高速铁路非饱和路基沉降特性及预测研究

工后沉降的准确预测是高速铁路设计与施工的关键,传统饱和土沉降预测曲线模型在非饱和土路基应用中存在拟合程度低、预测值偏小等问题。通过室内非饱和土一维固结试验分析基质吸力与干密度对非饱和土固结时间的影响规律,验证非饱和土沉降预测模型参数特性;并结合郑西高速铁路、石武高速铁路和秦沈客专典型断面的沉降观测数据,对比分析非饱和土沉降预测模型的适应性。结果表明,基质吸力对非饱和土固结时间有显著影响:固结时间随基质吸力增加呈现先增加后减少的趋势,因此,在一定基质吸力范围内,传统沉降预测曲线方法预测工后沉降存在预测结果偏小的风险;非饱和土沉降预测模型的两个参数与基质吸力分别存在指数与对数关系;应用实例表明非饱和模型具有拟合度较高且偏于安全的优点。     

不同浸水方式下泥岩膨胀变形及含水量变化规律研究

实际工程中地基泥岩当有地表水及地下水渗入时,将引起土体膨胀变形。本文以兰新高铁新疆段典型膨胀地段泥岩为研究对象,进行了单向顶部和单向底部不同浸水方式下土体膨胀变形试验,通过在土样不同深度处埋设湿度传感器测定含水量变化情况。试验结果表明:顶部和底部不同浸水方式下土体膨胀变形量随时间变化规律不同,顶部浸水时膨胀变形速度初期快,随后减慢并趋于稳定;底部浸水时膨胀变形初期缓慢,随后加速,后期减慢并趋于稳定。不同浸水方式下泥岩不同深度处含水量时程曲线变化规律相似,本文使用平均渗透系数量化不同深度范围内土体渗透性变化规律,顶部浸水时平均渗透系数随深度增加呈减小趋势;底部浸水时平均渗透系数随深度减小呈减小趋势。研究结果可为实际工程中不同浸水方式下土体膨胀变形和渗透变化分析提供理论支撑。     

瘦西湖隧道下蜀黏土土水特征研究

土水特征曲线(SWCC)作为表征非饱和土吸力与含水率关系的重要参数是研究非饱和土的关键,对于膨胀土而言,土水特征曲线又是分析其膨胀性能的重要指标。本文以扬州瘦西湖隧道下蜀黏土为研究对象,通过大尺寸渗析法和气相法两种方法测量了其土水特征曲线,在低吸力范围内(0~160 MPa)曲线存在明显回滞现象。结合3种不同数学模型对曲线进行拟合分析,发现Fredlund and Xing公式拟合最为准确。利用扫描电镜分析了不同含水率条件下的细观特征,试验表明:随着含水率的增加,下蜀黏土中的蒙脱石颗粒不断吸水膨胀,从而填充土体孔隙。     

固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响

为研究固结压力对泥岩填料孔隙分布以及土水特征曲线（SWCC）的影响，以非饱和泥岩填料为研究对象，采用压汞试验分析不同固结压力作用下的土体微观孔隙分布，探究孔隙随荷载的演变规律，并结合毛细原理提出基于压汞实验计算SWCC的方法。结果表明：土体中收缩孔隙的存在使得进-退汞曲线表现出显著的滞回性，且瓶颈效应使得压汞试验中土体小孔隙分布密度偏大，大孔隙分布密度偏小；选择分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分界限，可将其孔隙划分为5个部分，孔隙含量的变化以大中孔隙体积被压缩为主，小微和超微孔隙几乎不受固结压力的影响；干密度为1.5 g·cm—3时不同固结压力作用下的土水特征曲线可采用对数曲线表示。     

肯尼亚蒙巴萨地区膨胀土特性试验与边坡防护研究

本文通过室内膨胀率试验和剪切试验,探究了肯尼亚蒙巴萨地区重塑膨胀土的膨胀特性和抗剪强度特性,分析了初始含水率、初始干密度及干湿循环效应对其特性的影响,并提出针对该地区膨胀土边坡防护工程的相关建议。研究表明:(1)随膨胀土初始干密度的增加,膨胀率呈线性关系增大,黏聚力呈指数关系增大;(2)随膨胀土初始含水率的增加,膨胀率呈分段线性关系降低,黏聚力和内摩擦角呈线性关系降低;(3)干湿循环效应使得土体黏聚力出现大幅度的衰减。     

南水北调禹州段压实膨胀土膨胀性试验研究

以南水北调中线禹州段压实膨胀土为研究对象,通过对压实膨胀土样在不同初始状态下的含水率、干密度和竖向荷载的研究,并用多元线性回归的分析方法,提出了压实膨胀土的膨胀变形随初始含水率、干密度、竖向荷载这三个因素的变化规律,同时获得膨胀力随初始含水率和干密度这两个因素的变化规律。本文总结出压实膨胀土的膨胀变形和膨胀力的计算公式,并对计算公式进行了试验验证,证实了计算公式的正确性。试验结果表明,在实际工程中可以通过少量的试验得到计算公式的参数,并用文中提出的计算公式直接计算出膨胀量和膨胀力的值,以预测膨胀土体对工程可能产生的潜在危害。     

水平MJS工法黏土地层成桩特性及渗透性分析

为研究黏土地层中水平喷射注浆工法(Metro Jet System, MJS)的成桩性能和隔水能力,以苏州地铁临顿路站下穿工程为背景,在相似地层进行试桩试验,揭示水平MJS试桩成桩特性;同时,测试及对比室内水泥土与现场MJS水泥土的渗透系数,以评估其隔水性能。试验结果表明：当土层均匀时,加固体通常呈切割搅拌型,其形状受土层性质、施工参数和重力作用等影响,通常不是半圆形,其竖向“直径”常大于水平向“直径”;室内水泥土渗透系数和现场试桩芯样渗透系数接近,绝大部分样品渗透系数在2×10^-8～8×10^-8 cm/s的范围内,展现出较好的隔水性能。     

压实全风化红层泥岩填料力学特性及其影响因素

将全风化红层泥岩压实后用作高速铁路路基填料可以有效缓解西南地区优质填料缺乏的现状，但前期变形路径对压实全风化红层泥岩填料力学特性的影响规律尚不明确。为此，采用一维膨胀试验、直剪试验及压汞试验，研究前期变形路径对压实全风化红层泥岩填料力学特性的影响规律，并揭示其影响机理。结果表明：压实全风化红层泥岩填料在浸水后的膨胀变形可分为初次膨胀、二次膨胀及变形稳定3个阶段，初始干密度越大、初始含水率越低、竖向荷载越小，膨胀率和二次变形系数越大；初始状态相同时，膨胀-固结路径下压实全风化红层泥岩填料的膨胀率和膨胀力大于固结-膨胀路径下的；前期变形路径对抗剪强度的影响较小，但固结-膨胀路径下填料应力-位移曲线由软化向硬化的过渡较膨胀-固结路径表现出明显的滞后性；固结-膨胀路径下压实全风化红层泥岩填料特征孔径比膨胀-固结路径下的分布密度更低、数量更少。     

南宁膨胀土膨胀变形规律的试验与应用研究

通过不同初始干密度、初始含水率在不同垂直压力下的膨胀变形试验,研究南宁膨胀土的膨胀量与初始干密度、初始含水率以及垂直压力的相关关系。研究结果表明,膨胀量随初始干密度的增大而增加,随初始含水率和垂直压力的增加而减小;通过回归分析发现,膨胀率与初始干密度和初始含水率成线性关系,而与垂直压力成半对数线性关系。在此基础上,建立了南宁膨胀土膨胀率的三元回归方程,并通过某大型模型试验验证了该方程的正确性与实用性。本文所建立膨胀率三元回归方程为简便而准确地预测和估算膨胀土地基的膨胀潜势和差异隆起提供了依据。     

广义有效应力及剪切波速度与土的力学特性的研究及其在路基工程中的应用

在经典土力学中,许多理论都是建立在饱和正常固结粘性土和无粘性土基础之上的,现有的各种结构模型实际上也都是针对饱和扰动土和砂土而发展起来的,而工程涉及的现实土体,都具有不同程度的结构性,而且往往还处于非饱和状态.结构性土与正常固结土相比具有本质的不同,而对这类土的研究还没有形成成熟的理论.对于既有线路基土,其结构强度一旦遭到破坏,在短期内难以恢复.因此在既有线改造过程中,必须研究这类土的力学特性,保护土的结构强度,寻找适宜的检测与评估手段.如果将所有能有效增加颗粒间抗滑阻力的因素都折算成吸力的形式,认为土中存在等效的广义有效应力,那么所有类别的土就都能统一到广义有效应力理论[1,2]的框架之中.文章针对理论与工程实践中存在的这些问题,结合广义有效应力理论,进行了以下研究. 1 广义有效应力与膨胀土力学性质的研究为分析含水量或饱和度对土的强度及剪切波速的影响规律,论文以膨胀土作为研究对象,使实验现象得到强化,同时又便于实验因素的控制.在试验的基础上, 结合已有的成果[3,4],得到如下结论: (1)膨胀土在不同含水量时的压缩曲线对广义有效应力来说是归一的. (2)非饱和土的膨胀力是广义吸力变化的反映,文中再次证实了非饱和土第三强度理论[3,4](τs＝pstgφ或τs＝mpstgφ)的有效性,并指出其中的修正系数m与膨胀力的定义和测试方法有关,它的存在主要是因为常体积膨胀力测试终了时土样仍处于超固结状态.当采用未修正的常体积膨胀力时,m≥1;当采用修正的常体积膨胀力时,m≤1.修正系数m的值,除了可以由剪切与膨胀力试验资料的对比确定外,还可以由膨胀力测试终了后继续做压缩实验来确定. 2 剪切波速与广义有效应力     

考虑饱和度变化的高速铁路非饱和路基固结分析

饱和度对非饱和土的固结特性有明显影响,研究饱和度对固结变形的影响规律,有助于科学预测高铁基础工后沉降。基于Fredlund双参数理论和已有的一维固结解析解,求得非饱和土的一维固结速率。在考虑饱和度和渗透系数关系的情况下,结合典型算例,分析饱和度对固结特性的影响。研究结果表明:超孔隙气压力、超孔隙水压力的开始消散时间以及土体的开始变形时间均随着饱和度的减小而后延;高饱和度条件下的超孔隙气压力和低饱和度条件下的超孔隙水压力的消散速率更小,且消散过程更长;不同饱和度条件下的土体固结曲线在中前期都表现出相同的变形规律,但饱和度越大,土体固结时间就越短。     

南宁膨胀土变形时程性研究

研究膨胀土变形随时间的变化,通过对2组南宁膨胀土进行室内单向膨胀收缩试验,对膨胀土的线胀率和线缩率的时程性进行了研究。根据初始含水量及干密度不同情况下膨胀土有荷膨胀和收缩变形的时程性研究,得到以下结果：在半对数坐标下,线胀率曲线可分为三个阶段且该曲线与时间呈双曲关系;在双对数坐标下,线缩率和时间几乎呈线性关系。同时,结合回归分析给出本次试验研究的膨胀土的膨胀和收缩随时间变化的变形计算公式,并对得到的膨胀盟收缩曲线进行了拟合,精度很好。结合冬次研究,对膨胀土的变形机理从微观的角度进行分析并对不同压力及初始含水率对膨胀、收缩变形特征的影响进行了阐述。研究结果为分析膨胀土变形的时程特性提供了可靠的技术依据。     

破碎带地层盾构隧道建造关键问题

断层破碎带是引起盾构隧道施工灾害的关键因素之一，其形态各异、岩性复杂以及高渗透性，都极易导致隧道涌水、塌方等施工灾害，给隧道安全高效掘进带来了巨大挑战。总结分析断层破碎带的形成机理，包括破碎带地层的形成原因、破碎带地层的岩体性质及其与盾构施工安全之间的内在联系。重点介绍了近年来盾构隧道穿越破碎带所面临的刀具磨损、开挖面稳定控制、同步注浆质量控制、衬砌外水土压力确定、破碎带地质预报和地层处理等方面问题。结果表明：断层破碎带岩体破碎，黏聚力低，渗透系数从10^-5～10^-3 cm/s不等，且含水率较高；对于高水压断层破碎带管片结构防水应采取防、排结合，以排为主、以防为辅；含断层破碎带盾构隧道工程建设应做好断层破碎带的综合超前地质预报，将传统的地质分析法、超前钻孔法等与新型探测技术、数字技术相结合。研究结果可为盾构隧道穿越断层破碎带提供借鉴与指导，对进一步提高中国隧道及地下工程建设水平有着积极意义。     

平顶山膨胀土工程性质试验研究

通过试验获得了河南省平顶山膨胀土原状土样的线缩率、膨胀率和膨胀力等性能参数;对重塑土样进行了不同压力、含水量和干密度条件下的膨胀率试验,膨胀力、渗透系数试验,及反映抗剪强度的黏聚力和内摩擦角试验,为研究平顶山膨胀土的变形和稳定性提供了基础资料。用粉煤灰对平顶山膨胀土进行改性处理,通过室内试验研究了不同掺量情况下土样的工程性质,结果表明:在处理到最佳状态时,改良土样仍具有弱膨胀性。     

膨胀土与结构物接触面的力学特性试验研究

桩周土的性质是影响桩侧摩阻力最直接的决定因素。膨胀土具有吸水软化的特性,膨胀土中桩侧摩阻力的发挥受膨胀土性质的影响很大。通过改进的直剪仪,对12种不同含水量、不同干密度的膨胀土与混凝土块接触面进行直剪试验,研究膨胀土性质对接触面特性的影响。结果表明:膨胀土与混凝土块接触面的剪切曲线均呈加工软化型,其峰值剪应力、残余剪应力符合Mohr-Coulomb准则,因此可将膨胀土与结构物接触面的剪切曲线简化为三折线曲线;接触面切向刚度系数不随垂直压力而变化,但与膨胀土的性质有关,随干密度的增加而增大,随含水量的增加而减小;接触面的强度指标也随干密度的增加而增大,随含水量的增加而降低。     

湿陷性黄土地区新建铁路与水渠合理避让距离研究

黄土具有垂直节理发育、透水性好、遇水易湿陷和较强水敏性工程特征。本文在对比分析中兰铁路典型不同成因黄土物理力学性质的基础上，开展现场浸水试验，对不同成因黄土场地新建铁路与长大干渠合理避让距离进行研究。试验结果表明：当黄土渗透系数大于10^-4 cm/s、砂粒含量较大且结构疏松、孔隙发育时，铁路路基边坡外缘与水渠合理避让距离不小于20 m,对沉降敏感的高速铁路安全避让距离原则上需大于30 m;当黄土渗透系数小于10^-5 cm/s、砂粒含量较少且黏粒含量较高时，铁路路基边坡外缘与水渠合理避让距离不小于15 m。该研究结论对湿陷性黄土地区铁路工程地质选线具有一定参考价值。     

山区机场高填方碎石土压实性状研究

碎石土压实后具有强度高、变形小、渗透性好的优点,在高填方路基填筑中得到广泛应用.以贵阳龙洞堡机场飞行区扩建工程高填方体为工程背景,通过重型击实试验研究了碎石土的压实性状,得出了碎石土粗颗粒含量与干密度及最佳含水量呈二项式的关系,粗颗粒含量为81.25%时其干密度最大;通过理论计算出碎石土达到最小孔隙率时碎石的质量分数与试验值基本吻合,并通过可控含水量范围分析得出细颗粒含量越少,对含水量的敏感性越大,可控制范围越小的结论.     

膨胀土(岩)湿化性的影响因素及降低湿化性的途径和方法

通过对西南地区8种典型膨胀土(岩)的湿化性试验,研究了矿物成分、粒度成分和微观组构、裂隙性、胶结性和初始含水率对膨胀土(岩)湿化性的影响作用,讨论了重塑土样的湿化性受干密度的影响规律。亲水性粘土矿物和粘粒含量愈多,湿化后的颗粒愈细腻;裂隙密度Imf愈大,湿化速率υt愈快;但湿化速率υt却随胶结系数I的增大呈递减变化;初始含水率w与湿化率At的关系曲线呈降梯形分布,存在两个临界含水率w1、w2;干密度ρd与完全湿化时间t100的关系式为t100=AρBd,A、B为回归系数。最后总结了降低湿化性的途径和方法:①进行土质改良,降低湿化性,提高膨胀土(岩)强度;②对边坡进行合理的支挡防护,降低大气营力的作用程度,减少和控制湿化作用深度,提高边坡的整体和局部稳定性。     

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。     

高速铁路线路轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法及应用研究

为揭示高速铁路线路纵断面参数变化,以及和轨道不平顺、路基大桥沉降关系,针对国内尚无轨道纵断面参数动态检测装备,提出基于惯组的轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法。首先,建立转向架构架及惯性坐标系,并以重力加速度、水平加速度极小相关性为基准对齐两坐标系;其次,基于转向架构架纵向加速度解算轨面坡度,并补偿列车俯仰运动及与轨道平面纵向倾角误差;然后,以坡度测量值为基础解算竖曲线半径;最后,以高速综合检测列车为平台,在国内某新建高速铁路实车试验。结果表明：坡度和竖曲线曲率重复性偏差绝对均值分别为0.07‰、0.71×10^-3 rad/km,极差分别为0.22‰、0.005 rad/km。