地铁列车作用下软黏土的动力响应试验研究

土体动力特性的研究对地铁列车荷载作用下软黏土地基变形的控制具有重要意义,通过对广州地铁饱和软黏土进行动三轴试验,研究土体的动强度、动应力-动应变关系和动模量特性。结果表明:(1)在循环荷载作用下,该软黏土的动强度低于45 kPa;稳定型和破坏型的ε_d-N曲线变化规律不一致;(2)在同一动应力幅值作用下,当动应变低于动应变极限值时,频率对动骨干曲线的影响较小;(3)其他条件相同时,在振动中期,频率对动弹性模量的影响较小;在振动后期,动弹性模量的衰减程度随频率的增大而增大;土体动弹性模量随动应力幅值的增大而增大;(4)最后通过Hardin-Drnevich模型验证本文基于实验数据得到的新的归一化的试验参数是合理的,且新模型参数可为该地区同类地铁工程的软黏土动力特性研究提供参考。     

淤泥质粉质黏土温控动三轴试验

针对宁波市轨道交通2号线一期工程,利用温控动三轴试验系统,开展淤泥质粉质黏土的动力特性试验,研究温度、加载频率、动应力幅值对土体的累积塑性应变、动弹性模量、阻尼比和孔压等的影响。结果表明:淤泥质粉质黏土的动力特性发展规律受动应力幅值的影响很大,当动应力幅值接近临界动应力时,增大振动频率会降低临界动应力值;在相同应力水平下,淤泥质粉质黏土的强度随着温度的升高而增大,呈现热硬化趋势;在不同的动应力幅值、振动频率和温度下,淤泥质粉质黏土的动弹性模量和阻尼比随动应变的增大而减小,动应变随动应力比的增大而增大,近似呈线性增长。     

应变控制下的饱和黏性土动三轴试验研究

研究目的:应变控制条件下滞回曲线的形状、演化过程和特征描述等,与应力控制存在一定的差异。本文通过建立一种应变控制下的滞回曲线分析方法,对饱和黏性土的滞回环形态特征、动应力松弛、塑性变形及动弹性模量衰减规律进行研究。研究结论:(1)应变控制条件下黏性土的滞回环,随循环次数增加,由梭形逐渐收缩变成S形,且滞回环高度、宽度逐渐变小;(2)土体产生的塑性变形大小随总应变的增大而增大;(3)在动应变幅值不变的情况下,轴向动应力幅值的衰减主要发生在初始阶段,后期逐渐稳定;(4)等应变控制循环荷载下,土体动弹性模量随振动次数增加而迅速降低,并满足幂函数关系;(5)本研究成果可以应用于饱和黏性土地层中隧道结构的抗震及交通荷载影响分析。     

重载铁路路基粗粒土填料回弹特性试验研究

粗粒土填料广泛应用于重载铁路路基基床层,填料的物理和应力状态对重载铁路路基的回弹特性有重要的影响.为研究粗粒土填料在列车循环荷载作用下的回弹特性,开展一系列循环荷载作用下的大型动三轴试验,分析粗粒土填料在不同含水率、动应力幅值、循环振次、围压条件下回弹模量的变化规律.结果表明:饱和稳定试样,回弹模量约在1 000圈左右...     

不同加载频率及循环应力水平对人工冻融软土动力特性影响试验研究

近年来冻结法作为一种提高土体强度的手段被广泛应用于地铁隧道施工中,然而在列车循环荷载作用下冻土融化后会产生较大变形,影响地铁列车的运营安全。基于室内动三轴试验,研究列车加载频率、应力幅值和固结压力对冻融土体动孔压及应变的影响,得到地铁列车循环荷载下冻融软土的动力特性规律。试验研究表明:冻融后土体强度显著降低,且由于列车循环荷载作用会发生更大程度的下降。在地铁不同频率荷载下,其加载频率越低,动孔隙压力值越高,冻融后软土应变增幅明显。在相近循环应力比下,固结压力比应力幅值对冻融土动力特性影响更大。同时,基于试验数据,建立地铁列车循环荷载作用下的冻融土孔压累积模型,模型预测值与试验值较为吻合。     

循环荷载下级配碎石填料累积塑性应变及破坏规律研究

级配碎石作为重载铁路路基基床的核心填料,在大轴重列车循环荷载作用下的动力稳定性对于整个路基结构的服役性能至关重要。为探究循环荷载作用下级配碎石填料的累积塑性应变演变特征及破坏规律,以不同细粒含量的级配碎石为研究对象,开展一系列不同应力水平下的大型动三轴试验。试验揭示了细粒含量、围压、动应力幅值对该填料累积塑性应变及临界动应力的影响机制,并基于试验结果,提出不同深度级配碎石填料考虑细颗粒含量参数的临界动应力计算公式,明确了式中各参数的物理意义。研究成果有助于预测重载列车动力荷载作用下基床土体的变形,并对评价既有线路开行大轴重列车的适用性提供参考。     

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。     

循环荷载下地铁隧道基底风化泥质粉砂岩动力特性研究

通过对强、中风化泥质粉砂岩进行动三轴循环加载试验,对其低频循环荷载作用下不可恢复累积塑性动应变的发展规律进行研究,分别从不同动应力、静偏应力、围压、频率4个方面入手,对风化泥质粉砂岩的轴向动应变规律进行分析及对不同因素的影响程度进行比较。并对试验数据进行非线性拟合,建立强、中风化泥质粉砂岩在振动荷载作用下的累积应变预测模型。研究结果表明:强、中风化泥质粉砂岩在循环振动荷载作用下的动应变情况受动应力、静偏应力2因素影响较大,并随其增加而增大,但中风化泥质粉砂岩动应变趋于稳定需要的循环次数为2 000次左右,而强风化泥质粉砂岩仅需要1 000次左右;静偏应力从0 kPa增加至200 kPa,中风化泥质粉砂岩的动应变约增长5.97倍,而强风化泥质粉砂岩的动应变则增长约8.53倍,变化更为明显;围压的增大加速了强风化泥质粉砂岩样内部裂隙发展,而中风化泥质粉砂岩样内部裂隙发展受到抑制,从而表现出随围压增加动应变变化趋势相反的现象。     

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。     

循环荷载作用下饱和软黏土海床的刚度衰减模型研究

在地震和波浪等循环荷载作用下,海床内部产生循环应力、循环应变以及超孔隙水压力累积,可能造成饱和软黏土地基强度和刚度的降低,对桩基础的承载性能产生较大的影响。将反映土体软化特性的参数引入等效黏弹性模型中,建立考虑循环荷载作用下饱和软黏土刚度衰减以及动应力-应变非线性和滞回性的修正模型,基于动三轴试验结果反演获得饱和Kaolin软黏土的动力特性参数和软化特性参数。对有限差分程序FLAC^3D进行二次开发数值实现了该修正模型,并与动三轴试验结果进行对比验证;进一步采用修正模型研究了不同强度地震激励作用下的自由场海床响应,与离心机试验结果进行对比,验证了采用修正模型描述饱和软黏土海床地震响应的可行性。     

冻融循环作用下水泥改良土的力学性质研究

针对季节性冻土区的特殊环境,对冻融循环后的水泥改良土进行系列动静试验,研究土体的物理性状、力学特性与冻融次数、冷冻温度的关系。结果表明,反复冻融作用改变了土体的性状,这一改变过程是使土体内部结构从不稳定态向动态稳定平衡状态发展的过程;其应力—应变关系呈应变软化型,表现为脆性破坏,存在明显的剪切面;动荷载作用下,水泥改良土试样存在一临界状态,其破坏过程分为3个阶段:微裂纹出现、裂纹扩展和整体错动;经历3次冻融作用后,其临界动应力随冻融次数下降趋势变缓;动应力和冻融作用对水泥改良土的回弹应变影响显著;回弹模量存在一临界值,其值随冷冻温度的降低而降低。     

重载铁路路基低液限粉土动力变形特性试验研究

低液限粉土是朔黄重载铁路路基的主要填料,通过一系列室内循环动三轴试验,研究循环荷载频率、动应力比、固结度和饱和度(含水率)等参数对低液限粉土动力变形特性的影响。研究结果表明:低液限粉土填料的轴向累积应变-振次关系曲线分为稳定型和破坏型,轴向累积应变随动应力幅值增大而增大,动应力超过临界动应力值,累积应变明显增长直到破坏。累积应变随振动频率的增大而增大;随固结比的增大而减小;饱和度(含水率)越大,对应的累积塑性应变越大,到达破坏所需的破坏振动次数越低。建立"稳定型"和"破坏型"累积轴向应变-振次关系的经验公式:张勇经验公式和Monismith指数公式。研究结果对重载铁路路基动力稳定性分析评价具有参考价值。     

冻融作用下石灰土填料的力学特性研究

通过冻融循环后石灰改良土的力学试验,研究冻融对石灰改良土力学特性影响的规律。研究结果表明,封闭条件下,首次冻结和融化作用明显影响石灰土的力学特性,经历多次冻融后其力学特性逐渐趋于稳定;随着冻融次数的增加,石灰土的静强度、弹性模量和临界动应力逐渐衰减,经历6次冻融后基本保持稳定,建议工程应用中可采用6次冻融后的力学指标作为设计值;石灰土的临界动应力随围压的增加而增大,石灰土的临界动应力较素土提高约1.5倍;石灰土样的动应力应变关系近似双曲线,同一动应力水平下,动应变随冻融次数的增加而增大。     

土工振动击实试验的数值分析

在粗粒土最大干密度试验时,振动击实试验与锤击试验存在一定区别.通过ABAQUS软件建立振动击实试验的有限元模型,采用土体的竖向动应力和单位体积应变能作为对象,分析了不同的上层土体模量、激增频率、激振力和静压力等参数条件下的变化特性.结果表明,鳖向动应力沿深度变化较小,上层土体应变能随模量增大而减小,应变能随激增频率先增大后减小,激增频率为30～50 Hz时应变能较大,随激振力和静压力的增大而增大,激振力超过30 kN、静压力超过150 kPa后应变能增长较为缓慢.这为深入掌握振动击实粗粒土的工作机理提供了参考.     

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。     

循环荷载下冻土桩基力学特性研究

通过给冻土单桩模型上端施加循环荷载,分析循环荷载幅值、频率及冻土温度的变化对桩身应变、桩身轴力、桩侧冻结应力以及桩土相对位移的影响规律,开展循环荷载作用下冻土桩基力学特性的研究。研究结果表明:桩身应变随着加载时间先增加后稳定,且低温环境和小荷载条件下更有利于桩身应变的稳定;桩身的应变随荷载幅值及频率的增加而变大,随温度的降低而减小;桩身轴力沿着桩深不断减小,是由于桩侧土体使桩从上部开始受力;低温环境下桩身轴力相对较小,这是冻土地区桩基稳定的有利条件;桩侧冻结应力首先从桩基的上端发挥作用,并逐渐向下传递,分别增大荷载幅值、频率及降低温度都会增强桩侧冻结应力;桩土相对位移受荷载幅值、频率及温度的影响明显,频率能够影响桩土的承载模式。     

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。     

持续动荷载作用下基床粗粒土填料累积塑性应变试验研究

粗粒土填料在重载铁路基床层广泛应用,其受列车动荷载影响明显,研究基床粗粒土在持续动荷载作用下的累积变形有重要意义。通过制作不同含水率的粗粒土试样,对试样开展不同围压、不同动应力幅值的大型动三轴试验,分析试样在持续动荷载作用下轴向累积塑性应变的增长特点。基于安定理论,划分不同条件下试样的动力行为,探讨含水率对粗粒土试样累积塑性应变的影响,得出不同动力行为之间的临界应力表达式。建立塑性蠕变动力行为累积塑性应变预测模型,模型的准确性验证表明:此模型在动荷载重复次数N≥50 000时有较高准确性。试验结果对重载铁路基床层动力稳定性评价有参考价值。     

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。