湿化作用下重载铁路改良膨胀土动力响应与累积变形试验研究

以蒙华重载铁路改良膨胀土路基试验段为依托，针对水泥改良土路堤、石灰改良土路堑两种形式路基开展不同轴重、不同干湿状态下现场激振试验，分析动应力、动加速度分布特征及振动累积变形发展规律；通过室内动三轴开展素膨胀土、水泥改良土、石灰改良土分别在4个不同含水率和4种不同应力水平下动力湿化变形试验，研究湿化幅度、动应力幅值对膨胀土及改良土累积应变特性的影响规律。研究结果表明，动应力和动加速在基床底部衰减率可达80%,且路基刚度越大，动应力、加速度沿路基深度衰减越快；同一深度下动力响应浸水状态大于干燥状态，且轴重越大，影响更为显著，湿化作用显著削弱路基对动应力与动加速度的衰减能力，水泥改良土抗浸水能力相对石灰改良土更强；路基面累积变形在浸水后随轴重和振动次数增加而增加，且在相同振次情况下，素膨胀土及其改良土累积应变均在湿化幅度超过2%后急剧增加，且动应力越大，应变增长速率越快，改良土累积变形速度仅为素膨胀土的1/8～1/5,石灰与水泥改良后均可有效抑制膨胀土的湿化变形；基于动三轴试验数据，建立累积应变的预估模型，得出素膨胀土及改良土模型参数与湿化幅度之间的经验关系。     

基于现场试验的刚-柔性基础下膨胀土变形特性研究

为研究膨胀土地基的膨胀变形响应规律,结合云桂客运专线建设,在弥勒中-强膨胀土区域选取典型工点,开展刚性基础(多压板荷载)与柔性基础(低路基)下膨胀土地基现场浸水试验,对比分析浸水后刚性和柔性基础下膨胀土地基的膨胀变形差异。试验结果表明:在较小荷载下,刚性基础与柔性基础下地基均产生明显的膨胀变形,膨胀变形量与上部荷载近似呈双曲线关系,前者的极限膨胀量约为后者的85%。对云桂客运专线试验段路基的长期监测试验表明:在自然条件下,路基较低时,地基相对膨胀量变化值随路基高度的增加而减小;路基高度超过5m时,其相对膨胀量变化值趋近于0,自然降雨对超过该填高的中-高路基下膨胀土地基的膨胀变形几乎无影响。     

重载铁路水泥改良膨胀土路基动力特性数值研究

相比普铁与高铁而言,列车动载作用下重载铁路路基的动力特性更突出。依托浩吉重载铁路工程背景建立"列车-有砟轨道-基床-地基"三维数值模型,对不同荷载条件下重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力特性进行分析。同时,结合室内动三轴试验,获取水泥改良膨胀土填料临界动应力,并建立填料累积变形经验模型,综合"强度-变形"指标对重载铁路水泥改良膨胀土路基的长期动力稳定性进行评估。结果表明:路基动应力受轴重影响敏感性大于车速,轴重25～30 t重载列车动载作用路基面动应力是预留客运列车作用时的1.2倍;不同列车荷载作用下重载铁路改良膨胀土路基的动应力沿深度逐渐衰减,动力影响深度是基床设计厚度(2.5 m)的1.2～1.6倍,但影响范围内路基动应力水平远小于填料临界动应力范围,说明路基动强度稳定满足要求;结合动三轴试验"应变-振次"稳定性曲线,建立考虑振次、应力水平等多因素的水泥改良膨胀土填料累积变形经验模型,预测400万振次基床表面累积变形为5.5～6.5 mm,其中前150万振次累积变形量占比达85%以上,说明路基动变形稳定满足要求;数值结果与文献测试数据吻合,验证模型的合理性。     

高速铁路浸水路基长期稳定性试验分析

研究目的:与一般路基相比,浸水路基在水流冲击、淘刷、侵蚀及水对路基填土的软化、水位升降等不利作用下,经受列车循环荷载的长期作用,其稳定性更易受到威胁.为此,开展了高速铁路无砟轨道路基浸水条件下的循环荷载动态试验,进行了路基动应力、弹性变形、塑性变形、动孔压、自振频率等测试分析,以评价浸水路基的长期稳定性,验证设计方案的可靠性、合理性.研究结论:按时速350 km CRTS Ⅱ型板式无砟轨道浸水路基的受力边界条件,建立了动态试验系统.在试验9 ～13 kPa的动应力条件下,经过550万次的动载作用后,基床内动应力、动孔压、弹性变形处于比较稳定的状态,塑性变形为0.48～0.56 mm.从扫频试验结果来看,路基的自振频率比列车动载作用频率大很多,不会产生共振现象;振后路基的自振频率减小幅度很小,路基性能保持良好.试验设计采用的浸水路基防护、填筑方案是可行的,长期浸水条件下其性能稳定,能够满足无砟轨道对基床强度及变形的要求.     

水泥改良膨胀土重载铁路路基填料的可靠性研究

重载铁路路基相比普通铁路和高速铁路路基承受更大的动力荷载,对填料要求更为严格。新建蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙—华重载铁路)三荆段(三门峡—荆门)沿线分布大量膨胀土,拟采用水泥改良膨胀土作为该区段路基填料。鉴于目前中国尚无在膨胀土地区修建重载铁路的实践与案例,针对重载铁路水泥改良膨胀土路基填料可靠性研究相对偏弱。为此,首先结合室内动三轴试验,系统探索重载铁路基床底层及以下路堤结构范围内水泥掺量3%和5%改良膨胀土的临界动应力;然后借助现场试验测试路基实际动应力水平,对水泥掺量3%和5%改良膨胀土填料的可靠性进行评估。研究结果表明:基床底层水泥掺量5%改良膨胀土填料临界动应力范围148.8～233.1 kPa,大于该范围实测路基动应力水平71.45 kPa;基床底层以下路堤掺量3%改良膨胀土填料临界动应力范围142.5～249.7 kPa,大于该范围实测路基动应力水平25.25 kPa,说明水泥改良膨胀土用作蒙-华重载铁路路基填料动力可靠性满足要求。研究结果对探索重载铁路基床范围内动力水平及水泥掺量3%～5%改良膨胀土填料的可靠性评估具有重要理论意义。     

改良膨胀土新线路基施工质量控制技术

膨胀土遇水膨胀、脱水干缩不能直接填筑路基,因此必须进行改良。改良膨胀土路基施工质量控制主要包括全线取土场土质调查与膨胀土物理性质试验、改良机理分析和方案选择、改良效果比较及参数确定。改良土拌和是使膨胀土与石灰产生理化反应,降低或消除膨胀性,增强水稳性和耐久性。改良膨胀土路基填筑质量控制包括基底处理、基床以下路堤与基床底层填筑、砂填层和复合土工膜铺设、基床表层级配碎石填筑、路桥(涵)过渡段路基填筑等环节。在用改良膨胀土填筑路基过程中,应对填料的液限、塑限、击实、无侧限抗压强度、无荷膨胀率、50kPa荷载下有荷膨胀率、胀缩总率、浸水72h崩解等进行复查试验。     

循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性分析

粗粒土填料作为铁路路基核心层,直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性决定了路基工作性能,但目前对粗粒土填料在列车往复作用下的动力变形特性研究不多。为探究行车荷载对基床粗颗粒土动力变形特性的影响规律,进行一系列粗粒土填料持续振动条件下的大型动三轴试验,包括不同动应力幅值(模拟不同列车轴重)、不同围压(模拟不同埋深下的侧压作用)和不同含水率(模拟不同雨水环境)等多种情况。获得路基粗粒土填料的临界动应力和累积应变随围压和含水率变化的系列关系数据和变化规律。试验结果对重载铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有重要参考价值。     

京沪高速铁路填料改良试验方法及效果

铁路路基的基床长期经受着列车动荷载的作用和水文，气候变化的影响，如基床土为粘性土且土质不良，便极易形成基床病害，因此，在TBJ1－96《铁路路基设计规范》中，对粘性土基床的土质规定了明确的标准，即“在年平均降水量大于500mm地区，其塑性指数不得大于12，液限不得大于32％”。但是，在我国的不少地区，尤其是多雨的南方，上述标准的粘性土常常并不多见，而一些高塑性，高液限的粘性土或膨胀土却分布很广，在这些地区修筑铁路路基时，就必须采取适宜的工程措施对基床进行妥善处理，否则路基建成后常会产生诸多的基床病害。     

襄阳地区膨胀土胀缩变形分析与加固措施设计

襄阳地区广泛分布膨胀土,既有铁路汉丹线多处地段因膨胀土变形造成路基翻浆冒泥、路基鼓胀下陷、边坡开裂失稳等病害。以襄阳地区某在建无砟轨道高速铁路工程为例,研究分析膨胀土地基膨胀变形对不同断面形式路基的工程影响,根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013),采用大气影响深度法,在50 k Pa荷载条件下,试验得出有荷膨胀率并预测地基膨胀变形量。对不同挖深、不同断面形式的膨胀土路堑,研究其地基土最大膨胀变形量并有针对性地提出地基加固处理措施;结合地下水发育特征,给出膨胀土地基的防水保湿措施建议。     

提速铁路基床长期累积沉降及等效循环荷载试验研究

我国铁路大范围的列车提速对既有线和新线路基的刚度和变形提出了较高的要求.本文基于实测的路基动应力波形,通过室内动三轴试验研究铁路基床C组填料压实土分别在列车荷载和正弦荷载作用下的长期变形规律,并采用Monismith模型进行拟合,得到基床表层和底层土的长期累积沉降计算公式.试验结果表明,由于基床表层土承受的围压较低、动荷载较大,表层相对底层产生的长期变形大、持续时间也长.通过加载一系列不同幅值、不同形式的正弦荷载,提出基于基床土长期变形等效的提速列车荷载的正弦荷载等效方法,即一个半正弦波代表一个转向架的列车动荷载,荷载幅值折减系数在0.45～0.65之间;并通过能量法得到验证.     

考虑湿化的重载铁路粉黏土基床土体骨干曲线研究

动荷载增加与排水不畅是造成铁路基床病害的主要原因,考虑浸水作用的土体骨干曲线模型对于重载铁路扩能改造适应性评价有重要价值。进行了一系列不同动应力下的浸水动三轴试验,基于"单线法"分析了动力作用下的湿化变形、剪切模量及骨干曲线的变化规律。研究结果表明,在动应力幅值超过100k Pa后,土的湿化变形显著增加;剪切模量经历了前期压密、稳定、浸水软化三个阶段;通过引入归一化塑性应变指数,提出了基于H-D模型的土体湿化骨干曲线模型;与不同压实度下实测骨干曲线的对比分析,证明了模型的合理性与有效性。与传统骨干曲线模型相比,该模型可以描述土体浸水过程中的动力软化特性,为进行列车轴重增加情况下基床的湿化变形计算提供了依据。     

膨胀土路堑全封闭基床结构型式及其动力模型试验

对膨胀土地区新型铁路路堑全封闭基床结构进行室内足尺模型试验,得到循环振动荷载作用下基床的动力特性。结果表明:新型全封闭基床结构中动应力沿深度的衰减规律呈指数型,速度和加速度沿深度的衰减规律成二次曲线型,说明在基床表层底面铺设半刚性结构层使振动速度和加速度的影响深度增大;基床底层底面的最大动应力、振动速度、加速度以及路基面最大动变形波动区间分别为4.09~6.13kPa、1.72~3.15 mm/s、0.082~0.085m/s2和0.30~0.43mm,均小于高速铁路基床相应动力指标限值,验证了新型膨胀土路堑全封闭基床结构设计的可行性和合理性。     

路桥过渡段基床填料膨胀诱发无砟轨道上拱规律研究

无砟轨道路基膨胀诱发钢轨上拱是高铁建设运营面临的常见病害之一,路桥过渡段是路基膨胀病害的高发路段,为研究高铁路桥过渡段路基膨胀后钢轨上拱分布及路基结构变形规律。以一处典型过渡段路基膨胀工点为例,通过现场监测和室内试验判别轨道上拱情况及路基膨胀层位,并通过数值模拟计算研究路基基床膨胀对过渡段路基结构的影响规律。研究结果表明:水流下渗与基床填料中的蒙脱石作用是导致填料发生膨胀的主要诱因;桥梁对路基膨胀引起的钢轨上拱具有明显的阻隔效应,临近桥台侧钢轨上拱变化范围明显小于远离桥台侧;路桥过渡段基床填料膨胀率为0.08%时,钢轨上拱量达到无砟轨道钢轨上拱可调节临界值4 mm;临近桥台侧钢轨轴向应力峰值远大于远离桥台侧。     

既有铁路路基病害地段K_(30)试验及其数据分析

乌(西)奎(屯)城际铁路位于季节性冻土地区,局部区段路基为粉质黏土,在季节性冻融循环作用影响下,路基刚度大大降低,从而使路基产生不均匀变形,给列车运行带来不利影响。本文通过堆载加荷的方式,结合实际情况对乌奎城际铁路路基进行了K30试验检测,检验其路基刚度是否满足规范要求,并给出提高路基地基系数的方法。试验结果表明:乌奎城际铁路路基基床表层地基系数较低,不满足铁路路基相关规范要求;通过基床表层局部换填道砟并压密夯实的方式可以显著提高地基系数,起到补强路基的作用。     

重载铁路路基粗颗粒土循环振动试验与累积动应变研究

重载铁路路基核心层为粗粒土,其直接承受轨道结构传递的列车动载的往复作用,但目前对粗粒土填料在重载列车往复作用下累积动应变的研究较少。为探索粗粒土填料在暴雨等极端恶劣天气或路基浸水时的累积动应变变化规律,利用基于MTS精确控制的动三轴试验系统,进行不同围压、多组动应力幅值下饱和粗颗粒土(铁路路基A级填料)的振动试验。由此获得一系列粗颗粒土累积动应变与振动次数的关系曲线,揭示动应力比对累积动应变发展类型的影响,得出基于围压的临界动应力比表达式以及累积动应变与振动次数的拟合关系式,同时证明一定振动次数时试样动应力与累积动应变关系比较符合双曲线模型。试验结果可供重载铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计参考和利用。     

基于修正Iwan模型的铁路基床动力湿化特性研究

不断增加的列车动荷载与排水不畅是导致重载铁路基床产生不均匀沉降的主要原因之一,正确认识其变形规律对提高重载铁路长期服役性能有至关重要的作用。在包神铁路瓷窑湾站病害段基床部位取土样,基于单线法对土样进行动荷载作用下的湿化试验。试验确定了湿化作用下土体累积塑性应变方程及软化指数关系,同时分析了浸水作用对滞回曲线的影响。基于试验结果,提出土体动力湿化作用下的修正Iwan模型,并通过试验验证了模型在动应力增加情况下有较好的适应性。研究结果有助于预测重载列车动力荷载作用下基床土体变形,并对评价既有线路开行大轴重列车的适应性提供参考。     

铁路超重货物作用下轨道路基动态响应试验研究

为探讨超重货物作用下轨道路基动态响应规律,通过现场试验和ANSYS数值模拟进行研究。现场试验采用加速度计、位移计和土压力盒等元器件,测试轨道路基结构动态响应参数,并将测试结果与现有规范和数值模拟结果进行比较分析,评估在该试验线路上开展超重货物运输的可行性。研究结果表明:超重货物作用下,该试验线钢轨强度和变形均满足试验标准;道床与基床动应力模拟值略大于实测值,但总体趋势基本保持一致,实测值均未超出材料的容许值;基床顶面竖向变形为1.93 mm,残余变形为1.39 mm,基床较大残余变形会引起钢轨的不平顺,进而会加剧基床的破坏。建议在超重货物运输过后,要及时对线路进行养护维修,确保其他列车的安全运行。     

漯阜线某段膨胀土路基病害分析及整治措施

根据现场实地情况 ,对弱膨胀土路基的病害进行分析 ,提出治理措施 ,为今后铁路通过膨胀土地区及对路基构筑物基床土填料的选择提供参考和借鉴。     

高速铁路路基红层泥岩填料力学特性试验研究

研究目的:本文主要研究红层泥岩的击实性质、CBR承载比、模拟路基荷载下的膨胀率、无侧限强度、三轴剪切强度及压缩模量,用以验证将红层泥岩用作高速铁路路基及基床填料的适应性.研究结果:得出了红层泥岩的最大干密度、最优含水量、浸水前后的强度及变形特性、CBR承载特性与膨胀特性等物理力学特性;结合达成新线试验段的试验研究及施工,分析了高路堤浸水前后的变形特性,提出了在实际工程中使用红层泥岩填料填筑路基的意见和建议.     

不同激振频率下云桂铁路路堑基床振动特性现场试验

利用大型激振设备对铺设柔性复合防排水板的云桂铁路膨胀土路堑基床进行扫频试验,研究该基床的共振频率及不同基床位置动应力和加速度随激振频率的变化规律。试验结果表明:膨胀土路堑基床的共振频率约为17Hz;路基面以下1.2m深度范围内,动应力沿深度的实际衰减速度明显高于布氏理论计算结果;动应力和加速度沿深度方向的衰减规律与激振频率大小有关,激振频率小于15Hz时,二者均呈指数型衰减,随着激振频率的进一步增加,动应力衰减规律向ε型转变,加速度衰减规律向线性衰减转变;在基床表层底面水平方向上,激振荷载的显著影响范围小于轨道中线两侧1.76m。