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。     

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...     

高速铁路路基粗粒土填料动静力力学特性试验研究

考虑细粒含量和含水率的影响,开展高速铁路路基粗粒土的动静力力学特性试验,分析不同静荷载和围压作用下粗粒土填料的变形和强度演化特征,研究循环动荷载作用下粗粒土的动应力-动应变特性及累积塑性变形特征.研究结果表明,含水率较高时,细粒含量、围压等因素对粗粒土强度影响不明显,含水率较低时,细粒含量10％的粗粒土配比效果最优;动...     

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。     

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。     

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、...     

重载铁路粗粒土填料累积变形预测模型与应用

为研究重载铁路粗粒土基床层在循环荷载作用下的累积变形发展规律,开展了不同围压、动应力幅值和含水率的大型动三轴试验。分析了各种条件下粗粒土试样的轴向累积应变-循环振次的关系与变化规律,提出了一个适合路基粗粒土累积应变计算的预测模型,明确了模型参数的物理意义及确定方法,并应用该模型分析计算了不同轴重和填料种类的粗粒土基床层累积变形,此外还探讨了预测模型的适用范围。研究成果可为重载铁路基床层沉降计算提供理论参考。     

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。     

考虑颗粒破碎的高铁路基粗粒土填料循环压密本构模型

基于临界状态土力学基本原理,针对高铁路基粗粒土填料长期承受列车振动荷载特点,推导颗粒破碎与塑性功双曲线型经验关系式;考虑循环振次和应力比的影响,提出循环荷载作用高铁路基粗粒土填料颗粒破碎修正函数;依据经典塑性力学理论,修正得到能够考虑颗粒破碎的高铁路基粗粒土填料剪胀方程,进而建立循环荷载作用下半经验半理论的高铁路基粗粒土填料循环压密本构模型。采用向后欧拉法对本构方程进行离散,建立"弹性预测—塑性修正"数值算法,并进行程序二次开发,实现对循环压密模型的求解。通过与室内高铁路基粗粒土填料循环荷载三轴试验结果的对比,验证所建循环压密模型的准确性和适用性。该模型能够准确预测高速列车长期反复荷载作用下路基粗粒土填料的累积变形特性,且能够考虑颗粒破碎和应力比的影响,可用于计算分析高铁路基结构的应力和变形演化规律。     

高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性分析

路基振动变形影响列车运行安全与舒适性,开展高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性的研究具有重要意义。利用MTS加载系统和自制模型箱,构建室内粗粒土填料单元模型试验系统,模拟列车的动载作用,对粗粒土填料开展5万次循环加载试验,获得振动变形与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率对振动变形的影响。结果表明,在动应力幅值为25～200 kPa、加载频率为2～8 Hz的循环荷载作用下,粗粒土填料的初始振动应变为0.001 0～0.003 8,5万次加载后稳定振动应变为0.000 8～0.002 0;振动应变与加载次数呈负幂函数关系,且随动应力幅值、加载频率的增加而增大。根据试验结果建立路基基床振动变形分析模型,验证模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基的振动状态评价提供参考依据。     

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。     

基于大型动三轴试验和神经网络的粗粒土临界动应力研究

为研究基床粗粒土填料的累积塑性变形特性、动力稳定性和临界动应力，开展不同围压、动应力和含水量的系列大型动三轴试验。结果表明：粗粒土的累积塑性应变ε_p随动荷载振动次数N的关系曲线可分为破坏型、稳定型和临界型。建立分析ε_p-N曲线类型与土体围压、含水量及动应力相关性的灰色关联模型，结果表明曲线类型受围压、动应力及含水量的影响显著，且三者对决定粗粒土的动力稳定状态具有同等重要作用。构建预测粗粒土临界动应力的BP神经网络模型，分析表明粗粒土的临界动应力随围压增加而近似线性增大，随含水量的增加而非线性减小；综合试验和模型分析结果，提出考虑围压和含水量影响效应的粗粒土临界动应力经验公式。     

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.     

高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎演化特征研究

为揭示高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎过程,构建室内单元模型,模拟粗粒土填料填筑和列车荷载作用过程,重点探讨动应力幅值、加载频率及降雨入渗强度等因素对颗粒破碎的影响.利用2个颗粒破碎度量指标分析粗粒土填料的颗粒破碎过程.研究结果表明:粗粒土填料在填筑时,颗粒破碎方式以破裂、破碎为主,在动力循环荷载作用下,颗粒破碎方式以破裂、研磨为主;破碎指标Bg,ΔD随动应力幅值、加载频率的增大而增加,随降雨入渗强度的增加呈先增大后减小的趋势;粗粒土填料破碎后,粒径分布具有良好的分形特性,且分形维数D与颗粒破碎指标Bg存在良好的线性关系.利用试验结果建立了动力循环荷载作用下粗粒土填料破碎指标ΔD与累积应变ε的关系表达式.     

分级加载下铁路路基粗粒土 动力特性研究

利用大型动三轴试验仪对铁路路基粗粒土填料开展分级加载的循环三轴试验,分析围压、加载频率对粗粒土动应力-动应变关系、动弹模以及阻尼比等动力特性的影响。试验结果表明:随着围压或频率的增加,土体的动强度、动弹性模量和阻尼比均增大;动应变较小时频率或围压对阻尼比的影响较小,动应变较大时频率或围压对阻尼比影响较大。在试验基础上建立基于Hardin-Drnevich骨架曲线和符合广义Masing准则的粗粒土非线性动本构模型,并在ABAQUS中UMAT二次开发平台编制相应的子程序。通过与试验结果比较,验证了粗粒土非线性动本构模型的正确性。     

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。     

不同含水状态火山渣掺配土质砾砂改良填料动力特性及累积变形规律研究

具有多孔轻质特征的火山渣在水和列车动载耦合作用下的颗粒抗破碎能力及填料的变形和强度特性是影响其作为基床填料的关键问题。通过开展体积比3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料的室内动三轴试验,讨论了试样制备、动载及水和动载耦合作用下火山渣颗粒的破碎程度,分析了含水率及围压对改良填料临界动应力和累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:处于压实状态的体积比3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料在动载及水和动载耦合作用下的相对破碎率低于3%,颗粒破碎不显著;临界动应力随含水率的增大而减小,随围压的增大而增大,饱和含水状态对应的临界动应力较最优含水状态小42%,但仍能满足普通铁路对基床底层填料动力特性的要求。     

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。     

35~40t轴重铁路泡沫轻质土路桥过渡段力学特性试验研究

依托美国交通技术中心(TTCI)加速试验线(FAST)中的大轴重环线(HTL),通过实尺实车试验,分析泡沫轻质土路桥过渡段在大轴重实载列车动力作用下的应力传递规律和动态响应特性。研究结果表明:泡沫轻质土路桥过渡段动应力水平满足路基结构设计要求;列车轴重和列车行车速度对轻质土路基结构动应力影响较小;泡沫轻质土路桥过渡段动位移对深度较敏感,对列车行车速度相对敏感,对列车轴重较不敏感;泡沫轻质土路桥过渡段动态响应性能良好,整体动态服役性能较好,满足重载铁路各设计参数的要求。     

重载铁路路基基床不同改良厚度的动力响应研究

重载列车荷载对路基基床的影响较为显著,为探究北方风沙地区选择水泥改良的粉细砂作为基床填料后路基体的变形及动力稳定性。通过动三轴试验对比分析了不同掺入率水泥改良土临界动应力大小及不同围压下回弹模量的变化规律,进一步结合FLAC3D建立三维动力仿真模型,重点探讨了列车激励荷载作用下路基基床换填不同厚度的5%水泥改良土时动应力、沉降变形、振动加速度的变化分布规律。结果表明:5%水泥改良土临界动应力、回弹模量较原状土提高幅度最大;路基体竖向动应力、位移、加速度峰值均随深度增加而逐渐减小;路基基床对动应力的扩散抑制作用较强,动荷载传递经基床后平均衰减约83.5%;路基沉降主要产生在中上部,且随基床底层改良厚度增加路基顶部最大竖向位移逐渐减小,最大减小约45.6%;此外,振动加速度传播经改良后的路基基床衰减幅度较明显,约为69.4%。