盾构隧道下穿高铁路基变形影响规律及加固优化研究

为研究盾构隧道下穿高铁路基施工时对路基的影响规律,探究在隧道开挖过程中运用不同加固措施对既有高铁路基的影响程度。以西安市某地铁工程为依托,利用室内模型试验对比分析盾构隧道下穿高铁CFG桩复合路基过程中,无加固、超前管幕工法加固与地表袖阀管注浆加固3种隧道施工条件下,地表沉降值和沉降槽的空间分布规律;采用数值模拟分析验证超前管幕工法加固工况下盾构隧道下穿时,高铁路基、道床的位移变化规律。室内模型试验结果表明:盾构隧道施工中采用管幕工法加固后复合地基正上方的地表沉降最大值减小28.6%,采用袖阀管注浆加固后减小18.0%,并且采用两种加固措施后的CFG桩最大附加轴力均减小20%以上。因此,在隧道掘进过程中采用一定加固措施,可改善围岩稳定性,其中管幕工法加固效果更为显著。数值模拟分析表明:采取管幕工法加固施工与不采取加固措施相比,路基最大沉降量减少33.78%,道床最大沉降量减少45.08%。因此,管幕工法加固能够有效减小对既有高铁路基的影响。

考虑碾压参数影响的压实质量连续检测结果修正研究

为降低压路机行驶速度、行驶方向、振动频率等碾压参数引起的压实质量连续检测结果CMV误差,以动态变形模量E_(vd)为修正目标,基于极限梯度提升XGBoost算法和多元线性回归方法分别建立CMV修正模型,对比修正模型的适用性,并分析各碾压参数对CMV误差的影响。研究表明,XGBoost修正结果与E_(vd)的相关系数高达0.8且误差仅为1.7%,而多元线性回归修正结果与E_(vd)的相关系数仅为0.65且误差高达9.2%,XGBoost修正模型更适用于降低由碾压参数引起的CMV检测误差。高速行驶会造成CMV存在显著的负误差,行驶方向的不同使CMV产生大小相当但正负相反的误差,振动频率对CMV误差的影响是非线性的且与频率的取值有关。最后根据现场压实检测数据的修正结果验证了XGBoost修正模型对降低CMV检测误差的可靠性。

盐渍土既有高速铁路路基压实质量检测

高速铁路路基填料压实标准主要通过压实系数、地基系数、动态变形模量等指标进行控制。对于既有路基,在不破坏路基的条件下,路基内部的控制指标难以有效测试。为评价某海外项目既有路基内部填料压实情况,最大程度减少对既有路基工程的扰动破坏,通过试验段建立了动力触探试验(DPT)锤击数与实测压实系数、地基系数、动态变形模量的拟合关系式,并将其应用于该项目全线路基内部压实质量检测。结果表明:应用该拟合关系式能够避免对既有路基的破坏,节约工期,取得了较好的经济效益。

路堤下CFG桩复合地基稳定性分析方法及试验验证

路堤下CFG桩复合地基稳定性分析方法尚不完善。基于桩体抗滑段受力平衡条件,开展考虑桩承水平净推力、桩承轴力和桩顶筋带约束作用的桩体抗滑效应分析。由CFG桩弯曲强度确定桩承极限水平净推力,通过引入桩体破坏不同步性的桩承水平净推力系数,提出能良好反映CFG桩弯曲破坏模式下复合地基稳定性分析的桩承综合力矩法,并结合土工离心模型试验进行验证。案例研究表明:路基工程CFG桩复合地基的抗滑力矩中,土体抗滑力矩占比54.8%~79.8%,桩体抗滑力矩占20.2%~35.5%,筋带抗滑力矩约9.7%;对于桩体抗滑力矩,由桩承轴力提供的抗滑力矩占比达86.9%~91.9%,由桩体弯曲强度和桩顶筋带约束作用引起的抗滑力矩占比约8.1%~13.1%;针对离心模型试验的极限和临界状态,采用桩承综合力矩法计算的地基稳定系数在0.98~1.06之间,适用性较好。

基于协同降噪与IGWO-SVR的高填方路基沉降预测

高填方路基沉降影响山岭重丘区重载铁路运营安全。为克服实测沉降数据掺杂随机噪声、现有预测模型适用性差的不足,提出基于协同降噪算法与IGWO-SVR模型的沉降预测方法。运用互补集合经验模态分解法(CEEMD)与小波包变换法(WPT)对含噪沉降数据进行协同降噪处理;提出基于佳点集初始化均布、非线性收敛控制与自身历史最优记忆位置更新的改进灰狼优化(IGWO)算法,并结合支持向量回归模型(SVR),构建IGWO-SVR沉降预测模型。进一步地,利用大准铁路工点及现有文献研究成果,验证IGWO-SVR模型的优越性。结果表明:协同降噪法可有效消除原数据中噪声项的干扰波动;在小样本数据集上,IGWO-SVR模型较传统沉降预测模型与现有文献所述预测模型,具有更高的预测精度与稳定性。研究成果为重载铁路高填方路基沉降预测提供了新途径。

铁路路基工程施工阶段碳排放评估及分析

在“双碳”目标的驱动下,铁路运输行业低碳转型势在必行。针对铁路路基工程施工阶段碳排放问题,采用生命周期评价方法,建立铁路路基工程施工阶段碳排放核算模型。通过实际案例,量化分析材料生产、材料运输及现场作业3个部分的碳排放。运用帕累托法则识别主要碳排放源,并进行敏感性分析,研究其减碳路径及减碳效果。结果表明,材料生产贡献72.7%的碳排放,是最大的碳排放源;水泥、熟石灰、柴油及钢材的累计碳排放达到84.5%,是影响铁路路基工程施工阶段碳排放的关键因素,且研究发现铁路路基工程施工阶段碳排放符合帕累托法则。针对材料生产部分,提出使用可再生材料取代部分原生材料的减碳路径,减碳效果可达到20.1%~26.8%,为铁路路基工程施工阶段碳排放研究提供参考。

盐渍土路基含盐量的演化规律研究

虽然目前针对盐渍土的研究比较多,但基本上都集中在项目勘察设计及建设期,对利用盐渍土填筑的路堤中含盐量随时间变化的规律,国内外研究还比较少。为了探究盐渍土路基填料中含盐量随时间的变化规律,为改建项目中盐渍土路基设计提供理论支撑,本文依托巴基斯坦罗赫里至木尔坦段既有铁路提速改造项目,通过现场调查及大量现场试验,对比分析既有路基填料及两侧原状土中含盐量,总结出盐渍土路基变化规律。结果表明:采用盐渍土填筑的路堤,路基填土中含盐量随着时间推移逐渐降低,逐渐过渡为非盐渍土;对于新建路基采用盐渍土填筑时,采用加宽路基面、放缓路堤坡率等工程措施,同时优先安排施工,静置浸润后,可有效降低路基填料中含盐量,直接采用盐渍土填筑路基既节约工程投资,又能确保路基的安全稳定。

改良红黏土的强度和崩解特性及其微观机理

为探究土体强度特性与崩解特性之间的关系,通过提高土体压实度和具有较好生态效益的高分子生物聚合物瓜尔胶(Guar Gum)掺量两种方法对红黏土进行改良。开展不同压实度与瓜尔胶掺量改良红黏土的直剪试验、崩解试验及扫描电镜试验,研究分析了压实度以及瓜尔胶掺量对红黏土崩解特性及其抗剪强度的影响,并揭示了其微观机理。结果表明:增大压实度与掺入瓜尔胶可以有效提高红黏土的力学性质以及抗崩解性。随着压实度增大,试样黏聚力呈线性增长,内摩擦角有小幅度升高;掺入瓜尔胶对土体的内摩擦角与黏聚力均有较大提升。经过瓜尔胶改良后的红黏土最终崩解率明显降低,当掺量为0.25%时,试样不再发生崩解;增大压实度与掺入瓜尔胶两种方法都能提高土体黏聚力,增大内摩擦角,使土体粒间吸引力变强,从而提升土体的强度与抗崩解性能;与提高土体压实度相比,红黏土中掺入瓜尔胶对提升红黏土的水稳性有更好的效果。

气候变化影响下多年冻土区铁路路基热稳定性分析

全球气候变暖加剧了青藏高原气候暖湿化,威胁着高原铁路路基及下伏多年冻土的热稳定性,但以往研究缺乏综合考虑铁路沿线气候、多年冻土及路基稳定性的系统分析。针对这一研究的不足,基于铁路沿线气象和多年冻土路基地温监测数据,分析铁路沿线多年冻土区气温降水、天然场地年平均地温与天然上限、路基人为上限及路基左右路肩沉降变化,揭示气候暖湿化背景下铁路多年冻土路基热稳定性变化,为多年冻土区铁路建设和维护提供参考。结果表明:近20年来,铁路沿线年均气温和年均降水量的平均值分别增加了1.2℃和80mm;相较于2007年,2020年铁路沿线天然场地多年冻土年均地温平均升高0.1℃,多年冻土天然上限平均下降0.58 m,路基人为上限平均抬升2.34 m,路基左路肩平均沉降大于右路肩,存在阴阳坡效应。整体而言,铁路多年冻土路基状态稳定,运行状态良好,建设运营期间采取的一系列工程措施有效,但面向未来气候加剧变化趋势,应提前谋划多年冻土保护新技术。

基于压电效应的高速铁路路基压电俘能方法研究

为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题,将压电技术应用于铁路工程中,而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰,缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求,导致路基内的振动能以热量的形式消散。针对这一问题,首先,基于压电效应理论,结合高速铁路路基动力响应特点设计出压电俘能装置HRS-PEH(High-speed Railway Piezoelectric Energy Harvester),建立高速铁路路基压电俘能新方法;其次,通过室内列车荷载模拟试验,探究动载振幅、频率和外接电阻等关键参数对HRS-PEH发电量的影响;最后开展现场行车试验,进一步验证HRS-PEH装置的适用性。研究结果表明:1) HRS-PEH的开路电压随动载振幅的增大而增大,且与频率无明显关系,而负载电压随动载频率和振幅的增加,均呈现线性增大的趋势。故可在工程应用中将HRS-PEH布置在基床表层顶面、钢轨正下方,即可获得最大发电量。2) HRS-PEH的输出功率整体上随外接电阻的增加,呈现出先增大后减小趋势,故存在最优外接电阻使得HRS-PEH发电量最大。3)行车试验发现,若将HRS-PEH布置于高铁路基基床表层,当CRH5型高速列车仅以55 km/h低速运行时,HRS-PEH就可收获0.71 J电能,可以满足路基健康监控设备的正常工作需求。研究成果可高效利用列车振动能量转换为无污染电能,推动铁路“双碳”战略目标的实现。

基于惯导数据的铁路有砟轨道智能捣固技术

研究目的:随着铁路建设的不断发展,中国的有砟铁路速度也在不断提高,目前200 km/h及以上的有砟铁路在铁路建设中已经占据了相当大的比例,而相对应的2010年发布的《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》(TB 10754—2010)中,针对高速有砟铁路的特点,增加了轨道精调整理作业这一工序,后续2018年发布的新版沿用了这道工序。目前由于各施工单位对技术规范的条文理解不同,各单位在轨道精调整理作业时做法不一,效果也相差较大。基于惯导数据的铁路有砟轨道智能捣固技术,目的是以CPⅢ轨道控制网为依托,利用惯导小车测量系统进行测量和数据分析,为大型机养设备精调作业提供及时有效的数据支持。通过对08-32捣固车GVA控制系统升级改造,可批量导入轨道测量数据,避免了人工录入数据时的差错和误操作,提高了精调作业质量和效率。通过上述先进技术应用,总结出一整套适合高速铁路有砟轨道精调工艺方法,使新建有砟轨道能够快速达到高平顺性、高稳定性状态,达到保证施工质量、减少现场精调作业遍数及对扣件的扰动、提高施工效率、确保施工安全的目的。研究结论:(1)基于惯导小车测量系统和自主升级改造的08-32捣固车开发的有砟轨道精调整理成套技术,轨道精调精度高、工艺先进、安全可靠、工效显著;(2)应用惯导小车测量系统对有砟轨道精调施工进行测量和数据分析,测量效率及精度高,可为大型机养设备精调作业提供及时有效的数据支持;(3)GVA控制系统升级改造后的08-32捣固车,提升了自动化程度,提高了作业效率,拓展了适应范围,作业精度高;(4)该项技术可广泛应用于时速200 km及以上铁路有砟轨道精调作业,实现有砟轨道几何尺寸快速达标。

考虑土拱效应的微型桩组合结构合理桩间距研究

目前,微型抗滑桩及微型桩组合抗滑结构的桩间距一般由工程经验确定,极大地影响了其抗滑性能。针对这一问题,将桩间土拱拱轴线视为抛物线,分别以拱顶或拱脚处土体达到极限状态为控制条件给出最大桩间距计算公式,并与模型试验结果对比分析,验证了其合理性。在此基础上,考虑桩间土拱与桩群间土拱的相互作用,建立了微型桩组合抗滑结构合理桩间距简化计算模型,将简化工程实例计算结果与数值模拟结果对比分析,验证了该计算模型的合理性。本文建立的桩间距计算模型可以为微型桩群桩位的布置提供理论依据。

高速铁路箱式路基加腋对结构静力特性的影响

为研究高速铁路箱式路基加腋方式对结构静力特性的影响,找到更加合理的箱式路基加腋方式。将箱式路基拆为独立构件,通过静力分析计算出各独立构件的配筋方式。使用ABAQUS软件进行数值模拟,针对箱式路基结构顶板和竖板连接节点处的应力集中现象,采用控制变量法,分别研究三角形腋不同的加腋高度和加腋角度对节点处应力集中的影响,提出最优加腋方式,优化箱式路基结构的静力特性。分析结果表明:固定腋高度为400 mm,当腋角度在15°~60°之间时,随着腋角度增大,应力突变量降低比S_(r)值不断减小;当腋角度在60°~75°之间时,随着腋角度增大,S_(r)值不断增大;最优腋角度在45°~60°之间。当腋角度固定为60°时,随着加腋长度增大,S_(r)值整体呈减小趋势,最优腋长度在300~400 mm之间。箱式路基配筋方式和最优加腋方式的确定,具有一定创新性,为我国高速铁路箱式路基结构优化研究提供了宝贵的技术经验。

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20~40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明:车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。

京九铁路深大抗滑桩建造关键技术

以京九铁路K2038+700—K2038+800古滑坡为例,设计采用深大抗滑桩和地下疏干排水系统(集水井+环形新型排水管+集水管)的综合整治措施,为解决建造过程中可能出现的涌水突泥、护壁开裂等病害,施工时采用小导管超前注浆、滑动带护壁加强、井点降水等关键建造技术,结合建造过程中的监控量测关键技术,安全高效地完成了深大抗滑桩的建造,为铁路施工中存在类似深大抗滑桩的建造提供了可借鉴的工程经验。

h型桩板墙在高速铁路陡坡路基中的应用

以杭黄高速铁路某陡坡路基工点为背景,受地形和周边环境影响,支挡结构悬臂段>13 m,故提出一种h型桩板墙的支挡设计方案,并选择代表性断面开展现场试验研究,测试结构所受土压力、钢筋应力、水平位移,研究结构内力分布规律。研究表明:(1)根据主桩实测土压力分布曲线,横梁上部土压力明显大于下部,说明横梁上设置承载板有显著的卸荷作用;(2)结构各测试部位钢筋应力均远小于设计强度;(3)根据实测钢筋应力反算锚固面位置,当锚固段地层为基岩强风化时,主桩锚固面位置宜在桩前覆盖层2~3 m;(4)各测试断面测试期间主桩桩顶水平位移为2~6 mm,表明结构具有较强的横向刚度。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。

基于动应力响应的路基振动碾压性能仿真分析

为探究路基振动压实的动力响应特性,开展路基振动碾压的仿真分析,研究碾压过程中路基的竖向动应力响应分布规律,分析动应力沿路基深度及宽度方向的衰减效应,并探索压路机振动频率、名义振幅和碾压速度对路基内动应力分布的影响。结果表明:振动碾压下,路基内的竖向动应力近似呈长轴沿竖向的椭球状分布,振动能量主要沿深度方向传递,路基动应力随深度增加呈典型的指数函数规律衰减;振动频率28 Hz时产生共振现象,路基中竖向动应力达到最大值,说明此时土体吸收了更多的振动压实功,进而可达到更好的压实效果;随深度增加,路基中竖向动应力随名义振幅增加的增长速率逐渐减小,而其随碾压速度增大的衰减速率则有所增大。

大风区高速铁路路基双侧挡风墙周围沙粒沉积数值模拟研究

兰新高速铁路横穿多个大风区,对其安全运营造成严重影响。为降低强风对线路的危害,在大风区修筑大量防风构筑物,其中以路基挡风墙最为常见,挡风墙降低了风害的影响,但是带来严重的线路积沙问题。通过数值模拟研究不同风速下路基双侧挡风墙周围的流场特征,利用风产生的壁面剪切应力与沙粒剪切应力的比值确定地表沙粒沉积与侵蚀类型。研究发现,气流在两道挡风墙之间分别形成一个顺时针涡流和一个逆时针涡流,在第二道挡风墙背风侧形成一个顺时针大涡,随着来流风速增大,漩涡尺寸和涡流强度均在增大;由于涡流的存在,部分沙粒被卷走,路堤背风坡附近以及路基面上的沙粒沉积显著减少,当来流风速为24、30 m/s时,南北侧线路道床面均出现沙粒反向侵蚀;单双侧挡风墙的积沙规律对比结果表明,设置双侧挡风墙时,线路积沙显著减少。研究揭示了大风区铁路双侧挡风墙周围路基面上的沙粒沉积规律,对未来风区铁路的防护建设具有指导意义。

道砟嵌入路基土三轴试验及离散元模拟研究

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特征。研究结果表明:在动荷载作用下,道砟与路基土之间仅通过接触面上有限数量的离散接触传递应力,随动应力幅值增加,道砟嵌入深度也不断增加,嵌入深度与动应力呈指数函数变化。道砟嵌入路基土变形过程分为局部挤压阶段、剪切带形成阶段及剪切带发展阶段,道砟嵌入会使得道砟−路基土接触界面的土样孔隙率显著增加,同时也会使得接触界面发生显著的侧向变形。孔隙率较高的饱和试样在较低的动应力作用下会发生翻浆冒泥现象,道砟嵌入导致的路基面孔隙率升高是既有路线发生翻浆冒泥的重要原因,防治翻浆冒泥需重点防止道砟嵌入导致的土样局部孔隙率升高。该研究成果可加深对道砟嵌入现象以及由此引发的路基表层变形行为的认识。