高速铁路路基是轨道下方直接承载列车循环动荷载的关键土工结构物，由基床表层、基床底层和路堤本体构成。大周次列车循环荷载产生的路基累积沉陷导致轨道变形，影响高速列车运行的安全性和舒适性。如何正确认识累积沉陷的发生机理和发展规律，进而实现有效控制是高速铁路建设中亟待解决的难题。本课题通过细观尺度与宏观尺度相结合来研究路基的累积沉陷问题。建立了基于双平面镜和三视图的颗粒图像采集软硬件平台，建立颗粒的三维模型，利用几何形状参数对不同颗粒形状进行了分类；将颗粒三维模型引入基于多面体的离散元程序进行数值仿真，揭示了颗粒细观尺度行为对宏观力学特性的影响机理；通过单元体试验获得单向循环荷载作用下颗粒料的力学特性，发现粗粒料颗粒的破碎主要发生于制样过程，道砟和底砟间界面效应对于限制永久塑性变形和体积应变具有积极作用；基于全比尺物理模型试验，通过时序加载系统施加高速列车移动荷载，提出了高速铁路路基内部动应力计算的经验公式，实现了板式轨道-路基不同深度和速度条件下路基动应力的计算；分析了水位上升对系统动力稳定性和动力累积变形的影响，发现当路基达到完全饱和时，两者均远远超出了规范的要求，建议在路基设计中应该充分考虑水对路基强度和变形的影响；长期列车循环加载试验结果初步表明将非水反应高聚物注浆技术应用到高速铁路无砟轨道路基沉陷的修复中是可行的，修复后轨道-路基系统的动力稳定性和动力累积变形均满足无砟轨道路基的技术要求；通过在车—轨—路垂向耦合模型中引入典型沉降模式，结合乘客舒适度指标和轮重减载率指标获得了列车不同运行速度下的路基沉降控制标准,为不同路基沉降情况下列车运行速度控制提供了依据。本项目的研究对于我国土质路基上建造安全可靠的高速铁路具有重要意义。 2100433B

铁路路基是轨道下方直接承载列车动荷载的关键土工构筑物，一般由基床表层、基床底层和路堤本体构成。大周次列车循环荷载产生的路基累积沉陷导致轨道变形，影响高速列车运行的安全性和舒适性。如何正确认识累积沉陷的发生机理和发展规律，进而实现有效控制是高速铁路建设中亟待解决的难题。本课题通过细观尺度与宏观尺度相结合来研究路基的累积沉陷问题。建立考虑路基颗粒料真实几何形状和级配特性的细观分析理论和计算方法，基于数值仿真揭示路基颗粒料的运动规律和四种累积沉陷模式的发生机理；通过单元体试验获得单向循环荷载和有主应力轴旋转的交通荷载作用下颗粒料的强度和变形特性；结合细观尺度上揭示的沉陷发展机理和宏观尺度上获得的变形特性，提出路基累积沉陷的判别准则和预测理论；最后，通过模型试验验证所提出的累积沉陷分析理论，提出相应的控制对策。本项目的研究对于我国土质路基上建造安全可靠的高速铁路具有重要意义。

本项目旨在通过含粉粒夹层的层状砂土液化可视化动三轴试验、颗粒流数值模拟和离心模型试验验证，揭示粉粒夹层厚度对层状砂土液化影响的宏细观机理，主要研究内容包括：（1）利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术，获取层状砂土液化过程中界面处砂粒和粉粒的细观组构特征及其演化规律；（2）利用离散单元法中的颗粒流理论，在细观尺度上考虑颗粒离散元与流体动力学耦合，建立饱和层状砂土液化细观数值模型。(3)利用层状砂土颗粒流数值模型，就粉粒夹层厚度对饱和层状砂土液化特性影响的宏细观机理进行系统研究，分析宏细观力学量之间的内在联系，从细观角度入手探讨饱和层状砂土液化的宏细观力学机理，并用离心机试验对模拟结果进行验证。本项目的开展不仅能够为砂土液化研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的认识，而且还能为砂沸、液化后大变形等现场液化现象提供细观力学解释。

鉴于自然界的砂土特别是水力冲填形成的砂土，大都为具有一定分选性的层状结构，本课题利用自动数码摄像实时跟踪技术和数字图象变形量测及处理技术，进行了含粉粒夹层饱和层状砂土地基液化宏细观机理研究，获取了层状砂土液化发生和发展过程中砂粒和粉粒层孔压变化、砂粒和粉粒接触层面变化以及相应各细观参数的变化规律，揭示了相对弱透水粉粒夹层的存在对砂土液化宏细观特征影响的内在规律。研制了可用于研究散粒体细观特征的可视化动三轴试验系统，并利用所研制的可视化动三轴试验系统，从宏细观结合的角度对单调和循环荷载作用下饱和均匀及含粉粒夹层层状砂土液化的宏观特性、颗粒运动规律及细观特征进行了研究，得到了土体中粉粒层存在对砂土液化宏细观特性影响的基本规律。在此基础上，引入散粒介质的颗粒流理论及PFC分析方法，开发了非圆颗粒和基于散体介质理论的流体-离散颗粒耦合动力分析方法，建立了饱和均匀及层状砂土液化流固耦合细观数值模型，从离散颗粒和孔隙流体二者之间的相互作用出发，探讨不同厚度粉粒夹层的出现对层状砂土液化及液化后变形宏细观机制影响的规律及细观力学机理,揭示了含粉粒夹层层状砂土与均匀砂层液化过程中宏细观特征差异的内在原因。通过自主改装的可视化动力离心模型试验系统，直观的观察了层状砂土液化过程中砂层与粉粒层界面变化和颗粒细观结构变化，验证了颗粒流数值仿真模拟结果的可靠性。并通过与均匀砂土液化的比较，分析了不同厚度粉粒夹层对层状砂土地基液化特征的影响机制，获得了层状砂土液化过程中砂土颗粒细观组构变化与液化宏观特性的内在联系，揭示了含粉粒夹层的饱和砂土液化与均匀砂土液化宏细观机理的不同规律及内在机理。本项目的研究成果不仅能够为层状砂土液化特征研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的新认识，而且还能为今后实际工程中的液化防治及抗震减灾提供参考。 2100433B

黄土地区地质灾害频发，降雨、灌溉、生活污水和地下水变化严重恶化了黄土地质环境，孕育和诱发了大量的地质灾害。因此系统检测和查明不同地质环境中黄土的含水状况，从宏细观深入探讨含水状态诱发地质灾害的内在关系具有重要的科学意义和研究价值。本项目基于大量的现场和室内试验研究，运用工程地质、岩土力学与电子信息技术、电磁场理论等交叉学科的手段和方法，深入进行了基于探地雷达的土含水状态宏细观模型的理论与应用研究。针对黄土典型的地质灾害，应用快速无损的探地雷达技术检测含水率，从试验研究、理论分析及数值模拟等方面，研究了多因素影响的黄土介电常数与含水量宏观模型。考虑黄土的水敏感性，基于有效分子电场理论和介质极化理论，建立了黏性土的混合介电常数模型，分析了界限体积含水率、孔隙率、饱和度对黏性土混合介电常数的影响规律，从细观上深入研究黄土含水状态对工程特性的影响。建立了土体的宏细观含水状态与介电常数模型，验证了模型的适用性。建立了宏细观含水状态与结合水膜厚度的关系，确定了介电常数与黄土工程状态划分体系和评价指标。采用时域有限差分法和人工智能技术，建立了复杂含水状态非均质黄土地电模型，进行了典型地质灾害正演模拟和试验验证，分析了铁路路基病害、铁路隧道病害、高铁无碴轨道病害等不同地质灾害检测的探地雷达图像特征；研究了含水率的雷达信号特征提取，揭示了雷达图像和黄土含水状态间关系，提高了图像解释精度，完善了地质灾害图像数据库；针对探地雷达测定黄土洞穴时出现的绕射干扰现象，对正演模拟数据格式文件进行了二次开发，结果表明提高了圆形洞穴和矩形洞穴的图像解释精度。进行了层位自动追踪算法及其在铁路隧道探地雷达检测中的应用研究，并结合实际隧道工程，对自动追踪算法在隧道衬砌病害中的应用进行验证，并得到了很好的效果。研究成果具有创新性和应用前景，可为西部地质灾害区划和防治提供重要依据。 2100433B