青海西部冻土路段公路受温升作用和车辆动荷载的影响,灾害频发,为保障寒区公路的安全运营,开展温升和动荷载作用下冻土的动应力-动应变响应规律研究十分必要。以青海S101公路路段冻土路基土为研究对象,利用正交试验设计方法对冻土进行GDS(Global Digital Systems)动三轴试验,得到不同温度、不同荷载工况下影响冻土强度的最不利影响因素组合,探讨了温升和动荷载作用下冻土的动应变、动应力幅值的变化规律。试验结果表明:由同一初始环境负温度进行梯度升温时,同一动应变下,冻土的动应力随梯度升温值的增加而减小,冻土极限破坏动应力随升温梯度值的增加而减小,冻土的动应力-动应变曲线呈抛物线型;-2℃为该路段冻土的高低温界限;对冻土的动应力-动应变关系曲线进行拟合,符合改进的Hardin双曲线模型;冻土的破坏动应力与频率存在线性正相关关系;冻土的动应变受频率的影响明显。该研究结果可为类似地区冻土路段设计、施工及灾害防治提供参考。

为了研究动载对冻土桩基传递函数的影响,制作了室内冻土-混凝土单桩模型,在静载的基础上对模型桩施加不同频率和不同大小的正弦波动荷载,分析冻土桩基的桩土相对位移、桩身轴力以及桩侧冻结应力沿桩体埋深的变化规律,并根据试验结果进行理论推导,得出考虑动荷载作用的冻土桩基传递函数及反映动载影响的动荷载系数。结果表明:桩土相对位移与桩身轴力沿桩体埋深逐渐减小,桩土相对位移沿埋深近似呈1/4正弦波长变化,桩侧冻结应力沿桩体埋深先增大后减小,在桩体埋深1/2处达到最大值;随着动载频率的增大,桩顶位移、桩土相对位移及轴力减小而桩侧冻结应力增大;桩侧冻结应力沿桩体埋深的传递函数可表示为桩土相对位移与动载频率的函数,据此得到动载影响系数沿埋深的变化,其大小随着动载频率及动载占比的增大而增大。

为研究复杂应力路径条件下冻土的力学特性,中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司合作研发了新型冻土力学试验设备——冻土空心圆柱仪(FHCA-300),该设备通过独立施加内围压、外围压、轴向荷载和扭矩来改变3个主应力的大小和方向,从而更为真实地模拟冻土在地震荷载、交通荷载等多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径下的应力-应变行为.详细介绍了该仪器各部分的组成、传感器和动荷载频率的选取过程以及目前可实现的具体试验类型.此外,着重介绍了冻土空心圆柱仪温度控制系统的设计原理,并且对其控温能力进行了验证,结果证明该系统可以达到预期的降温能力和控温要求.最后利用冻土空心圆柱仪进行了主应力轴静态旋转和循环旋转测试试验,验证了仪器实现包括主应力轴旋转在内的复杂应力路径的能力,初步试验结果表明该设备能够准确再现冻土在复杂应力路径条件下的力学行为和变形行为,可为系统开展冻土在复杂应力条件下的强度、变形特性和本构关系等研究提供技术手段.

为研究高温冻土铁路路基内部的动力变化规律,以人工数定激励力法模拟列车荷载,采用ABAQUS有限元软件建立冻土路基模型,对列车作用下的冻土路基进行动力响应模拟。结果表明:在列车振动荷载作用下,冻土路基内部各点的应力和位移均由路基的顶部中心位置向两侧和下部逐渐减小,路基的最大应力和最大变形均发生在其顶部中心处;路基内各个点的竖向振动随着深度增加逐渐衰减。该结果可为高温冻土路基的强度变化研究提供借鉴。

通过室内试验研究获得动荷载作用下人工冻黏土蠕变特性,冻结黏土的动蠕变曲线分为3个阶段:初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和渐进流阶段。依据人工冻土室内动三轴试验结果,基于动力学、连续介质力学和冻土力学原理,建立人工冻土在动荷载作用下的本构模型,即弹-黏弹-黏塑性本构模型。将改进的西原模型成功添加到ADINA软件平台中,利用该模型对人工冻黏土在动荷载作用下的蠕变进行有限元数值仿真,得出的有限元计算结果与试验结果相近。

路基土体的动力学参数是铁路设计的重要依据之一。基于冻土特殊的物理力学性质以及在列车振动荷载作用下铁路路基严重破坏的事实,进行了冻土在不同围压、动应力幅值、温度以及含水量条件下的振动三轴试验,获得了冻土的动力学参数以及动剪切强度与上述条件的关系。试验结果表明:随着围压、动应力幅值的增加和温度的降低,土体的动剪切强度增加。在冻结条件下,随着土样含水量的增加,冻土的动剪切强度增加,这与未冻结土的动强度变化规律完全不同。

采用有限元计算和模拟试验相结合的方法,研究了高温冻土路基在列车动荷载作用下的动力响应。首先,通过数值计算分析了路基的地表变形、内部土压力的变化规律。根据相似理论确定并没计了冻土路基模拟试验装置,通过在路基周围地表及其内部布设压力和变形传感器,并用自行设计的列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行了冻土路基的模拟试验。模拟试验和数值计算的结果分析表明:采用的数值计算模型和模拟试验方法基本可行,研究结果可为青藏铁路的安全运营以及维护提供参考。

高温冻土地区铁路路基,由于列车动荷载对土体产生扰动而影响其稳定性。通过分析影响冻土路基应力、变形及温度场等主要因素,建立冻土路基模拟试验装置;在路基内部及周围地表布设压力和变形传感器,并用自行设计列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行冻土路基动力响应模拟试验。试验获得不同动荷载频率作用下路基周围地表变形以及内部土压力的变化规律。试验结果表明:动荷载频率对地表竖向位移及路基土压力的影响均存在一个临界值,采用适当的列车行驶速度可减小对冻土路基的挠动;路基内部温度场监测结果表明,动荷载可引起土体局部温升,建议采用积极的防护措施以保护路基的冻结状态。研究成果可为维护青藏铁路路基稳定提供参考。

青藏铁路穿越多年冻土区因地温和含冰量的不同而采取了不同的路基结构形式,以减小或避免气温和工程扰动对其下部多年冻土的影响。为了把握多年列车振动荷载作用下多年冻土区不同结构路基的动力响应特征,对青藏铁路北麓河段典型结构路基进行了实时强震动测试,得到了多年冻土区铁路路基的振动加速度衰减规律,对于研究机车动荷载对青藏铁路多年冻土区路基变形的定量影响规律,保障青藏铁路安全运营具有重要的科学意义。