机械、材料与加固方案的进步推动了铁路货运的快速发展,尤其体现在列车牵引质量与轴重的增加、速度的提升,这势必导致重载铁路路基与地基的动力效应显著增强。黄土地区的路基-隧道过渡段在这种动力作用下将产生较大的差异动位移、差异动应力与差异累积沉降,一方面影响其工作状态与服役寿命;另一方面基础结构的差异沉降会导致显著的轨道不平顺,进而引发更大的轮轨动力作用,进一步加剧差异累积沉降发展,加速路基破坏并威胁列车出轨。综上,过渡段差异动力响应与差异累积沉降问题直接关系到重载列车的运行安全、线路能否提速与增重(增加牵引质量或轴重)等关键问题,已经成为路隧过渡段地基设计中需要考虑的主要方面。鉴于此,本文基于“重载铁路施工关键技术研究”课题与863课题“重载铁路桥梁和路基检测与强化技术”,以新建准池重载铁路黄土地区的路基-隧道过渡段动力特性与累积沉降变形为应用背景,采用室内试验、现场监测、理论分析与数值模拟相结合的技术手段,研究了非饱和黄土的静力和动力变形特性、灰土挤密桩处理的过渡段复合地基和天然地基动力响应与长期列车荷载作用下地基的累积沉降变形等问题,主要研究内容和成果如下。(1)通过静力三轴试验,分析了含水率、压实度对非饱和黄土在不同围压下变形与强度特性的影响,研究了初始弹性模量的变化规律,建立了强度计算的实用模型。通过动力三轴试验,分析了重塑黄土与原状黄土分别在不同含水率、不同围压水平下的动力变形规律,研究了含水率和围压对黄土的动变形模量、阻尼比的影响规律;通过多次循环动力加载试验分析了黄土累积塑性变形特性,研究了动应力、干密度、含水率等因素的影响规律,并以动偏应力与静破坏强度之比为归一化因子,建立了黄土累积塑性应变与加载次数、动应力水平、静破坏强度等参数之间的关系模型。(2)针对路隧过渡段施工期卸载-再加载特点,基于静三轴试验,开发了非线性弹性本构模型以用于施工分析,并详细介绍了模型中各参数和在有限元软件中的二次开发指导。建立了路基-隧道过渡段一体化施工有限元模型,且基于施工应力场传递至动力分析模型的机制,建立了轨道-路基-隧道-复合地基耦合动力有限元模型,上述两个有限元模型严格一致以保证应力场传递,并且考虑了基于Coulomb摩擦理论的桩土相互作用。通过与现场监测数据进行对比,验证了计算结果合理性和准确性。(3)采用所建立的路隧过渡段一体化施工模型进行了过渡段开挖-支护-回填施工计算,分析了地表沉降分布特征,并研究了非线性弹性参数的影响规律,通过与现场监测数据、类似研究结果进行对比分析,验证了所用模型的合理性与正确性。基于施工结束后过渡段的应力空间分布特点,建立了分区增量模型以用于描述动力分析中黄土地层的变形行为,并针对过渡段模型计算了每个区块内的增量参数A与B,该模型可在保证复杂模型计算精确度的前提下显著提高计算效率。(4)采用建立的过渡段动力分析模型计算了过渡段路基与地基的动位移与动应力,考虑了天然地基与复合地基两种情况,分析了其沿线路横向、纵向和竖向的分布特征,并研究了列车轴重、速度对动位移、动应力的影响规律。(5)分析了地层动偏应力沿深度方向和线路纵向的分布规律,结合建立的重载列车作用下非饱和黄土的累积塑性应变预测模型,计算了长期列车动力作用下路隧过渡段地基的累积沉降与差异沉降,并分析了累积沉降沿线路纵向的分布特征,进一步研究了列车轴重、速度、灰土挤密桩桩长和桩间距对累积沉降与差异沉降的影响规律。