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郑西客运专线黄土地基振(震)陷研究

谷天峰  
【摘要】: 郑西客运专线(高速铁路)是我国在黄土地区修建的第一条高速铁路,最高时速达350km,全线铺设无碴轨道。它与普通线路的有碴轨道相比,对路基沉降的变形要求更高、更严。由于客运专线部分经过高烈度的巨厚黄土区,因此黄土震陷是路基抗震设计中必须考虑的重要问题之一。另一方面,列车长期振动引起的黄土地基附加沉降(振陷)是路基抗震设计中必须考虑的另一个重要问题。为此,本文基于国内外有关震(振)陷的研究现状,在综合分析的基础上,结合铁道部重大科研课题开展了高速铁路黄土地基震(振)陷的研究和试验工作。 本文在对线路区域的环境地质条件、工程地质特征分析的基础上,开展了多种黄土动、静力学试验,系统的探索了黄土路基在地震和列车振动作用下的震(振)陷变形及其相关问题。研究中采用现场勘察、现场测试与室内试验相结合;定性综合分析与定量、半定量分析相结合;线性与非线性理论相结合;模拟与计算相结合,取得了一些较有价值的研究成果,主要包括: (1)收集整理了郑-西客运专线沿线的环境地质和工程地质资料,并通过野外勘察,全面了解客运专线的工程地质情况,通过土的常规物理、力学试验,获取沿线黄土的一系列物理和静力学参数。 (2)在郑-西客运专线沿线进行了一定数量的现场剪切波速测试,测试结果表明剪切波速随深度呈指数关系增大。根据波速测试和震陷试验结果,建立了利用剪切波速预测黄土震陷的回归模型。 (3)将长持时的正弦荷载通过动三轴施加在原状黄土上,研究了黄土在这种特殊荷载下的残余应变(振陷)特征。根据试验结果,对不同高度路堤在机车长持时振动荷载下的沉降量进行了简化计算。结果表明,振陷量随路堤增高而减小,随振次的增加而增大。同时,还建立了黄土振陷的预测模型。 (4)根据该沿线地震危险性分析结果,对典型黄土场地(华阴、潼关、灵宝、偃师)进行了人工地震波合成。将合成的地震波通过动三轴直接施加到客运专线沿线原状黄土样上来研究黄土的震陷性。根据试验的结果,对四个研究区的黄土震陷量进行了估算,评价了场地震陷性。结果表明:在地震超越概率2%作用下华阴、潼关场地可产生严重震陷,灵宝场地可产生轻微震陷;在地震超越概率10%作用下华阴、潼关、灵宝场地可产生轻微震陷;在以上情况下,偃师场地无震陷性。 (5)将模糊信息优化处理技术与神经网络相结合提出了一种模糊神经网络模型,并将其应用于震陷的预测中。这种方法,弥补了神经网络在数据处理方面的不足以及信息扩散在计算方面的缺陷。通过实例验证,这种方法在预测震陷系数上,优于多元回归方法。 (6)利用扫描电镜、GIS、分形理论等对黄土震陷前后黄土微结构变化进行分析发现黄土的震陷性主要是由弱胶结粒间孔隙、架空孔隙微结构的变化所造成的,分形理论结果能够较好的反映震陷前后黄土孔隙的变化规律。 (7)分析了黄土震陷的影响因素,将黄土结构简化为微观的弹塑性模型,进而对黄土震陷的机理进行了初步探讨。 (8)利用FLAC软件建立了潼关、华阴等四个区域的黄土路基弹塑性动力分析模型,输入人工地震波,对黄土地基沉降进行了动力分析,得到了不同地震荷载下的路基黄土震陷量。同时还建立了不同高度路堤的路基分析模型,计算了静沉降以及机车振动荷载下动力沉降。 (9)提出了一种有限元与神经网络联合的计算方法,用于计算长持时机车振动荷载下路基的动力沉降。 (10)针对郑-西客运专线路基黄土产生的震陷特点,提出强夯、化学灌浆、挤密桩等消除其影响的地基处理措施。


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