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山西新建铁路沿线黄土湿陷与潜蚀研究

作　者: 罗奇斌
导　师: 王家鼎
学　校: 西北大学
专　业: 地质工程
关键词: 山西铁路黄土湿陷性黄土潜蚀试坑浸水试验降雨模拟试验模糊神经网络
分类号: U212.22
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

山西省铁路建设是国家中长期铁路网规划的重要组成部分,区内黄土地层分布十分广泛,且境内铁路沿线地区具有湿陷性的黄土多有分布。潜蚀作为黄土地区一种独特的侵蚀方式,对黄土地区的铁路建设有着非常严重的潜在危害。在具有湿陷性的黄土地区,这种由潜蚀作用所造成的危害更加突出。因此,为确保铁路路线选择的合理性和后期运行的安全性,对湿陷性黄土的潜蚀研究显得尤为必要和紧迫。笔者通过对山西境内新建铁路大同至西安铁路客运专线、山西中南部重载通道、吕梁至临县(孟门)铁路支线三条铁路沿线的环境地质条件及黄土的工程地质条件的详细分析及对黄土潜蚀现象典型区段进行的实地调查,了解掌握了铁路沿线黄土的湿陷性及潜蚀作用的分布特性及规律,掌握了区域内湿陷与潜蚀作用的发育程度及特征。通过笔者独立设计并亲自组织实施的黄土湿陷性大型原位浸水试验对研究区黄土湿陷特征和程度进行了分析与评价。首次将原状黄土浸水试坑与不同厚度灰土改良后黄土试坑进行对比试验,通过对沉降、注水量、土层含水量及土压力变化等的观测与分析,以及对原状黄土及灰土垫层渗透系数的测试,结合对试坑浸水影响范围的分析,评价了灰土垫层的防渗效果及对水分下渗及侧渗的制约作用。鉴于前人所做的现场试坑浸水试验基本上是对试坑内的沉降标进行观测而间接的反应出土层的沉降变形情况,进而确定湿陷深度及湿陷类型。但对浸水过程中不同深度土层的土压力变化情况没有做出相应的测试,对其变化过程及特征了解甚少。笔者首次将土压力数据传感器及水分张力计引入浸水试验,较为精确的记录了试验过程中不同深度土层的土压力的变化特征及土层基质吸力与含水量变化过程,并将此结果与试验沉降观测数据进行了对比分析,了解了其之间的相互关系与变化规律,从而阐明了湿陷性黄土遇水发生湿陷而产生沉降变形的临界条件及时间点。以此为基础,分析了黄土湿陷性对潜蚀发育程度的影响及控制性作用。结合前人研究成果,进行了黄土原位崩解性试验,对黄土的平均崩解速率、瞬时崩解速率、崩解量及其影响因素等进行了分析研究；通过独立设计并亲自组织实施的以人工降雨模拟为依托的黄土抗冲刷性试验,笔者首次对不同降雨强度(冲刷强度)及不同崩解速率下的黄土冲刷性进行了试验对比,分析研究了黄土抗冲刷性与崩解性及冲刷强度之间的相互联系,以及其与黄土潜蚀作用的关系；阐明了崩解为潜蚀提供了物质条件,冲刷作用对崩解所产生的物质进行搬运,使潜蚀作用得以持续进行的侵蚀过程。分析了黄土崩解性及抗冲刷性对潜蚀发展速率及发育规模的控制性作用。通过上述野外原位试验及室内的研究结果,结合对研究区黄土湿陷与潜蚀各种影响因素的分析,鉴于湿陷性对黄土潜蚀的控制性作用,首次提出以湿陷系数为指示指标,对铁路沿线的潜蚀分布程度进行模型预测。在室内试验的基础上,通过分析影响湿陷性的因素,确定了与湿陷系数有关的物理指标,利用MATLAB模糊神经网络工具箱,采用自适应模糊神经网络(ANFIS)方法,建立了湿陷系数与选取的主要影响因素之间的模糊关系,同时建立多元回归模型,并比较了这两个模型的预测精度。通过对湿陷程度的预测间接的实现了对潜蚀分布程度预测。进而提供了一种良好的湿陷性黄土区潜蚀预测方法,为铁路建设提供了防灾依据。最后,论文总结了铁路沿线黄土湿陷与潜蚀的工程危害类别及特点并提出了相应的防治措施。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-25
  1.1 选题意义及研究目的  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-22
    1.2.1 黄土研究的发展过程  12-16
    1.2.2 湿陷性黄土的研究现状及试验方法  16-20
    1.2.3 黄土潜蚀的研究现状  20-22
  1.3 研究的具体内容、采用方法及技术路线  22-25
    1.3.1 研究内容  22-23
    1.3.2 研究采用方法及技术路线  23-25
2 铁路沿线环境地质条件及工程地质条件  25-37
  2.1 研究区铁路路线概况  25-27
    2.1.1 大同至西安铁路客运专线概况  25-26
    2.1.2 晋中南铁路重载通道概况  26
    2.1.3 吕梁至临县(孟门)铁路支线概况  26-27
  2.2 研究区环境地质条件  27-31
    2.2.1 地形地貌  27-28
    2.2.2 地层岩性  28
    2.2.3 气候与水文条件  28-31
  2.3 铁路沿线黄土的工程地质条件  31-37
    2.3.1 研究区第四系地层  31-32
    2.3.2 黄土的物质成分  32-33
    2.3.3 黄土的微结构特征  33
    2.3.4 黄土的物理力学性质  33-37
3 铁路沿线黄土湿陷与潜蚀分布及发育特征研究  37-46
  3.1 潜蚀地貌的特点及分布规律  37-39
    3.1.1 潜蚀的一般概念  37
    3.1.2 潜蚀地貌的特点及分布的一般规律  37-38
    3.1.3 潜蚀地貌特征野外识别  38-39
  3.2 研究区铁路沿线黄土潜蚀分布特点及发育规律  39-44
    3.2.1 潜蚀发育程度分析  40-41
    3.2.2 潜蚀分布规律分析  41-42
    3.2.3 潜蚀发育特征分析  42
    3.2.4 典型潜蚀沟谷剖面分析  42-44
  3.3 研究区铁路沿线黄土湿陷性程度及分布特点  44-46
4 铁路沿线黄土试坑浸水对比试验及湿陷特征研究  46-104
  4.1 湿陷性黄土试坑浸水对比试验内容及试验方法  46
  4.2 试验场地工程地质特征  46-51
    4.2.1 试验场地的区域背景  46-47
    4.2.2 场地地层岩性及黄土物理力学性质  47-51
  4.3 场地黄土湿陷性室内试验及评价  51
    4.3.1 黄土的湿陷程度  51
    4.3.2 试验场地的湿陷类型和地基湿陷等级  51
  4.4 场地黄土的水分特征曲线  51-55
  4.5 试坑浸水对比试验方法  55-62
    4.5.1 试坑设计和测点布设  55-56
    4.5.2 测试仪器布设  56-59
    4.5.3 观测项目与现场测试  59-62
  4.6 试坑浸水对比试验过程特征分析  62-94
    4.6.1 试坑注水量及入渗特征与分析  62-64
    4.6.2 试坑沉降变形特征与分析  64-82
    4.6.3 试坑2(灰土改良坑)沉降变形特征与分析  82-84
    4.6.4 试坑浸水含水量测试与分析  84-89
    4.6.5 张力计测试与分析  89-91
    4.6.6 传感器测试与分析  91-93
    4.6.7 裂缝分析  93-94
  4.7 试坑浸水对比试验综合研究  94-103
    4.7.1 试坑1浸水影响范围分析  94
    4.7.2 试坑2浸水影响范围分析  94-99
    4.7.3 现场试验与室内试验结果对比及分析  99-100
    4.7.4 试坑沉降量与土压力对比分析  100-101
    4.7.5 浸水含水量与张力计对比分析  101-103
  4.8 黄土湿陷性对潜蚀的影响作用分析  103-104
5 铁路沿线黄土崩解性、抗冲刷性及其与潜蚀的关系研究  104-117
  5.1 试验内容及试验方法  104
  5.2 黄土原位崩解性试验  104-111
    5.2.1 平均崩解速率分析  104-108
    5.2.2 瞬时崩解速率分析  108
    5.2.3 崩解量分析  108-109
    5.2.4 崩解量影响分析  109-110
    5.2.5 崩解试验结果分析  110-111
  5.3 黄土的抗冲刷性试验  111-116
    5.3.1 人工降雨模拟试验设计  111-113
    5.3.2 冲刷量试验结果分析  113-115
    5.3.3 土层基质吸力变化分析  115
    5.3.4 土层含水量变化分析  115-116
  5.4 黄土崩解性及抗冲刷性对潜蚀的影响作用分析  116-117
6 铁路沿线湿陷性黄土潜蚀的影响因素分析研究  117-125
  6.1 黄土潜蚀影响因素分析  117-123
    6.1.1 黄土岩性(内因)与潜蚀的关系分析  117
    6.1.2 水的作用与潜蚀的关系分析  117-122
    6.1.3 其它因素(外因)与潜蚀的关系分析  122-123
  6.2 黄土湿陷性影响因素分析  123
  6.3 黄土潜蚀与湿陷影响因素对比分析  123-125
7 湿陷性黄土潜蚀发育程度预测及危害防治  125-136
  7.1 基于湿陷系数为指示指标的潜蚀发育程度预测  125-132
    7.1.1 自适应模糊神经推理系统(ANFIS预测模型)  125
    7.1.2 ANFIS模型结构及建立  125-127
    7.1.3 模型计算预测分析  127-130
    7.1.4 多元回归模型预测  130
    7.1.5 回归方程的建立  130-131
    7.1.6 回归方程的显著性检验  131
    7.1.7 模型预测精度的比较  131-132
  7.2 湿陷性黄土地区潜蚀的工程危害及防治  132-136
    7.2.1 潜蚀的工程危害类别  132-133
    7.2.2 潜蚀的工程危害特点  133
    7.2.3 铁路沿线潜蚀危害的防治措施  133-136
结论  136-140
参考文献  140-146
攻读博士/硕士学位期间取得的科研成果  146-147
致谢  147-148
作者简介  148

山西新建铁路沿线黄土湿陷与潜蚀研究

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