高铁动载下红层泥岩的力学特性与疲劳规律研究

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山区高速铁路修建过程中必然会对沿线岩土体造成一定的扰动,且在运营过程中岩土体将继续遭受高铁振动的长期影响。针对西南山区普遍发育的易滑地层——红层泥岩,在高铁动载长期循环作用下,其力学特性及疲劳规律尚未有一个清晰的认识。因此,开展高铁动载作用下红层泥岩的力学特性及疲劳损伤规律的研究,对长期运营阶段中的高铁沿线减灾防灾管理具有重要的科学意义与实用价值。本文通过收集实测的高铁振动数据,结合含泥岩夹层的路堑边坡数值模拟,分析高铁动载引起岩土体振动及传播特性。利用室内岩石常规力学试验、疲劳试验,研究泥岩分别在不同上限应力比、不同应力幅值、不同频率下的轴向应变、滞回环、动弹性模量、阻尼比的演化规律,构建泥岩疲劳损伤模型。研究成果可为软岩(泥岩)在长期高铁动载作用下的损伤机理研究提供借鉴,并对高铁沿线含软岩夹层的边坡长期稳定性及运营安全防控提供技术支撑,成果和结论主要有以下几个方面:(1)分析实测高铁振动数据,结合数值模拟结果对比分析,可知:边坡动应力、加速度幅值及动位移随振源距离在水平方向上、垂直方向上、坡表方向上的衰减规律,且含软岩夹层的边坡遭受高铁振动影响较大。(2)单轴压缩试验显示泥岩应力-应变曲线具有显著四阶段特征,包括:裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段及塑性破坏阶段,符合塑-弹-塑总体规律。含水率越高,泥岩的抗压强度越低。利用Image Py软件对岩样裂隙过程进行图形识别分析,通过定义面裂隙率得到其斜率变化先由大变小,再变大的过程。(3)利用岩石疲劳试验,确定泥岩“门槛值”范围(上限应力比75%~80%)。动弹性模量随循环周次、上限应力比、应力幅值、频率的增加而增加。动弹性模量的发展规律是先变大后趋于基本稳定。同一岩样,上限应力比越高,应力幅值越小,频率越低,泥岩越容易发生疲劳破坏。(4)定义耗散能作为泥岩损伤变量。根据同种岩石发生疲劳破坏时的疲劳失效总功为一定值,推导出泥岩基于能量耗散的疲劳损伤模型(?),且与实验结果较吻合;考虑岩石疲劳试验与蠕变试验存在一定相似关系,引入非线性元件粘滞性系数,结合Burgers模型与西原模型,构建泥岩基于“等效应力”的疲劳损伤模型。利用试验与理论计算结果,对比基于能量耗散与基于“等效应力”的损伤模型,发现前者模型的参数少,后者模型的拟合度高,并且当上限应力比在“门槛值”以上时,后者模型的适用性更强。
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