黄土地区高速铁路路基帮宽结构荷载传递与时空变形特性研究

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随着高速铁路网不断地完善,后期新修建的高速铁路、区域连接线、城际铁路就难以避免会并行或接轨既有高速铁路的状况,将会出现一系列的新建线路路基并行或接轨既有高铁路基,引起既有高铁路基产生相应的内力和变形,会给既有高速铁路列车的舒适性和安全性构成巨大威胁。在黄土地区修筑高速铁路路基帮宽工程时,可能会产生因较大的不均匀沉降带来的一系列工程问题。因而在黄土地区开展高速铁路帮宽路基工程,高速铁路新建路基的结构型式、应力传递、竖向变形控制等是帮宽工程研究的重点问题。本文基于中兰接入中川、中兰客专交通枢纽接轨兰新线等帮宽工程背景,采用室内模型试验与数值模拟仿真分析,开展帮宽路基对既有路基结构的应力传递特征,对比分析荷载作用下既有与新建路基的差异沉降变形演变规律,具体研究内容如下:(1)分别开展路基填料的颗粒级配分析试验、击实试验、蠕变试验以及细粒土直剪试验与粗粒土的大型剪切试验。开展室内外试验得到填料的不均匀系数Cu、曲率系数Cc、最优含水量ω、最大干密度ρd、粘聚力c、内摩擦角φ等参数,衡量了填料的级配优良性,绘制出填料的干密度-含水率关系曲线和时间与形变的关系曲线,同时为建立有限元模型提供了参数依据。(2)基于相似理论,建立高速铁路常规填料路基帮宽结构室内模型试验(拟定模型相似比为1:10),对填筑好的既有路基分别进行静置、预压处理(P=54.1k N/m~2),研究分析既有路基内部因自重和上覆荷载因素引起的应力分布特征及沉降变形规律。应力会沿着分布宽度产生一定的应力扩散现象,位于路基内部核心受力区范围的压力值增加明显,处于路基内部非核心受力区范围的压力值由于周围土体的挤压影响会有小幅度增加。对填筑好的新建路基分级加载P/2、P、3P/2、2P(P=54.1k N/m~2)均布荷载后,试验结果显示:新建路基和既有路基沉降变形出现了一定的差异,其中既有-新建路基结合处的沉降变形最大。(3)开展土工格栅加筋土结构室内模型试验,既有路基分层填筑压实、元器件安装位置、加载方式等情况与常规填料路基帮宽结构相同。修筑新建路基过程中在其内部铺设两层土工格栅,然后对填筑好的新建路基依次分级施加均布荷载P/2、P、3P/2、2P(P=54.1k N/m~2),试验结果显示:新建路基加设土工格栅组成的加筋土提高了路基的抗剪强度,土工格栅可以有效控制路基内部应力传递与不均匀沉降变形。(4)采用ABAQUS有限元软件对不同试验工况进行数值模拟仿真分析,根据背景工程实际尺寸建立模型,选取弹塑性本构模型,设定模型参数及边界条件,得出路基内部应力与沉降变形云图。研究分析常规填料组新建路基引起既有路基结构产生的附加应力分布特征与沉降变形规律。通过研究土工格栅受力分布得出土工格栅与周围土体协同作用,进而总结分析新建路基内加设土工格栅对既有路基结构的横向应力传递与沉降变形扩散规律。本文研究成果为高速铁路帮宽路基结构设计提供一定的理论支撑,并且对高速铁路帮宽路基施工具有重要的指导意义。
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