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中国寒区高速铁路路基动态响应研究。通过动态三轴试验系统分析冻融循环与高速列车动载荷的耦合作用效应，揭示多层土工格栅对抑制冻融损伤和降低动模量频率敏感性的协同优化机制。
Jin Zhang|Jihao Yu|Chen Liu|Jiale Yang|Zihan Ma|Junwei Liu|Yingying Zhao
青岛理工大学土木工程学院，中国青岛，266520
摘要
中国高速铁路网络的快速扩展进入了季节性冻土区域，这带来了重大的工程挑战，尤其是在反复冻融循环导致土壤体积显著变化的地区。这些过程导致路基变形不均匀，从而对运营安全构成严重威胁。通过动态三轴试验，系统研究了在高速列车振动荷载和冻融循环共同作用下加筋粉质粘土的动态响应特性。揭示了多种因素（包括荷载频率、冻融循环次数和土工格栅层数）对土壤动态行为的相互作用机制，特别强调了土工格栅加固在抑制冻融损伤和降低频率敏感性方面的双重改善效果。使用半正弦波进行应力控制循环荷载以模拟列车荷载，并系统分析了不同条件下的动态剪切应力-应变关系、动态剪切模量和阻尼比的变化。结果表明，增加土工格栅的频率和层数显著提高了土壤的动态性能；而冻融循环会降低土壤强度，其中第一次冻融循环后的退化最为明显。此外，土工格栅加固不仅减轻了冻融作用引起的动态剪切模量损失，还降低了土壤动态响应对频率变化的敏感性。本研究为寒冷地区高速铁路路基的长期性能设计和优化提供了重要的理论支持和实验证据。
引言
季节性永久冻土区域分布在中国东北部、华北地区和青藏高原。根据现有调查数据，中国大约76.3%的土地面积被永久冻土和季节性冻土覆盖。在这些地区，冻融循环导致土壤周期性膨胀和收缩，严重影响基础的承载能力和稳定性。这一现象对铁路路基的长期性能构成了重大挑战。中国东北部拥有广泛的季节性冻土区域。在国家经济发展背景下，寒冷地区项目的战略重要性日益凸显。“八纵八横”高速铁路网络向寒冷地区的扩展，在季节性冻土地区的铁路建设中引发了一系列工程挑战，包括冻胀、融沉、变形、砂液化等相关的岩土工程问题，这些问题可能严重影响铁路系统的安全性和运行可靠性。土壤改良在岩土工程中起着关键作用。虽然传统的改良方法（如石灰和水泥处理）被广泛应用，但它们通常伴随着高碳排放和脆性破坏行为。近年来，生物聚合物和合成聚合物等环保材料因其低环境影响和可调的流变特性而受到广泛关注。例如，研究表明，含有羧甲基纤维素（CMC）的丙烯酸聚合物乳液可以将高岭土的无约束抗压强度提高248%，同时增强其延展性；天然生物聚合物如波斯胶通过填充孔隙和增强颗粒间键合显示出稳定潜力。然而，聚合物改良土壤在循环荷载下的长期性能及其与几何加固的协同效应仍需进一步研究。相比之下，土工合成材料（如土工格室）通过提供三维约束，有效提高了砂土的静态和动态性能，为永久冻土地区的路基稳定提供了理想的解决方案。Ghasemzadeh等人最近的大规模三轴试验表明，与未加固土壤相比，土工格室加固的砂土在循环荷载下的累积应变减少了34%，最佳加固深度为试样高度的0.05倍（0.05H）。这些改进归因于侧向约束、应力重分布和剪切模量增加等机制，这些机制在交通引起的循环荷载下特别有益。值得注意的是，Cui等人通过离散元模拟阐明了颗粒材料在交通荷载下的宏观-微观动态特性，强调了从微观结构演变角度解释材料退化和增强机制的重要性。迄今为止，关于冻融循环后加筋土壤变形的研究仍然有限，表明该领域仍处于发展初期。Wang等人对冻融循环后抗填加固挡土墙的荷载破坏试验进行了研究，结果表明挡土墙中心区域的破坏模式主要是沉降变形。Yang等人通过三轴试验研究了冻融条件下土工合成材料加固膨胀土的应力和变形行为，发现冻融循环导致轴向位移增加。Sun对冻融循环后的橡胶纤维膨胀土进行了动态三轴试验，结果表明，在动态应变幅度保持不变的情况下，橡胶纤维加固膨胀土的动态应力幅度和动态弹性模量最初减小，随后随着冻融循环次数的增加而增大。Chen等人对不同冻融循环下粉煤灰和聚丙烯纤维加固黄土进行了动态三轴试验，研究了动态剪切模量和阻尼比的变化，结果表明冻融循环显著影响动态剪切模量和阻尼比，而聚丙烯纤维对动态行为的影响可以忽略不计。Elif研究了冻融循环下纤维加固粉质粘土的动态行为。LI等人通过冻融循环试验和直接拉伸试验分析了影响纤维加固土壤抗拉强度特性的关键因素。Zhang等人开发了一个全尺寸环境模拟平台，研究了BT-SAP改良路基在六个环境循环下的性能演变，结果表明BT-SAP有效抑制了水分迁移，将表面压实损失限制在6.25%，同时保持了50 MPa以上的变形模量。Cui通过微观结构观察阐明了冻融循环期间冰晶生长和颗粒间键合减弱相关的退化机制，为材料设计提供了理论指导。Hao等人进行了动态三轴试验，发现重载路基条件下粉质粘土的弹性模量退化可分为三个阶段：快速衰减（1-3循环）、缓慢衰减（3-5循环）和衰减停滞（5-7循环）。Bao证明聚合物纤维加固有效抑制了冻融条件下的微裂纹扩展，并增强了土壤的能量耗散。Li基于3533组实验数据建立了机器学习预测模型，确定水分含量、冻融循环和干密度是影响弹性模量的关键因素。从上述研究中可以看出，现有研究主要集中在单一因素（冻融循环或动态荷载）下的纤维加固土壤，对于冻融循环和列车引起的循环荷载共同作用下的加筋土壤动态行为的研究有限。为了填补这一空白，本研究系统研究了冻融条件和类似列车动态荷载共同作用下土工格栅加固粉质粘土的动态响应。实验参数（1 Hz的半正弦波荷载和特定动态应力幅度）经过精心选择，以模拟真实的列车荷载特性，而不是使用通用的循环荷载。本研究探讨了频率、冻融循环和加固层如何影响关键动态参数（动态剪切应力、模量和阻尼比），旨在阐明此类土壤在耦合作用下的损伤机制，并为寒冷地区高速铁路路基的优化提供理论支持。
实验材料
本实验使用的仪器是Dynamic British GDS三轴试验机，如图1所示。实验中使用的土壤样品是实验室制备的粉质粘土，旨在模拟哈尔滨地区铁路沿线广泛分布的路基土壤。该粉质粘土的目标性能包括最佳含水量17%、液限33%、塑限18%和塑性指数15%。试验土壤按照实验室方法制备。
关于加筋粉质粘土动态响应的研究
进行了动态三轴试验，以研究冻融循环后循环荷载作用下加筋粉质粘土的动态响应。试验使用GDS动态三轴装置进行，土壤样品受到模拟列车振动的受控动态荷载。试验前，样品准备了不同数量的土工格栅加固层（0、1或2层），并经历了不同的冻融循环（0、1、3或7次）。关键动态参数
关于土工格栅加固粉质粘土长期变形特性的实验研究
高速铁路路基的长期沉降是衡量其运营安全性的关键指标。虽然之前的章节系统研究了冻融循环和动态荷载共同作用下加筋粉质粘土动态参数（如动态剪切模量和阻尼比）的演变，但土壤在长期循环荷载下的累积塑性应变行为对于评估路基的长期性能至关重要。
冻融循环的劣化机制
实验结果表明，冻融循环导致粉质粘土的力学性能显著退化，表现为动态剪切应力和刚度模量降低，以及阻尼比增加（图17、图20、图23）。这种退化主要归因于两种机制：微观结构损伤和渐进性削弱。首先，反复的冻结和融化触发孔隙水的相变，导致冰透镜的形成
结论
本研究通过室内动态三轴试验系统研究了高速列车振动荷载下加筋粉质粘土的动态特性。研究了关键因素（包括荷载频率、冻融循环次数和土工格栅层数）对土壤动态响应特性的影响。研究结论如下：
(1)实验结果表明，增加荷载频率和土工格栅加固
作者贡献声明
Jin Zhang：监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。Jihao Yu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化。Chen Liu：软件开发、实验研究。Jiale Yang：撰写 – 审稿与编辑、监督。Zihan Ma：撰写 – 审稿与编辑、监督。Junwei Liu：监督、资源管理。Yingying Zhao：监督、资源管理。
利益冲突声明
作者Jin Zhang、Jihao Yu、Chen Liu、Jiale Yang、Zihan Ma、Junwei Liu和Yingying Zhao声明没有利益冲突。
