循环荷载下重载铁路路基累积动应变分析

研究目的:基于山东东营某重载铁路路基工程,以重载铁路路基为研究对象,通过一系列循环振动三轴试验,探究在氯盐侵蚀和循环振动荷载双重因素耦合作用下重载铁路路基的累积动应变发展变化规律,进一步揭示路基土体变形影响因素及其规律。研究结论:(1)循环振动荷载作用下,土体累积动应变随着循环振动次数的增加而不断增大;(2)不同的动应力比下,累积变形曲线呈现出稳定型、临界型和破坏型三种类型;(3)干密度越大,土体抵抗变形的能力越强,累积动应变发展速率越小,临界动应力比越大;(4)土体的累积动应变发展速率随含水率、含盐量和振动频率的增大而不断加快;(5)围压和含水率均可以改变土体累积动应变的发展类型,随着围压的增加,路基的变形速率降低;(6)该研究成果可为重载铁路路基设计与施工提供参考。     

交通荷载引起的静偏应力对压实黄土动力特性的影响

区别于地震荷载,交通荷载作用下的静偏应力对土体动力特性的影响显著。通过室内动三轴试验研究静偏应力对压实黄土动应力-应变关系的影响规律,分析动模量随加载振次的变化规律。结果表明:静偏应力可以显著提高同等动应变幅值下土体的动模量;随着静偏应力的增加,土体的动应力-应变关系在一定的起始动应变幅值范围内呈线性关系。当不考虑静偏应力时,土体的动模量随着振次的增加逐渐衰减;当考虑静偏应力时,土体的动模量随着振次的增加逐渐增大。此外,通过将动力荷载作用下土体的循环累积应变分解为动力蠕变和弹性应变,对土体的滞回特性进行了修正,修正之后静偏应力对土体动模量的强化作用更加明显。修正方法可为交通荷载作用下路基的动力响应和长期变形分析提供更为清晰的研究思路和意义明确的力学参数。     

浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律

以包神铁路某病害段土体为研究对象,制备不同压实系数、不同含水率的试样,利用GDS动三轴系统进行模拟浸水状态下的动力特性试验;使用自行研制的常水头马氏瓶模拟雨水自然浸入基床,构建动力湿化环境,研究浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律及敏感影响因素。结果表明:浸水过程会打破土体的动力稳定状态,引发塑性应变的持续累积以及动回弹模量的持续衰减,累积程度和衰减规律受到压实系数的显著影响;压实系数为0.96的土体在浸水作用下循环加载至50000次时其累积塑性应变小于3%,而压实系数分别为0.9和0.93土体的累积塑性应变皆大于10%;压实系数越大的土体在浸水作用下动回弹模量衰减程度越大,压实系数分别为0.9,0.93和0.96的土体在浸水作用下其动回弹模量分别衰减22%,32%和42%;不同初始含水率土体的累积塑性应变和动回弹模量衰减规律相近。在试验数据基础上,提出了用动回弹模量构建的动力湿化作用下的土体软化模型,该模型体现了土体刚度受压实系数显著影响的特性,且具有较好的适用性。     

路基压实黄土力学特性三轴试验研究

通过对不同能级强夯后的Q3黄土进行三轴试验,得到含水量与压实功不同的黄土试样在同围压下的应力应变特征及剪切破坏形式,探讨了压实黄土的力学特性随含水量与压实功的变化规律.通过回归分析得出抗剪强度参数与含水量及压实度之间的相关关系,并剖析了压实黄土力学特性影响因素的作用机理,对指导黄土地区路基工程的设计、施工和进行稳定性分析具有重要的理论和实践意义.     

洞庭湖区饱和原状粉质黏土累积塑性应变规律

对洞庭湖区的饱和原状粉质黏土进行室内动三轴试验,分析软土地基土体在动荷载作用下的变形特性,探究动应力幅值、围压、固结比和加载频率对饱和粉质黏土累积塑性应变的影响。累积塑性应变发展形态随加载条件的不同可以分为稳定型、临界型、破坏型3类。用拟合函数对室内动三轴试验结果进行拟合分析,得出Monismith指数函数适合破坏型曲线,而对数函数不适宜于稳定性曲线的结论。针对稳定型曲线收敛的特点,提出一个新的稳定型曲线累积塑性应变数学模型,能更好地模拟曲线的变化规律,为计算软土地基在长期循环动荷载作用下产生的累积塑性变形提供了一定的参考。     

考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析

路基受到的动荷载由列车通过时的连续性周期荷载与列车未通过的荷载间歇组成,大多数对路基填料变形特性的研究中忽略了荷载间歇的存在,无法正确认识列车荷载对路基的作用特征。为了对间歇性循环荷载作用下的重载铁路路基粉土填料变形特性进行研究,开展不同动应力、含水率及围压条件下连续性循环荷载和间歇性循环荷载的动三轴对比试验,探讨荷载间歇对粉土填料累积塑性应变及弹性应变的影响,分析间歇加载下粉土填料的弹性应变变化规律。试验结果表明,荷载间歇显著影响粉土填料的累积塑性应变大小和变形行为;间歇阶段的存在使得粉土填料抵抗弹性变形和破坏的能力得到提升;间歇加载下粉土填料的弹性应变随动应力幅值和含水率的增加而增大,随围压的增大而减小。通过对间歇加载下试样的不同变形行为类型进行分析,得到不同安定状态下的临界弹性应变的取值,试样为最优含水率、天然含水量及饱和含水率时,安定极限弹性应变分别为0.14%,0.11%及0.09%,蠕变极限弹性应变分别为0.30%,0.17%及0.13%。研究结果拓展了安定理论的适用性,为认识和评价重载铁路路基的变形行为提供参考。     

风积沙填筑铁路路基累积塑性变形及临界动应力试验研究

目前用于铁路基床的填料大多数为级配优良的填料,而对风积沙作为路基填料在列车荷载作用下的累积塑性变形特性和临界动应力研究不多,但风积沙作为路基填料已在沙漠铁路建设中得到运用。为探究列车荷载作用下风积沙填料填筑铁路路基的累积塑性变形演变特性及临界动应力,考虑围压、动应力幅值、压实系数和含水率等因素的影响,开展一系列动三轴试验。试验结果表明：风积沙累积塑性应变随压实系数、围压的增大而减小,随动应力幅值的增大而增大。以最优含水率为分界点,低于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而减小;高于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而增大。风积沙试样的累积塑性应变曲线可分为：稳定型、临界型和破坏型。根据对累积塑性应变曲线的分类,获得了不同条件下风积沙填料的临界动应力。风积沙临界动应力随围压和压实系数的增大而增大,饱和含水率下风积沙填料的临界动应力明显小于天然含水率和最优含水率下风积沙填料的临界动应力。临界动应力和围压具有较好的线性关系。构建了可考虑围压和含水率影响的风积沙临界动应力经验公式,通过临界动应力公式确定了不同工况下风积沙作为路基填料的适用范围。试验结果可为沙漠铁路的设计、...     

基于耗散能的高速铁路路基填料动力安定临界阈值研究

科学评估高速铁路路基服役安定特性是保障复杂环境下路基百年服役期的耐久稳定的重要理论手段。对典型高速铁路路基粗粒土填料开展长期循环加载动三轴试验,揭示了不同围压、动载幅值等因素对填料变形发展规律的影响,基于A塑性安定、B塑形蠕变、C增量破坏3类安定状态分析了长期变形收敛趋势以及耗散能变化规律。构建了单位体积耗散能与安定状态的关联,提出了基于等效单位体积耗散能的安定临界状态判别标准和动应力、动应变阈值确定方法。本文研究的典型填料,引起高铁路基填料由稳定的安定状态向不稳定的增量破坏状态的临界动应变所处范围为0.8×10^-3～1.3×10^-3。研究结果可对涉及列车动载长期作用下的高速铁路路基安定性分析和长期稳定性评估提供理论参考。     

桩网结构路基填筑期格栅应变的变化规律

通过案例分析法研究桩网结构路基填筑期荷载分担变化规律、土工格栅应变,对比不同计算方法得出填筑期格栅应变的影响因素.研究结果表明:由于压实荷载和填筑过程的影响,格栅应变最大值出现在填筑期间而非运营状态;填土的内摩擦角决定了达到格栅应变最大值时的路堤填高,而填筑期的压实荷载决定填筑期的格栅应变极值.建议桩网路基设计时加入填筑期部分成拱状态下考虑压实荷载的受力验算,以使设计偏于安全.     

既有重载铁路路基检测试验与状态评估

研究目的:针对朔黄重载铁路四个典型病害路基工点,进行压实度K、含水率、直剪、N_(10)、K_(30)、E_(v2)和E_(vd)等检测试验,系统地评价路基的压实状况、变形性能和承载力特性。针对既有铁路路基检测试验可行性和代表性问题,忽略新建时碾压产生的残余应力和列车荷载反复作用的影响,建立平面应变有限元模型,分析路基的初始应力状态,为既有路基检测试验检测点代表性问题和室内动三轴试验围压的确定提供参考意见。研究结论:(1)朔黄重载铁路四个典型病害路基工点的压实状况、变形性能和承载力特性不能满足规范的要求,需要进行加固处理;(2)路基的初始应力状态非常复杂,忽略施工碾压和列车荷载在路基中产生应力的影响,距离路基中心线5.5~6.0 m,深0.6~1.2m范围的土体处于K_0状态;(3)进行路基填料室内动三轴实验时,实验加载参数的确定需考虑路基的初始应力状态;(4)该结论可为铁路路基的检测和状态评估提供参考。     

砾类土在循环荷载作用下的变形影响因素试验研究

砾类土是新疆铁路和公路常用的路基填料,为了控制和减小砾类土路基的沉降,首先需要明确各因素对该类路基在循环荷载作用下的变形影响规律。通过动三轴试验研究围压、初始静偏应力、循环荷载作用频率、循环荷载大小和固结比对砾类土累计塑性变形的影响规律,得出其累计塑性应变随着初始静偏应力、循环荷载大小的增加而增大,随着围压、荷载作用频率和固结比增加而减小。同时计算各影响因素对累计塑形应变的极差,得出影响因素对累计塑形应变影响的大小。在路基施工时,可以通过提高路基的围压,同时使路基充分固结来减小路基的营运沉降。提出一种针对砾类土应变较小时的塑性累计变形模型,并验证模型的正确性,可为新疆砾类土路基的设计和施工提供参考。     

红层软土地基沉降监测及预测

研究目的:红层软泥岩是一种特殊岩土,具有易崩解、易风化、遇水易软化等特点。在这种特殊地质条件下,修建高等级铁路,必须要解决地基沉降问题。要准确地计算软土地基的沉降,特别是预测工后沉降,满足高速铁路暂行规定,仍是铁路建设中要解决的关键问题。研究方法:采用沉降管对经粉喷桩处理过的红层软土地基进行沉降监测,将得到沉降数据进行分析,分析软土地基沉降规律,通过指数函数进行拟合及预测其最终沉降量。研究结果:结果发现沉降管在红层软土地基的沉降监测得到了很好的应用,其预测结果表明经过粉喷桩处理后的软土地基的沉降满足高速铁路暂行规定。研究结论:证明该沉降管监测方法和预测方法应用在红层软土地基沉降中是合理的。     

高地应力软岩大变形隧道稳定性判据研究

围岩是隧道稳定性控制的主要对象,针对铁路隧道建设中高地应力软弱围岩的重大理论与实践难题,本文开展了理想连续介质条件下,围岩塑变形加速发展或塑性应变突变的稳定性极限状态研究。提出:(1)开挖过程中应充分发挥围岩的自承能力,允许围岩发生一定程度的塑性变形,但不能因过大变形让围岩进入松动状态,以保持围岩的稳定性;(2)当围岩塑性过程发展到塑性应变突变或变形加速发展时,围岩材料将进入塑性流动状态。此时,围岩因过大变形而松动,扰动后极易失稳、坍塌。(3)近区围岩塑性流动松动、深部为连续介质条件下,高地应力软岩大变形隧道稳定性的理论分析与判据方法有待深入研究。     

桩筏基础路基地基应力测试研究

研究目的:附加应力是路基地基沉降分析中非常重要的参数,附加应力计算方法不同,计算结果差异较大。本次研究拟通过现场测试了解桩筏基础路基地基应力分布规律。研究结论:(1)桩筏基础路基地基实际应力小于计算值是沉降计算误差产生的原因之一;(2)桩筏基础路基地基加固存在临界桩长;(3)地下水位以下土层自重应力计算采用浮容重是合理的。     

高温养护下水泥改良风积沙抗压强度试验研究

研究目的:新疆和田至若羌铁路经过塔克拉玛干沙漠南缘,地表以风积沙为主,水泥改良风积沙是沙漠地区铁路路基基床填筑的关键技术。塔克拉玛干沙漠夏季地表温度最高可达70℃,水泥改良风积沙的力学性能和变形特性易受高温的影响,因此本文结合新疆塔克拉玛干沙漠的气候条件,开展水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验,研究70℃高温养护条件下水泥掺量和压实系数对水泥改良风积沙的应力应变特征、无侧限抗压强度、峰值应变和刚度的影响。研究结论:(1)水泥改良风积沙的应力应变曲线近似正态分布,具有右偏态的特性;(2)高温养护条件下,压实系数为0.95时,水泥掺量为4%、5%、6%对应的水泥改良风积沙无侧限抗压强度分别为0.38 MPa、0.52 MPa和0.78 MPa,峰值应变分别为2.2%、2.4%和2.6%,刚度分别为10.4 MPa、16.2 MPa和22.8 MPa;(3)与标准养护条件相比,高温养护条件下水泥掺量为5%、压实系数为0.95的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度和峰值应变分别降低了5.5%、22.7%,刚度增大了5.9%;(4)新疆和田至若羌铁路夏季施工时,考虑70℃高温养护条件,掺量5%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求,避开高温施工环境条件,掺量4%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求;(5)本研究成果可为风积沙铁路路基基床的设计、施工提供参考。     

兰新高速铁路高寒地段路基温度场数值模拟分析

兰新高铁浩门至大梁区间所处地区海拔高,气温低,冻结期长,属于深季节性冻土区。为解决该区间路基冻害问题,依据当地气候条件,运用ANSYS有限元分析软件,对低路堤、零断面换填路基及不同深度处铺设保温材料的路基温度场进行数值模拟,分析路基冻结深度的变化规律和最大冻结深度,为高寒区高速铁路路基冻害防治措施设计提供参考。研究表明:(1)由于兰新高铁浩门至大梁区间海拔高、冬季冻结时间长、气温低等原因,导致路基冻结深度大;(2)零断面换填路基实测地温和数值模拟计算结果基本相符,所选计算模型、参数等可以为其他相同条件断面数值模拟分析采用;(3)铺设保温板路基温度场较未铺设保温板的0℃线上移,冻结深度增加速率变小,最大冻结深度明显减小,路基保温效果较好;(4)由于路基边坡、基床以下部位土层性质、厚度、热物理参数等影响,低路堤最大冻结深度比零断面换填路基大。     

铁路预应力路堤加固技术数值研究

研究目的:铁路预应力路堤在国内外尚属一种新型路基加固法,其受力变形特性暂未得到系统化研究,相关加固设计理论仍处于探索性阶段。因此,有必要通过数值手段了解预应力路堤的工作状态,以掌握其加固性能。鉴于此,借助ABAQUS软件平台构建预应力路堤仿真系统,分析差异化预应力加固参数对路堤变形和承载能力的影响以及预应力加固构件的受力特征。研究结论:(1)路堤本体段坡面较优加固位置为距本体顶面以下0.3倍本体高度处;(2)坡率1∶1的预应力路堤在第1、2排侧压板分别施加50 k Pa、100 k Pa预压荷载时,其变形与承载力均可达传统路堤(坡率1∶1.5)水平,并可通过提升加固标准进一步强化路堤承载性能;(3)当对第1、2、3排侧压板分别施加50 k Pa、100 k Pa、100 k Pa预压荷载时,路堤内部附加围压S11>13.5 k Pa区域大致呈"x"形分布并形成横贯路堤的"预压加固区";(4)侧压板锚固区受力集中且复杂,应注意保障锚固区板体强度;(5)力筋在路堤加载前后的应力变化量与坡面侧向变形特征相关;(6)本研究成果可为铁路预应力路堤的加固设计提供技术指导。     

季节冻土地区高速铁路路基设计

哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程,本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍,阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识:(1)混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案,一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段;(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形,防冻层填料满足一定要求前提下,冻胀变形不会影响线路平顺性,可以保证高速铁路安全平稳运营;(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点,说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间;(4)反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。     

铁路膨胀土路基填筑试验研究

研究目的：本文结合时速200km铁路客货共线路基压实度要求，通过对不同膨胀土填料进行室内试验，提出满足路基工程要求的改良方案和质量检测方法。 研究方法：收集国内外相关资料；进行现场填筑试验；研究满足时速200km客货共线铁路要求的路堤的压实施工工艺及压实质量检验方法、评判标准等。对石灰改良土进行粉碎、拌和、碾压等施工工艺研究，提出合理的施工参数及评判标准。 研究结果：通过实验验证设计并探讨适宜的路基结构形式及边坡防护形式；对不同膨胀土填料进行室内改良试验，提出满足本线路基工程要求的改良方案；提出改良土粉碎、拌和及压实施工工艺的试验成果及适宜的路堤填筑质量检验方法。研究结论：石灰改良膨胀土的塑性指标，相对膨胀土有明显改善，液限含水量基本保持不变、塑限含水量提高、塑性指数降低；掺石灰后，最佳含水量得到增加，而最大干密度则减小。