高速铁路无砟轨道路基长期动力稳定性及基于极限状态法的设计方法研究

The proposal is focused on the existing engineering problems of long-term dynamic stability and deformation of ballastless track subgrade of high-speed railways. Multi-scale experiments will be conducted on long-term dynamic behavior of subgrade fillings under the coupling between train loads and environmental loads, thus the micro- behavior mechanism and macro-development law could be acquired. Then establish the analysis theories and calculation methods of long-term dynamic strength, stiffness attenuation law and accumulative settlement. The full-scale physical model tests are conducted in order to reflect the real behavior of interaction of different subgrade layers and the develop law of subgrade stiffness and deformation. With the combination analysis of track-subgrade coupling dynamic model, optimization design methods of subgrade will be proposed. Finally, set up the limit state equations of long-term dynamic strength and accumulative deformation with the theories of probability parameters and mathematical statistics. The reliability indexes and partial factors of each limit states of high-speed railway subgrade could be obtained through reliability theory. This program will provide scientific basis for making better understanding of subgrade theories and design methods based on the limit state design philosophy. Meanwhile, the scientific achievements will also lay reliable scientific guidance on the ballastless track subgrade design and construction and future assessment and maintenance, which presents great theoretical value and practical significance for high-speed railways.

本项目以高速铁路无砟轨道路基的长期动力稳定性和变形问题为工程背景，对路基各个结构层填料在列车动载和环境荷载耦合作用下的长期动力行为展开多尺度的试验研究，获得其在不同荷载条件和环境状态下的细观行为机理和宏观发展规律；建立路基长期动强度、刚度衰减规律以及累积沉降的分析理论和计算方法；通过足尺的物理模型试验研究路基各结构层协同作用机理和路基变形、刚度变化规律，结合轨道-路基耦合动力模型，对路基刚度和强度进行优化设计。最后，通过参数概率和数理统计分析，建立路基长期动强度以及累积沉降的极限状态方程，基于可靠度理论，得到路基结构各极限状态全生命周期内的可靠度指标和分项系数。本项目研究将为我国目前急需的基于极限状态的高速铁路路基理论和设计方法提供科学依据，为我国高速铁路无砟轨道路基的设计、建设以及后期路基状态的评估和维护提供可靠的科学指导，具有重大理论价值和实践意义。

高速铁路无砟轨道路基服役寿命长达百年。探明长期列车循环荷载及干湿循环作用下路基动力稳定性和变形规律，是提出基于极限状态法的无砟轨道路基设计方法的基础。通过多尺度试验和理论分析，取得4方面成果。. （1）研发了路基土大直径渗透柱，试验发现路基土三孔隙群微观结构特征，获得了路基土土水特征曲线、非饱和渗透系数与压实度、细颗粒含量关系；揭示了强降雨路基“水囊”形成机理，并提出了控制方法。. （2）建立了车辆-轨道-路基动力相互作用模型，研发了世界最先进的高速交通轨道路基足尺物理模型试验系统、土工格栅应力光纤测试技术，揭示了动应力传递机理：①天然地基上路基动应力沿深度衰减符合布氏解，②路基被水浸泡后动应力增大近1倍，③桩网结构路基土拱范围内动应力明显集中；提出了路基动应力计算模型。. （3）研制了适用于路基粗颗粒土的低围压双室动三轴实验系统，探明了粗颗粒土剪胀以及竖向累积应变发展机理，建立了路基土累积应变分析模型和桩网结构路基桩顶累积沉降计算模型，提出了桩的累积沉降控制方法。. （4）获得了考虑不平顺性动应力变异系数规律，明确了路基工程材料性能及参数取值要求；提出了路基极限状态法计算方法和参数取值。开展了梅汕等7条不同等级铁路中的27个工点60个计算断面路基试设计研究；编制了中国铁路总公司企业标准《铁路路基极限状态法设计暂行规范》中的材料性能及参数、地基处理、路基支挡结构等章节。. 该成果在路基水囊形成机理、桩网结构路基动应力传递规律、深厚软基条件下低矮路基沉降控制方面突破了现有对高铁路基的认识。发表学术论文50篇，其中SCI论文16篇、EI论文21篇；授权和公示国家发明专利8项；建立典型岩土参数变异系数数据库1套。应邀在国内外学术会议上做特邀报告14次。发表的论文获得了6th ISEV 2013最佳论文奖。入选国家级人才计划3人次。本项目研究为我国高速铁路无砟轨道路基的设计、建设以及后期路基状态的评估和维护提供可靠的科学指导，具有重大理论价值和实践意义。

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