浅谈青藏铁路列车行驶多年冻土场地路基振动反应与振陷预测

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1、国内图书分类号：U213.1学校代码：10213国际图书分类号：625.1密级：公开工学博士学位论文青藏铁路列车行驶多年冻土场地路基振动反应与振陷预测博士研究生：朱占元导师：凌贤长教授申请学位：工学博士学科：岩土工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:U213.1U.D.C:625.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTRAIN-INDUCEDVIBRATIONRESPO

2、NSEANDSUBSIDENCEPREDICTIONOFPERMAFROSTSUBGRADEALONGQINGHAI-TIBETRAILWAYCandidate：ZhuZhanyuanSupervisor：Prof.LingXianzhangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：GeotechnicalEngineeringAffiliation:CivilEngineeringCollegeDateofDefence：Ju

3、ne,2009Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要迄今，关于列车行驶冻土场地路基振动反应与稳定性的研究工作在国内外均少有开展，而对于冻土层对路基振动反应的影响与列车长期行驶振陷预测的研究更罕见文献报道。我国冻土分布辽阔，现有一半以上铁路干线位于冻土区。青藏铁路通车不到两个月多年冻土区部分路段便出现路基下沉与开裂现象，从而引起铁路部门的高度重视；并且，专家也严肃指出，列车重复荷载影响青藏铁路冻土工程的问题，已成为

4、过去研究不足而目前则显得越来越突出的一个极其重要的工程问题。鉴于上述，本论文以青藏铁路的运营维护和完善寒区铁路路基抗振设计的技术细节为应用背景，对青藏铁路轨道交通荷载作用下的冻土动力性能、振陷预测、冻土路基振动反应及其主要影响因素做了一些基础性的研究工作。具体研究内容、研究方法与相应成果如下。针对轨道交通荷载的振动特点，通过低温动三轴试验，系统研究了青藏铁路北麓河试验段路基冻结粘土的动力非线性本构关系、动力学参数及其主要影响因素，特别是提出了这些动力学参数与冻土的负温、围压、含水量、频率、动剪应

5、变幅值、动应力幅值之间变化关系曲线与相应的经验表达式。通过低温动三轴试验，系统研究了青藏铁路北麓河试验段路基冻结粘土在轨道交通荷载作用下的动残余应变增长速率特性及其主要影响因素；通过引入动静应力比的概念，提出了采用幂函数拟合动静应力比、负温、含水率、频率与轴向动残余应变增长速率之间变化关系曲线，并给出相应的拟合公式；研究了青藏铁路北麓河试验段路基冻结粘土在长期轨道交通荷载作用下的动力累积残余变形特性及其主要影响因素，合理提出了两个振陷预测经验模型（动力残余应变累积模型），尤其是结合冻土动残余应变

6、增长速率试验和长期动荷载试验提出的振陷预测模型二，综合考虑了单元的应力状态、荷载作用的振次和冻土的负温、含水率、频率、围压等因素的影响。现场监测了青藏多年冻土场地和大庆季节冻土场地铁路列车行驶引起钢轨、轨枕、路堤、场地的振动反应，据此研究了钢轨、轨枕、路堤、场地列车行驶振动反应特性，以及冻土层对路堤振动反应的影响。获得了两点极其有益的认识：⑴青藏铁路、大庆铁路不同季节条件下路堤振动加速度反应沿监测横断面的衰减规律，并给出了相应的拟合函数式；⑵冻结期的冻土层对路堤竖向和纵向振动反应有放大作用，而对

7、横向振动反应有削弱作用，春融期路堤竖向和纵向振动反-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文应较冻结期有所降低，而横向振动反应却被放大。基于大系统的统一分析理念，建立了列车－钢轨－轨枕－道床－路基动力系统的列车－轨道垂向耦合动力学模型，编研了相应的动力仿真程序ZL-TNTLM，并根据青藏铁路北麓河试验段列车行驶现场监测结果进行了可靠性验证；据此，研究了北麓河试验段路基冻融状态、列车行驶速度、轨缝宽度对路基列车行驶振动荷载的影响。建立了轨枕－道床－路基－场地动力系统的路基振动反应分析模型（非线性粘弹性模

8、型），编研了相应的动力有限元仿真程序ZL-RNTLM；据此，进行了北麓河试验段多年冻土场地列车行驶路基振动反应分析且做了定量评价，并对比研究了季节变化、车辆类型、行车速度、路堤高度对多年冻土场地路基振动反应的影响。基于青藏铁路北麓河试验段的长期沉降监测记录，研究了多年冻土路基分层（路基顶面、路基底面、冻土上限）沉降变形特性及其影响因素。结果表明，路基沉降变形主要来自原天然上限以下多年冻土层的压缩变形，冻土上限的沉降量随路堤增高、富冰冻土增厚而显著增大，约占路基顶面累积沉降的57.4%~69.6%