专利名称：一种冰层振陷预测模型的建立方法
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I. 4m造成机车掉道的事故；牙林线K197处，也发生过一次下沉I. 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#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^J3=O. 3MPa，考虑三种不同负温-O. 5 C、-I. O
C、-1.5 C、三种不同频率I Hz、2 Hz,3 Hz、三种不同动应力幅值O. 166 MPa,O. 333 MPa、
O.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I冰振陷实验控制条件与拟合参数=0. 3MPa)
权利要求
1.一种冰层振陷预测模型的建立方法，其特征在于 第一步，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； 共11个土样,取围压。=0. 3MPa,考虑三种不同负温-O. 5 C、-1.0 C、-I. 5 C、三种不同频率I Hz、2 Hz,3 Hz、三种不同动应力幅值O. 166 MPa,O. 333 MPa、O. 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；第二步，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5"#,用MATLAB7. O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I efi ^hN+ CNi⑴ 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(I)中第I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，参数仏c也有明确的物理意义； 参数6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； 第三步，根据实验结果获得在相同的振动频率、围压、动应力幅值条件下，不同温度的振陷曲线，不同温度的振陷预测模型参数;以及在相同的振动频率、围压和负温条件下，不同动应力幅条件下的振陷曲线，不同应力比条件下的振陷预测模型参数k c ;以及在相同的动应力幅值、围压和负温条件下，不同频率的振陷曲线，不同频率条件下的振陷预测模型参数/7、C ； 第四步，对以上试验成果，采用多元回归分析方法，可以获得参数K C与各影响因素之间关系如式(2)、式(3)所示； h = w^%7.5729xicr ⑵ C=W^mmm⑶ 式中f||分别为冰的粘塑流蠕变率6的负温、应力比、频率修正系数，由下式计算Tf $T = -OAmBT2-03658Γ+1.1013 TJti =0.01560 鳩辑 =Cl3222/，2J656/+40407 %、分别为冰的蠕变衰减系数c的负温、应力比、频率修正系数，由下式计算 fr = 0.04704 -Γ2 + 0.2033Γ +1J 61 €Tjfi = -12.0247 ξ2+ΜΛ 737/ - L4879 。= CU 628/2 - O 4644/ +1.290
2.根据权利要求I所述的模型建立方法，其特征在于低温三轴试验机为美国MTS公司生产的MTS-810型振动三轴材料试验机，配有自动数控与数据采集系统，围压范围(T20MPa，负温范围为常温 -30°C，频率范围为(Γ50Ηζ，最大轴向负荷为250kN，最大轴向位移为50mm。
3.根据权利要求1-2所述的模型建立方法，其特征在于所采用冰样为分别依据土工试验方法标准(GB/T50123-1999)、地基动力特性测试规范(GB/T 50269-1997)制备人工冻结法冰试件。
4.根据权利要求1-3所述的模型建立方法，其特征在于采用标准方法批量制备所述冰样，选用的冰样为粒径<2 mm的人造各向同性多晶冰制作圆柱状冰样，直径61. 8 mm，长度125 mm，平均密度为O. 87 g. cm_3。
5.根据权利要求1-4所述的模型建立方法，其特征在于所述冰样用橡皮膜封闭放入恒温箱，在给定的试验温度下恒温48 h以上，温度误差为±0. 1°C。
全文摘要
一种冰层振陷预测模型的建立方法。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。
文档编号G01N3/32GK102866071SQ20121040684
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者朱占元, 凌贤长, 王立娜, 陈士军, 李琼林, 张锋, 邹祖银, 郭子红 申请人:朱占元