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《北京交通大学》 2018年
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动载作用下低路基桩网复合地基宏细观土拱效应研究

魏平  
【摘要】:我国高速铁路由大规模建造进入长期安全稳定运营阶段所面临的突出问题是基础结构在运营过程中的动态性能演变机制和规律。作为铁路线路重要组成部分的路基,在反复动力荷载作用下的长期稳定性是保障轨道结构良好平顺性的基础。高速铁路路基设计和施工中采用的桩网复合地基,其设计理论不尽完善,设计方法还没有纳入规范,长期动荷载作用下的低路基桩网复合地基的力学特性及传递规律有待进一步研究。本文的主要研究内容如下:1.配置“透明土”作为“可视化”的路基试验材料由于路基和地基本身的不可视性,通过这些试验无法获得路基和地基内部的位移场演化等细观特征,造成不同的学者对土拱效应及破坏机理认识不同,因而提出的承载力公式结果差别很大。透明土作为一种新型的岩土材料以其独特的透明性能够解决地基和路基内部不可视的缺点,为研究桩网复合地基内部细观特征提供了条件。本文对透明土的物理力学性能进行了实验分析,结果表明透明土可替代天然砂应用于道路与铁路路基工程可视化模型试验研究。2.研究桩网复合地基“动力”土拱问题目前桩网复合地基的研究成果集中在静力荷载条件下,针对“动荷载”作用下的土拱研究不足的现状,本文研究了动荷载特性(幅值、频率)对动力传递和土拱效应的影响规律。通过高铁遂渝线测试段、室内模型试验、颗粒流软件模拟,揭示了动荷载特性、路堤高度、土工格栅层数等因素对土拱的影响。3.设计小型高铁桩网复合地基试验模型将“透明土”材料作为高铁地基和路基模型填料,设计尺寸相似比1:50的试验模型。由于透明土的“可视化”,通过拍照和PIV软件分析土颗粒位移与应力应变。避免了由于传感器尺寸效应、灵敏度等带来的测量失真,适用于细观土拱效应空间机理研究。本模型试验的动力传递等规律与原型高铁遂渝线试验段一致,验证了本模型的可靠性和适用性。4.设计搭建动载加载系统试验设备方面,目前动载加载设备大多使用液压伺服式和气缸式,频率范围0-20Hz;透明土试验一般为缩尺试验,高铁5Hz的实际频率在1:50缩尺模型中为30Hz,现有的设备无法达到频率要求。根据高铁小型模型试验的出力、频率和波形等需求,设计搭建了激振器-功率放大器-信号发生器-阻抗头-推力杆-反力架为主要构件的动载系统。成本低,可推广,已获授权专利。5.离散元的数值分析建立“应力拱”与“位移拱”联系建立“土颗粒间相互作用力与相对位移→剪应力→土拱”从细观到宏观的桥梁,揭示动力土拱的荷载传递机理。基于PFC2D颗粒流软件,编制相应程序对桩网路基的“土拱结构”进行了离散元模拟,从宏细观力学方面分析了静动载作用下的接触力、应力主方向和应力分布的规律和土拱影响因素。6.理论推导动力土拱计算方法将结构力学的拱结构分析方法应用于土力学动力土拱,建立了动力土拱模型,进行合理拱轴线和悬链线方程的理论推导,提出动力土拱计算公式,并使用泰勒展开式的简化计算方法方便工程应用。在此理论基础上分析了德国、英国路基设计标准的适用性。本文从工程实际高铁遂渝线实测数据、可视化模型试验、离散元数值分析和理论推导四方面入手,针对“动荷载”作用条件,研究了动力土拱的形成、发展与破坏机理,提出了动力土拱的计算方法,统一了动力土拱细观机理与宏观现象的认识。为高速铁路桩网复合地基结构的动力土拱设计与长期维护运营提供有益的参考。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U213.1

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