冻胀敏感性规律,探索高速铁路路基冻害的发生及发展机理,对于指导高等级铁路的抗冻设计和既有路基冻害的整治都具有重要的实际价值。本文根据冻害较严重的京包铁路、包兰铁路的气候、地质条件的调查和路基冻胀变形监测,结合路基土的性质对京包铁路、包兰铁路的冻害给出了评价;为了模拟振动荷载作用下土的冻胀,研制了液压动力加载系统;在室内采用实验方法对列车动荷载作用下包兰线路基粉质土在开敞、封闭系统下的冻胀特性进行模拟。通过上述工作得出以下结论:1、以细颗粒土为填料的京包线、包兰线路基,其冻胀变形呈现整体性不均匀性,不同位置处的路基冻胀量相互之间差异较大,路基冻胀率最大为3.3%。2、当土冻结时,静荷载和动荷载作用下土冻结速率比无荷载作用下的要大,但不同类型荷载作用下土样的最大冻结深度基本相同。3、土在封闭系统中冻结时,静荷载作用下土的冻胀量和冻胀率最小,而动荷载作用下和无荷载作用下土的冻胀量和冻胀率较大,且动荷载作用下的土冻胀量和冻胀率分别与无荷载作用下的大小基本相等;3种不同类型荷载作用下土样的冻胀率随时间变化趋势基本一致,且在冷却温度较低时土冻胀率随着冻结时间延长先增大而后又逐渐减小;包兰线粉质土的冻胀变形基本不受荷载频率变化的影响;当冷却温度为-1.5℃时,这种粉质土其冻胀率最大。4、在开敞系统中土冻结时,无荷载作用下土冻胀率最大,而静荷载和动荷载分别作用下的土冻胀率较小,且当静荷载大小等于动荷载的均值时,其二者分别作用下的土冻胀率较接近;外加动荷载频率的变化对土的冻胀率基本没影响;土冻胀率和冻胀速率随着外荷载的增大而减小,在冻结速率较小时土冻胀速率大小与荷载大小基本成反比。5、开敞系统中当土冻结速率较小时,土冻结过程中水分入流速度与冻结时间近似成v=ae-bt关系,并且当静荷载大小等于动荷载的均值时,土在静、动荷载作用下冻结时水分入流速度基本相等;随着荷载增大,水分入流速度逐渐减小。6、在开敞系统中土冻结时,无荷载作用下水分迁移量最大,静、动荷载分别作用下水分迁移量相对较小;而且不同类型荷载作用下土中含水量变化差异主要集中在最大冻结深度附近。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究综述及存在问题
• 1.2.1 正冻土的水分迁移理论的研究
• 1.2.2 冻胀理论的研究
• 1.2.3 正冻土的水、热、力耦合模型研究
• 1.2.4 土冻结过程中尚未研究的问题
• 1.3 本文的主要研究内容与方法
• 第二章 京包线及包兰线路基冻害调查及分析
• 2.1 路基冻害段的气象资料调查分析
• 2.2 冻害段路基填土的常规实验分析
• 2.2.1 土基本物理性质实验
• 2.2.2 土样的含盐量实验
• 2.2.3 土的冻结点实验
• 2.3 路基冻胀变形现场监测分析
• 2.3.1 K701+000～K701+400段路基变形监测分析
• 2.3.2 K72+600～K72+900段路基变形监测分析
• 2.3.3 K210+800～K211+100段路基变形监测分析
• 2.4 京包线、包兰线路基冻胀原因初步分析及变形特点评价
• 2.5 小结
• 第三章 实验液压动力加载系统的开发及研制
• 3.1 液压系统的设计
• 3.1.1 液压系统的设计计算
• 3.1.2 液压泵站的设计
• 3.1.3 伺服阀的选型
• 3.1.4 液压缸的设计
• 3.2 计算机控制系统的设计
• 3.2.1 计算机控制系统硬件设计
• 3.2.2 计算机控制系统的软件设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 封闭条件下细颗粒压实土的冻结作用实验研究
• 4.1 实验内容及方法
• 4.1.1 试样的制备
• 4.1.2 实验仪器及方法
• 4.1.3 试验工况
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 土样温度变化过程分析
• 4.2.2 冻结深度变化过程分析
• 4.2.3 温度对土冻胀变形的影响分析
• 4.2.4 荷载频率对土冻胀变形的影响分析
• 4.2.5 土样的含水量分布的变化
• 4.3 本章小结
• 第五章 开敞条件下细颗粒压实土的冻结作用实验研究
• 5.1 试验内容及方法
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 土温度和冻结深度的变化过程分析
• 5.2.2 温度变化对土冻胀变形影响分析
• 5.2.3 荷载变化对土冻胀影响分析
• 5.2.4 冻结过程中水分入流量变化分析
• 5.2.5 土样中含水量分布变化的结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 列车荷载作用下土冻结过程中的水热祸合模型初探
• 6.1 温度场基本方程
• 6.2 水分场基本方程
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历