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以科学技术夯实高铁路基:黄土振动促渗效应研究

已有 752 次阅读 2021-5-19 16:03 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

中国的高速铁路和重载铁路无论在建设里程、建设速度和运营安全方面, 都举世瞩目。然而在大面积湿陷性黄土地区修建高速铁路, 是一个世界性难题。黄土地区由于黄土结构的疏松性, 因机车振动、气候变化及人工开挖卸载等多致灾因素耦合作用时常会发生一些新型的地质灾害:即上有隧道变形塌方, 下有湿陷、振陷沉降, 左有滑坡变形侧挤, 右有河流冲刷滑塌牵引。
其中, 机车振动与降雨联合作用诱发斜坡变形滑移和路基沉陷最为典型。无论是滑坡侧挤铁轨而改变轨间距还是铁轨下沉, 对于铁路毫米级变形控制标准而言, 其后果都是火车脱轨, 灾难环生, 极大地阻碍了铁路事业的快速发展。
西北大学王家鼎教授及其团队先后参与黄土区四条高铁的修建, 包括郑西高铁(图1)、大西高铁、宝兰高铁及郑太高铁, 就像打夯的劳动者一样, 进行黄土灾害研究, 用科学技术夯实黄土地区高铁路基。


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图1 郑西高铁


为什么长持时小振幅”的列车振动引起的小变形会诱发高风险的滑坡?
这类地质灾害具有小变形、高风险”的特征, 其关键科学问题是机车振动、降雨和干湿循环联合作用引起的黄土促裂、促渗、促崩(解)、促滑和促沉效应(简称五促效应”, 图1)。
由于黄土(特别是马兰黄土Q3)结构疏松、具大孔隙性、力学强度差, 具备很强的水敏性和振敏性, 所以机车长持时振动使土体产生松动、开裂, 降雨会沿裂缝入渗, 加速裂缝的纵向延伸与扩展(促裂效应, 图2a);同时长期的机车振动又会加速土体孔隙中水相的入渗与气相的逃逸(促渗效应, 图2b);斜坡表面的土体因水、干湿循环和振动而产生崩解(促崩效应, 图2c);当水的湿化作用达到一定程度, 就会诱发土体发生侧向滑移(促滑效应, 图2d)和竖向振陷湿陷耦合效应(促沉效应, 图2e)。

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图2 五促效应


为研究黄土的振动促渗效应, 自主研制了饱和振动促渗测试系统(图3a)和振动土柱促渗测试系统(图3b), 发现机车振动加快水在黄土中的渗透与提高饱和程度的振动促渗效应, 其中振动作用下饱和渗透系数约为非振动下的1.5~20倍(图4)。

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图3 振动促渗测试系统

(a) 饱和振动促渗测试系统; (b) 振动土柱测试系统


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 图4 振动加速饱和渗透效应

(a) A=0.4mm; (b) A=0.2mm


对振动后的黄土试样开展单轴拉伸试验, 列车振动作用使得土体自身形成的胶结性的联结结构多数己遭破坏, 联结强度降低(图5), 所以振动后土体固有凝聚力、加固凝聚力减小。变形只有在轴向拉伸方向, 无侧向的变形, 随着轴向位移的增大,土体的拉应力也随着增大, 直至破坏, 土体拉应力随着含水率的增大逐渐减小。


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图5 振动后试样单轴拉伸应力-轴向位移曲线

(a) 0Hz; (b) 15Hz; (c) 20Hz; (d) 25Hz (据Wang et al. 2019)



参考文献Wang Jiading, Li Ping, Xu Yuanjun, Gu Qi, Gu Tianfeng. (2019), Changes in tensile strength and microstructure of loess due to vibration, Journal of Asian Earth Sciences, 169(1): 298-307.



研究详情请阅读原文
中文版: 王家鼎, 许元珺, 张登飞, 谷天峰. 2021. 黄土振动促渗效应研究. 中国科学: 地球科学, 51(5): 763-782, doi:10.1360/SSTe-2020-0293 
英文版:Wang J, Xu Y, Zhang D, Gu T. 2021. Vibration-induced acceleration of infiltration in loess. Science China Earth Sciences, 64(4): 611-630, https://doi.org/10.1007/s11430-020-9741-x





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2 杨正瓴 吴斌

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