項目名稱

高速鐵路路基加筋土擋墻力學行為與性能保障技術研究

提名獎項

天津市科學技術進步獎

等  級

二等

主要完成單位

中國鐵路設計集團有限公司、石家莊鐵道大學、中鐵十七局集團第六工程有限公司、青島旭域土工材料股份有限公司

主要完成人

吳連海、楊廣慶、張青波、王賀、孫宏偉、鄭鴻、張磊、閆曉峰

提名者

天津市濱海新區科學技術局

項目簡介

高速鐵路長期穩定舒適運行對路基結構的性能演變和服役安全提出了高標準要求。加筋土擋墻作為主要的路基支擋結構，在復雜的自然環境、高速列車荷載和結構自重作用下，基于加筋材料耐久性衰減、筋土界面摩擦性能降低以及結構變形逐步累積會導致其服役性能劣化，甚至引起災變發生。高速鐵路加筋土擋墻需要解決土體介質中高分子塑料筋材蠕變變形及其對結構耐久性的影響，高速列車循環荷載對筋土界面摩擦特性、墻面水平變形及結構穩定的影響，列車軌道荷載在加筋土擋墻內的應力擴散規律及有效影響深度等關鍵技術難題，這也是制約結構推廣應用的技術瓶頸。在此背景下，本項目以我國第一座高速鐵路加筋土擋墻為主要的研究對象，歷時10年，針對高速鐵路加筋土擋墻力學行為與性能保障技術及工程應用進行了系統深入的研究，取得的主要創新成果如下：

(1)揭示了高速列車循環荷載作用下筋土界面應力傳遞與摩擦機理，構建了土工格柵筋材長期黏彈塑性蠕變計算模型，提出了筋材施工損傷、筋材蠕變強度折減系數和列車高頻荷載下筋土界面摩擦系數等關鍵參數，解決了高速鐵路加筋土擋墻筋土耦合體系技術難題。

(2)提出了考慮筋材兜提效應的列車荷載在加筋土擋墻中的應力擴散計算模型，揭示了擋墻筋材軸向應力分布規律，制定了高速鐵路加筋土擋墻水平位移和豎向沉降計算方法，提出了墻面水平位移閾值，開發了加筋土擋墻設計計算軟件，構建了結構裝配化施工及質量控制技術，為結構服役安全控制提供了技術保障。

(3)構建了高速鐵路加筋土擋墻力學行為演化分析多尺度試驗體系，提出了墻內豎向加速度、水平與豎向動應力分布及衰減模式，揭示了服役期各類型高速鐵路加筋土擋墻墻面、墻體內、墻背側向土壓力及水平位移、豎向沉降的分布和發展演化規律，制定了結構性能保障技術方法，實現了加筋土擋墻服役性能的有效提升。

本項目成果首創了一套高速鐵路加筋土擋墻服役安全保障理論體系和技術方法，并成功應用于青榮城際鐵路、青島董家口疏港鐵路、成昆鐵路等及其他行業的多項加筋土擋墻工程，經濟、社會和生態效益顯著。項目授權國家專利21件（發明專利8件）、軟件著作權3項、編制行業標準5部、出版專著1部、發表論文52篇（SCI、EI收錄26篇）。經天津市科學技術評價中心組織成果評價，認為成果整體技術達到國際領先水平。

創新點

(1)揭示了靜動荷載模式下高速鐵路加筋土擋墻筋土界面應力傳遞規律，構建了塑料土工格柵筋材黏彈塑性蠕變損傷本構模型，提出了列車循環荷載下筋土界面摩擦系數、筋材施工損傷強度折減系數、環境溫度與土體側限下筋材強度蠕變折減系數，解決了高速鐵路加筋土擋墻筋土耦合體系關鍵技術難題。

(2)提出了高速鐵路加筋土擋墻附加豎向應力計算模型，揭示了加筋土擋墻筋材軸向應力分布規律，制定了加筋土擋墻水平位移和豎向沉降計算方法，提出了高速鐵路加筋土擋墻墻面水平位移閾值，開發了加筋土擋墻設計計算軟件，構建了結構裝配化施工及質量控制技術。

(3)構建了高速鐵路加筋土擋墻力學行為多尺度試驗分析體系，揭示了各類型高速鐵路加筋土擋墻在施工期和服役期的力學行為發展演化規律，提出了結構性能保障技術與方法，實現了加筋土擋墻服役性能的有效提升。

主要技術支撐材料

代表性論文（專著）

1. 吳連海, 楊廣慶, 張青波, 孫宏偉, 張利國, 焦瑞玲, 蘇謙. 高速鐵路加筋土擋墻動響應規律現場試驗[J].西南交通大學學報, 2017, 52(3): 546-552.

2. Guang-Qing Yang, Huabei Liu, Yi-Tao Zhou, Bao-Lin Xiong. Post-construction performance of a two-tiered geogrid reinforced soil wall backfilled with soil-rock mixture[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2014, 42: 91-97.

3. Liu HB, Yang GQ, Wang H, Xiong BL. A large-scale test of reinforced soil railway embankment with soilbag facing under dynamic loading[J]. GEOMECHANICS AND ENGINEERING, 2017, 12(4): 579-593.

4. 楊廣慶, 靳靜, 周詩廣, 楊國濤, 鄭鴻. 高速鐵路加筋土擋墻土工格柵蠕變損傷本構模型研究[J]. 鐵道學報, 2019, 41(3): 155-162.

5. 王賀, 楊廣慶, 熊保林, 吳連海, 劉華北. 模塊面板式加筋土擋墻結構行為試驗研究[J]. 巖土力學, 2016, 37(2): 487-498.

6. 王賀, 楊廣慶, 吳連海, 劉華北, 熊保林. 墻頂荷載對加筋土擋墻工作特性影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(12): 2573-2581.

7. 楊廣慶; 周亦濤; 周喬勇. 加筋土擋墻拉筋軸向應力分布規律研究[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(4): 650-654.

8. 孫宏偉, 吳連海, 焦瑞玲. 高速鐵路路基加筋土擋土墻設計與應用研究[J]. 鐵道勘察, 2015, (3): 46-49.

知識產權和標準規范

1. 發明專利：測試土工合成材料蠕變性能的試驗平臺（專利號：ZL201710639007.1）

2. 發明專利：一種預制模塊式面板土工格柵加筋尾礦砂擋墻的施工方法（專利號：ZL201410823834.2）

3. 發明專利：加筋土擋墻墻面平整度控制的施工方法（專利號：ZL201310317404.9）

4. 發明專利：土工格柵加筋墻體及其施工方法（專利號：ZL201210515042.X）

5. 發明專利：混凝土面板加筋擋土墻及其施工方法（專利號：ZL201310742103.0）

6. 發明專利：土工格柵連接扣件及其用途（專利號：ZL201510149898.3）

7. 發明專利：一種加筋土結構和抗滑樁結合的復合支擋結構（專利號：ZL201310734532.3）

8. 發明專利：一種復合支擋結構的施工方法（專利號：ZL201610840816.4）

9. 中國鐵路總公司標準：鐵路工程土工合成材料 第2部分：土工格柵（標準編號：Q/CR 549.2-2016）

10. 行業標準：公路工程土工合成材料 機械損傷試驗方法（標準編號：JT/T 974-2015）