采空区场地高速铁路路基动力加载系统研发与模型试验

作     者：任连伟 李梁 王自强 邹友峰 顿志林 王树仁 

作者机构：煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心 河南理工大学土木工程学院 河南理工大学测绘与国土信息工程学院 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金联合基金重点项目(U1810203 U23A20600) 

主　　题：采空区场地 高速铁路 动力加载系统 活化机理 

摘      要：随着高速铁路网的快速推进，一些关键线路不可避免地穿越采空区场地，对高速铁路的建设和安全运维提出了更高的要求，研发相关试验系统是研究此类科学问题的重要手段。本文针对国内外缺乏相关试验系统的问题，研发了一套采空区场地高速铁路路基动力加载模型试验系统。建立了几何相似比为1:100的二维采空区场地高速铁路路基模型，利用三级傅里叶级数拟合得到相似常数为100时、时速360km/h对应的40Hz高速铁路M波。同时实现了误差10%以内高铁荷载M波输出，验证了采空区场地高速铁路路基模型动力加载试验的可行性，并进行了100万次不间断的高速铁路M波循环加载。依据模型试验结果，阐述了主关键层下三角形离层空间的成因，讨论了不同加载阶段动荷载在采空区覆岩中的传递路径，分析了垮落断裂带与弯曲变形带在动荷载作用下的相互作用，揭示了高铁荷载下采空区地基活化机理。研究表明，覆岩活化空间具有从移动边界到垮落覆岩中心逐渐减少的分布规律，其中覆岩横向离层则具有从顶板至关键层逐渐增大的分布特征，以此揭示了主关键层下三角形离层空间的成因。因主关键层下三角形离层空间的隔离作用，加载初期动荷载传递需通过覆岩移动边界的拉伸区向下传递至垮落断裂带，并最先影响移动边界的砌体梁结构使其失稳活化。随着动荷载的施加，主关键层下离层空间逐渐闭合，动荷载传递路径逐渐向采空区中心移动，剩余活化沉降量持续向上传递，整体沉降趋于平缓。由于荷载传递路径的变化，垮落断裂带活化具有先快后慢，由停采线向采空区中部发展的特征。垮落断裂带活化进一步影响了主关键层以上覆岩受力形式和模型表面不均匀沉降，使弯曲变形带具有横向、竖向、倾斜三种裂隙形式及沿路基两侧的分布特征。