土体剪切变形时间效应特性及高速铁路路堤长期变形状态控制技术研究

　　土体剪切变形时间效应特性及高速铁路路堤长期变形状态控制技术研究第1章绪论1.1研究意义及问题提出高速铁路最大的优点是载客量非常闻。一般情况，闻速铁路旅程以大城市中心为出发及目的地，转乘的时间跟驾驶汽车相若，虽然高速铁路的速度比不上飞机，但在距离稍短的旅程(650km)，高速铁路因为无需颇为遥远(通常远离市中心)的机场登机，因而仍会较为省时。而且高速铁路的班次可以较为频密，总载客量亦远高于民航。根据UIC(国际铁路联盟)的定义，高速铁路指专门修建新的高速新线，使营运速度达到250km/h以上的铁路系统，或者通过改造(直线化，规矩标准化)原有线路而成的铁路系统能得到运营速度200km/h以上，为了达到这个目标，除了列车在运营能达到速度一定标准外，车辆、轨道、装备、操作都需要配合提到非常高的标准。1964年日本东海道新干线的建成运营后，使得修建高速铁路成为世界铁路摆脱困境的有效发展途径[1]。在随后的几十年时间里，高速铁路在世界各国得到了较大的发展，日本、法国、德国等相继建成了高速铁路网络。中国高速铁路建设虽然起步较晚，但在十一五期间迎来了史无前例的快速发展。截止2012年底，中国新建客运专线里程近万公里，居世界第一。中国《十二五综合交通运输体系规划》明确提出十二五期间加快铁路客运专线、区际干线、煤运通道建设，发展高速铁路，基本建成以高速铁路为骨架、总规模5万公里的国家快速铁路网。可见，在今后5-10年内，髙速铁路仍将是中国交通运输体系建设的重点;日本目前建成的高速铁路里程约2700公里，在今后一段时间内，还将进一步完善全国高速铁路网络;欧洲计划在2020年建成泛欧高速铁路网，使既有线改造和新建线路总里程超过25000公里，连接欧洲各国主要城市;另外，美国、俄罗斯、印度以及中东地区也纷纷提出了本国的高速铁路发展计划。.1.2国内外研究现状 早期的路基是按土石方工程的方式进行建造管理的，重点关注的是填挖方的工程数量及运距等成本因素，而作为工程结构物的强度和变形等力学指标的控制基本没有要求。随着工程建设标准的提高和行车速度的提升，开始对路基的服务功能提出了满足服役性能的技术要求，路基的建造开始逐渐由土石方工程向土工结构物转变，要求对路基进行结构设计。然而充分掌握路基结构的荷载作用条件、以及路堤填筑在长期荷载作用下的力学特性是对路基进行结构分析的前提。以下就这几方面的内容以及有关路堤填筑设计理论、方法的国内外研究现状进行总结和阐述。从微观角度来看，土是一种由固体颗粒、液态水和气体三个部分组成的复杂材料，在外力作用下土中液体水和气体会排出，固体颗粒重新排列使土体产生变形。液体水和气体在排列过程中受到阻碍，会延迟土体变形，此外，颗粒之间的接触是结合水膜之间的接触，结合水的粘滞性也使得土体变形有时间效应的特性。因此，土体的变形显出与时间密切的相关性，即流变性。流变性对土的变形和强度均有影响，是土的一个重要工程性质。工程实践中，土体的流变特性表现在螺变、松她、流动和长期强度等方面。孺变表现在恒定荷载作用下土体具有时间效应变形特征;松弛表现在恒定变形下应力随时间衰减;流动表现在给定时间的变形速率随应力变化;长期强度表现在长期荷载作用下强度的变化。本文所述的变形时间效应特性主要指土体的螺变性质。.第2章土体变形状态特征及数理力学描述2.1引言现有的岩土变形状态划分理论存在一定的不完整性和周限性，对于小应力水平和中间应力水平下的划分欠细化，而且许多变形状态的划分只是概念上的定性分析，缺乏具有明确意义的判定准则和阈值以及各个状态下的土体参数指标等，这些都在一定程度上局限了其在工程设计应用方面的推广。高速铁路路基具有荷载水平小(其数值远小于极限荷载)、填料优良和压实标准高等特点，路基往往在变形尚未达到破坏状态前，其沉降量就已经超出容许限度。所以，必须通过更为细致的状态划分理论进行分析，从而保证高速铁路修建和运营的可靠性。.2.2土体变形时间效应特征及状态划分 土是一种黏弹塑性材料，其变形的发展与荷载大小和作用时间密切相关。作为铁路公路路基、建筑地基和堤现等土工结构物以及边坡和滑坡体等特殊工程体的直接构成材料，在不同的荷载水平下，其变形随时间的发展规律就成为判断这些结构工程体服役期使用性能和安全性能的重要依据。螺变是土体一种主要的具有时间效应(时间效应)的变形形式，由于土体螺变导致结构失效甚至破坏对国民经济发展造成巨大损失的工程案例已不在少数。基于以上原因，大量学者在这一领域进行了较为广泛的研究，取得了许多有益成果，使人们对于土体这种特殊材料的变形性质得到了不断深入的认识。土体的变形分为弹性和塑性两种，弹性变形表现为受外力作用的土体在外力卸除后可以完全恢复，而且在此处认为弹性变形可以瞬吋产生和恢复;相应地，塑性变形则不可恢复，其随时间的变化表现出粘滞性，即具有时间效应，是土体孺变现象发生的根本原因。但这里需要说明的是，土体的塑性变形并非全部是具有时间效应，在加载开始的瞬间会有一部分塑性变形瞬时发生，并且在较小应力水平下土体几乎只发生没有时间效应的塑性变形和弹性变形。由于土体具有弹性、塑性、粘滞性等变形性质，同时又属于一种具有孔隙性和结构性的松散介质材料，所以其变形发展趋势会随应力水平呈现出不同的状态特征。早期，C.C.维亚洛夫在其所著《土力学的流变原理》的一书中的观点，说明根据土体在的不同剪应力水平下的螺变曲线可以大致得到四个临界应力值，具体可将即土体的婦变状态随剪应力水平的不同划分为五个阶段：第一个临界剪应力值是纯弹性极限Te，当应力水平小于re时，土体几乎只有弹性变形，但由于re往往过小，实际意义不大。第3章应力式直剪仪在小剪应力下的精度提高技术.........333.1现有应力式直剪仪存在的问题........333.2改进的拉线型应力控制式直剪仪........343.2.1改装剪切力加载装置........363.2.2减小仪器的整体移动........363.3仪器精度提髙技术的试验验证........373.4本章小结........44第4章基于螺变直剪试验旳土体变形状态........464.1引言........464.2试验取土工点概况........464.3土样的基本物理力学性质试验........494.3.1土样的基本物理性质........494.3.2土样的基本力学性质........534.4土体变形时间效应的蠕变直剪试验方案........634.5土体剪切位移时间历程曲线........70第5章高速铁路路堤填筑设计的长期变形状态控制技术探讨5.1引言 高填方路基沉降问题主要集中在两个方面：一是高填方下地基的变形问题，二是高填方路堤自身的变形问题[135]。长期以来，人们对路基沉降问题的研究主要集中在软土地基上，然而，在高填方情况下，不仅存在软土地基的沉降问题，还存在由于填方荷载的大幅度增加而引起路堤填土的稳定和沉降问题[〗36]。此外，路堤填土的沉降变形还是一个与荷载、时间有关的过程，土体变形的时间效应会使路堤产生不可忽视的工后沉降，并由此带来路堤稳定方面的影响。尤其对高路堤而言，其路堤下部土体在长期高应力作用下将产生过度蠕变，从而引起路堤的大量沉降并导致稳定性降低[137]。现有的土体弹塑性本构关系及应力、应变计算方法主要用于最终沉降量的计算，未考虑时间过程;而流变理论能够同时考虑应变、应力和时间三维相互关系，但理论复杂，表达繁琐，不能直接使用。文献[3]规定，无昨轨道路基结构工后沉降控制限值为15mm。对于基床部分，主要控制其在车辆动荷载作用下的变形，对于基床以下路堤填土及地基部分，由于受动荷载影响较小，主要控制其在路堤填土重力荷载作用下的变形。长期以来，对基床结构变形和地基沉降两部分已有学者进行了大量研究，对基床以下路堤填土的变形研究则不甚充分。文献[138]指出，路堤填土沉降量约为路堤高度的0.1%￣0.5%(具体数值随填料性质和压实等不同变化)，该部分沉降将在路堤梭工之后1年左右完成。但是，具体在何种情况下基床以下路堤填土部分的变形量可在1年以内完成，规范无明确的技术解释，现阶段主要通过填料选取、压实标准、检测等进行控制，但这些控制措施的具体指标或数值主要来自工程经验，对路堤填土变形控制的作用机理不甚明确。本文提出的试验方法和土体变形状态判别准则具有较为明确的物理意义和较强的可操作性，因而可以将其推广到髙速铁路路堤填土的变形状态判别和填筑工艺控制。结论 在吸取、总结和分析已有研究成果的基础上，对土体的变形状态随荷载水平的变化情况进行了更为清晰的划分;自行设计和改装了一套用于提髙直剪数据精度的拉线型应力控制式直剪仪，进行了一系列孺变直剪试验，建立了土体变形状态判别的准则，得到了各状态间的荷载阈值;基于土体变形状态划分理论和试验得到的相关荷载阈值，提出了一种基于变形状态控制的高速铁路路堤填筑设计技术，并通过解析计算和有限元计算对其可行性进行了验证。明确了长期静荷载作用下土体的变形状态随剪应力水平的增加呈现出四种不同类别。在较小应力水平下土体剪切位移很快稳定并基本没有蠕变现象，可以认为土体处于快速稳定状态，该状态对应的荷载存在一个极限，这个极限相当于土体结构屈服强度或视为螺变起始极限;随着应力水平的增加会出现孺变现象但是最终趋于稳定，速率最终衰减至零，这种状态相当于缓慢稳定状态;应力水平继续增加时，可以发现变形速率虽呈衰减特征但后期变形速率趋于某一非零常数，土体达到极限应变后破坏，破坏的时间长短与应力水平有关，这个阶段可以认为土体处于缓慢破坏状态，缓慢稳定状态与缓慢破坏状态的临界点相当于土的长期强度;当剪应力水平进一步提高后，剪切速率经过短时衰减后保持恒定，剪切位移快速发展，试样达到极限应变后发生破坏，可以认为土体此时处于变形快速破坏状态，缓慢破坏与快速破坏状态的临界点相当于土的极限强度。............