[发明专利]一种冰层振陷预测模型的建立方法

说明书

技术领域：本发明建立列车荷载长期动力作用下冰层的振陷预测模型，是岩土工程领域的一个重要部分。

背景技术：

振（震）陷是由动力荷载作用引起土层的残余变形，作为动力地基震害之一，上世纪六十年代开始，国内外学者主要以饱和黏土、淤泥等软弱土壤为对象进行了相关研究。由于冰相的存在，冻土在恒载下通常具有流动性，长期动荷载作用下冻土的流变性问题将更为突出。目前，关于冻土动力流变问题的研究工作很少，而针对冻土场地路基列车行驶动力稳定性的研究成果更未见文献报道。然而，列车往返行驶的动载对冻土场地路基变形的影响已有事例，如青藏铁路134km高温高含冰量路段含有大量含土冰层，列车行驶通车不到两个月便出现部分冻土区段路基下沉与开裂现象，从而引起铁路部门高度重视；1962年，牙林线潮乌段8 km处曾发生5小时内路基下沉1.4m造成机车掉道的事故；牙林线K197处，也发生过一次下沉1.5 m，迫使旅客列车停车4小时的事故。鉴于此，本发明直接针对中国青藏铁路列车往返行驶的振动对冻土路基下含土冰层产生的疲劳破坏效应，考虑冰层动力残余变形受负温、振幅、频率、振动持时等多种因素影响，基于低温动三轴试验，建立一种轨道交通动力长期作用下冰的振陷预测模型。此项研究对于合理预测长期动力荷载作用下由冰残余变形而产生的沉降量具有重要意义，且为冻土动力学研究积累基础试验成果。

 

发明内容：

根据室内动力试验所得到的冰柱体残余应变与荷载作用次数N的关系来计算永久变形的室内实验法，具有直观可靠、计算简单等突出优点，可用于列车等周期性荷载长期作用下的青藏铁路冻土路基下含土冰层处的振陷预测。

本发明采用室内实验法建立冰的振陷预测模型。试验时快速取冰样安装至低温三轴试验机，放进三轴低温压力腔中等压固结10 min，进行试验。轴向动荷载为压-压型正弦波，由最大应力、最小应力及频率决定。为了更好地模拟交通荷载对应变速率的影响，将最大应力作为变量，取冰的动力学参数试验的某一级荷载为加荷标准，只加一级等幅值循环振动荷载直到终止标准为止，研究长期动力荷载作用下冰的变形特性与振陷预测模型。试验控制条件见表1，共11个土样，取围压                                                =0.3MPa，考虑三种不同负温-0.5 ?C、-1.0 ?C、-1.5 ?C、三种不同频率1 Hz、2 Hz、3 Hz、三种不同动应力幅值0.166 MPa、0.333 MPa、0.499 MPa下的变形特性实验。取10 %的轴向动应变与最大循环振次N=20000为试验的终止标准。

表1 冰振陷实验控制条件与拟合参数（=0.3MPa）

注：为轴向循环动应力幅值，=(-)/2

在长期动力荷载作用下冰的动力残余应变的定义

动残余应变是动应力作用停止后冰试件残留的应变值，而在研究振陷问题的动三轴试验中则为动应力作用前后试样的高度差与动应力作用前试样初始高度之比。通常取轴向循环动应力幅时的应变为残余应变，即K点应变为定义的动残余应变（见图1）。

冰的变形关系复杂，且受负温、频率、动应力幅值等多种因素影响，试验数据用MATLAB7.0分析得到动残余应变与振次关系曲线如图2~4所示。从图中总体上可以看出冰的动残余应变随振次的增加而增加，残余应变值开始增长快，高振次水平的动残余应变增长速率（曲线点的切线斜率）明显小于低振次水平的动残余应变速率等规律性认识，分析可以认为等压固结后刚开始加载时动荷载对试件有一个初始压密过程。

基于室内试验，获得不同循环动应力作用振次N作用下冰柱体的轴向残余应变，用MATLAB7.0进行回归分析建立冰在长期振动荷载作用下的振陷预测模型：

                         (1)

式中：为轴向残余应变，为循环动应力作用振次，b、c为与负温、动应力幅、围压及振次有关的振陷参数。由冻土蠕变理论知，式(1)中第1项表示第二阶段（粘塑流）蠕变，第2项表示第一阶段蠕变，即衰减蠕变。于是，参数b、c也有明确的物理意义。参数b为第二蠕变阶段平均蠕变率，它代表冻土在一定外荷载作用下所产生的最小蠕变率的极限值；参数c为蠕变衰减系数。

在各种试验条件下所得的振陷曲线与拟合曲线见图2，从图中可以看出实验曲线与拟合曲线吻合良好，拟合精度高。拟合参数见表1，长期动力荷载作用下冰的变形特性与影响因素详细分析如下。

负温