不同压实状态浅季冻区膨胀土力学特性的冻融演化规律

为探究浅季节性冻土区不同密实状态的下膨胀土力学特性随冻融周期作用的演化规律，以取自平顶山的弱～中膨胀土为研究对象，配制不同密实状态的膨胀土试样，采用气候边缘地带浅季冻区极端低气温为冻结温度进行冻融循环与三轴剪切试验。试验结果表明：冻融循环作用下不同密实状态膨胀土的弹性模量、破坏强度及黏聚力均发生较大幅度衰减，内摩擦角则随冻融次数增加而呈现出波动性缓慢增长趋势；高压实系数膨胀土的“弱软化型”主应力差-应变关系随着围压和冻融次数增加而逐渐转变为“弱硬化型”;低压实系数膨胀土主应力差-应变关系为“硬化型”且随着围压增加而增强；相同密实状态与侧向约束围压时，膨胀土达到相同应变时的主应力差随冻融次数增加而迅速减小。     

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。     

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。     

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。     

循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性研究

新建隧道钻爆施工过程中,邻近既有隧道机制砂喷射混凝土支护结构往往会承受循环冲击荷载。为研究轴压对循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性的影响,采用改进的大直径分离式霍普金森压杆试验装置,开展4个轴压水平下的机制砂喷射混凝土循环冲击试验,分析循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土的动力特性。研究结果表明：轴压和冲击速度对机制砂喷射混凝土的破坏形态、峰值应力、峰值应变和应变率均有较大影响,轴压的增加能够有效抑制试样的变形;轴压相同时,冲击速度越大试样破坏所需的冲击次数越少,冲击速度相同时,试样破坏所需要的冲击次数随轴压增大而不断增加;冲击速度和轴压均相同时,随着冲击次数的增加,试样峰值应力和动弹性模量不断降低,峰值应变和应变率不断增加,轴压对试样动弹性模量的影响不显著;随着冲击次数增加,试样的累计比能量吸收值呈线性增加趋势,冲击速度相同时,轴压越大,试样破坏时所需累计比能量吸收值越大,亦即轴压的增加可以显著提高试样的耗能能力,从而减缓试样力学性能的劣化进程。     

CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆变形及力学特性动三轴试验研究

CA砂浆是板式无砟轨道的关键组成部分,起弹性垫层的作用。为研究CRTSⅡ型CA砂浆在围压和荷载幅值耦合作用下的变形及疲劳后力学特性,采用GDS三轴仪在5种荷载幅值(0.3,0.35,0.4,0.45,0.5 kN)和4种围压(0,200,400,600 kPa)作用下进行室内动三轴试验,得到累积应变及疲劳后峰值强度的变化规律,并对影响疲劳后峰值强度的荷载幅值和围压进行二元线性回归分析。结果表明:疲劳后的峰值强度随荷载幅值的增加而线性降低,随围压的增加而线性增加;围压增大,荷载幅值对峰值强度的影响减弱,荷载幅值增大,围压对峰值强度的影响作用增强;荷载幅值和围压二元线性回归分析的相关系数为0.973;同一围压下,累积应变随循环次数增加而增加,增长速度渐渐变缓;同一循环次数下,累积应变随荷载幅值的增加而增加,且随着围压增大,荷载幅值对累积应变的影响减弱。     

不同温降速率下岩石冻融特征研究

研究目的:川藏铁路横穿青藏高原东南缘地形急变带,是迄今为止人类历史上最具挑战性的铁路建设工程之一,在高纬度、高海拔等气候恶劣的地质环境条件下,极端的气温变化极易诱发路基和边坡变形。本文通过开展3种温降速率下干燥与饱水岩石的冻融循环应变试验,研究不同温降速率下岩石的变形特征,分析单次与多次冻融周期的应变-时间曲线、干燥与饱水岩石冻融应变的对比特征以及饱水岩石的冻胀机理。研究结论:(1)干燥岩石在冻融过程中,温降速率越快,在冷缩阶段和热胀阶段微应变变化得越快,3种温降速率下的残余微应变曲线基本一致,随着冻融循环次数的增加呈线性上升趋势,冷缩变形与热胀变形也随着冻融循环次数的增加而增大;(2)饱水岩石在冻融过程中,温降速率越快,残余微应变越大,微应变曲线上升越明显,冻胀幅度与融缩幅度也相应越大,且两者随冻融次数增加的变化规律大致相同;(3)通过干燥与饱水岩石冻融应变特征的对比分析可知,温降速率是影响孔隙中水冰相变的一个重要因素,结合对不同温降速率下饱水岩石冻胀机理的分析,归结出与试验结果相吻合的变形规律;(4)本研究结果可为寒区铁路工程中岩体变形规律的认知提供参考。     

反复冻融作用下粉质黏土的微观分形特征研究

粉质黏土作为一种常用的路基填料,受冻融循环作用的影响后其微观结构的变化直接导致路基强度的改变。为研究多次冻融后土体力学强度与微观结构的关系,以东北地区粉质黏土为研究对象,进行不同冻融循环次数下土体的扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及无侧限抗压强度试验。基于分形理论,分别计算土体颗粒、孔隙三维分形维数,并据此建立分形维数与力学强度的关系公式。研究结果表明:随冻融次数的增加,土体颗粒重新排列,整体性受到破坏,孔隙体积呈波动上升的趋势;试样含水量升高后,5~20μm孔径的孔隙含量逐渐减小,而0.3~5μm孔径孔隙含量增加;分形维数很好地反映了冻融循环过程中土体微观结构的变化特点,由分形维数与无侧限抗压强度构建的回归方程得知,分形维数越大,土体强度越大。     

重载铁路路基低液限粉土的动力特性

针对朔黄重载铁路路基不同饱和度的低液限粉土填料,开展了不同围压、不同动应力幅值的动三轴试验。分析了围压、饱和度、固结比等因素对低液限粉土动力特性的影响。结果表明:低液限粉土填料的动剪应力随围压的增大近似线性增大,随饱和度的增大而降低;抗剪强度随饱和度的降低而增大;破坏振动次数越大,对应的液化应力比越小;饱和试样的液化应力比随围压增加而增加,非饱和试样则反之;动弹性模量随围压和固结比的增大而增大,但饱和度对于动弹性模量的影响规律不明显。研究结果可供重载铁路路基动力特性评价和加固设计参考。     

透明砂土力学性质三轴试验研究

研究目的:透明砂土是利用熔融石英砂和具有相同折射率的孔隙液体配置的新型岩土工程材料。为深人了解其力学特性,本文采用三轴仪对粒径为0. 5～1.0 mm和1.0～3. 0 mm的熔融石英砂进行CU和CD试验,对比分析二者的应力应变、孔压、有效应力比等参数变化规律,并且通过试验分别计算得到粗砂和细砂的E-μ模型参数,为开展数值计算提供相应参数。研究结论:(1)松散的透明砂土试样应力应变曲线表现出硬化特性;(2)粗粒径试样应力应变曲线陡峭,达到峰值的速率较细粒径试样快;(3)固结不排水剪切试验粗粒径试样孔压值大于细粒径的孔压值,二者的孔隙水压力系数A_f随着围压的增大而呈减小趋势;(4)可以用透明砂土模拟天然土体,不同粒径的透明砂土可以表征不同土体;(5)该研究成果可为基于透明土技术的模型试验研究提供参考。     

短纤维对抗冻劣化特性影响的研究

采用真空成型的手段 ,大大减少了纤维的引气性 ,来研究短纤维对水泥基材料的抗冻劣化性能的影响。冻融实验结果表明 ,短纤维虽然不能完全阻止材料的劣化 ,但是却延缓了冻融破坏的速率。     

青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析

研究目的:本文对青藏铁路冻土路基在列车荷载下的结构动力进行了分析研究,为多年冻土区路基工程设计和铁路运营安全分析提供了依据。研究方法:以青藏铁路清水河多年冻土区试验段路基结构为工程背景,利用列车——轨道二维动力模型得到的道床底部列车荷载激励曲线,对冻土路基结构进行有限元时程反应分析,探讨冻融状态下路基的列车振动荷载效应。研究结论:无论是暖季融化还是寒季冻结状态,列车振动荷载产生的土体压应力都大大高于静荷载,车速对土体动应力反应有明显影响;冻结状态下,路基中下部土体的动力反应较大,而暖季融化时路基顶部土体对动应力有较显著的放大作用,因此,在工程设计和运营养护时应有针对性地对结构进行加强。     

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。     

持续荷载作用对粉煤灰混凝土冻融性能的影响

在不施加和施加持续荷载条件下,进行不掺和掺20%,40%粉煤灰的混凝土冻融试验,研究持续荷载作用对粉煤灰混凝土抗冻性能的影响。试验结果表明:与不施加持续荷载试件对比,施加持续荷载作用后粉煤灰混凝土的抗冻性能降低;粉煤灰掺量存在一临界值,对于C40混凝土,该临界值在20%～40%之间,低于该临界值,粉煤灰混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增大而提高,超过该临界值,粉煤灰混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增大而降低,且持续荷载作用会使该临界值变小;混凝土的抗冻性能存在陡劣点,持续荷载作用会使该陡劣点提前出现。根据试验结果,以陡劣点为阶段分界点,采用回归方法给出能够考虑粉煤灰掺量的混凝土冻融损伤两阶段模型。     

基于随机介质理论的土体融沉预测及其参数敏感性分析

为预测人工冻结法施工引起的地表融沉,以广州某地铁为研究背景,考虑土体压力的变化,运用随机介质理论建立马蹄形水平冻结融沉计算模型,分析对地表融沉有影响的各参数的敏感性。由计算结果得出,水平冻结引起的地表竖向融沉呈正态分布,在隧道中心处达到最大值;参数敏感性分析得出各参数敏感度从大到小依次为冻结壁厚度、土体主要影响角正切值、隧道埋深、融化与压密系数;最大竖向融沉随着冻结壁厚度、土体主要影响角正切值、融化与压缩系数的增大而增大,随着隧道埋深的增大而减小。     

人工冻结对南京砂液化特性的影响

针对长江中下游地区广泛分布的南京砂,使用GDS动三轴系统分别在地震荷载和地铁列车振动荷载作用下进行动三轴试验,研究人工冻结对南京砂液化特性的影响及其机理,并判别2种荷载对南京砂冻结施工的潜在危险。结果表明:在地震荷载和地铁列车振动荷载作用下,冻融循环均会明显降低南京砂的刚度和抗液化能力,首次冻融最为明显;冻融次数越多,冻融粉细砂的结构性越差,越容易发生液化;冻融循环将增大南京砂动孔压对动荷载响应的敏感度;冻结温度越低、有效围压越小,冻融循环后南京砂的抗液化能力越差;南京地区地震荷载对南京砂冻结施工的潜在危险较小,而来自地铁列车振动荷载的潜在危险较大。     

基于蒙特卡罗法的轨道交通建设用混凝土受冻服役寿命分析

为对不同地区轨道交通混凝土受冻服役寿命进行预测,并揭示主要材料参数的影响规律,以冻融试验模型为基础,结合对气象数据的分析,建立了室内冻融与自然冻融间的关系。考虑材料参数变化的随机性,采用蒙特卡罗法,分析了水胶比、含气量和粉煤灰掺量等主要参数对轨道交通混凝土受冻服役寿命的影响规律。结果表明:水胶比越大,受冻服役寿命越短,且影响明显;参数在合理范围内时,含气量增大,受冻服役寿命提高;粉煤灰掺量的增大使受冻服役寿命有所提高。     

混凝土在不同溶液中抗冻性能的研究

采用快冻法研究了纯水泥混凝土、FA混凝土和FA与SF双掺的混凝土在不同溶液中的抗冻性能。结果表明:不同混凝土在不同溶液中抗冻性能不同。在水溶液中,纯水泥混凝土的抗冻性要好于FA混凝土和FA与SF双掺的混凝土;在NaCl溶液中,FA混凝土和FA与SF双掺的混凝土抗冻性强于纯水泥混凝土;在Na2SO4溶液中,FA与SF双掺的混凝土抗冻性最强,FA混凝土次之,纯水泥混凝土较弱;在盐卤水中,混凝土一般不会发生冻融破坏,混凝土抗冻性取决于混凝土抗盐溶液化学侵蚀的性能。     

严寒地区无砟轨道底座板混凝土粉化整治技术

严寒地区无砟轨道底座板混凝土粉化病害已威胁到列车行车安全,须及时整治。本文阐明了严寒地区底座板混凝土粉化主要原因是混凝土抗冻性不足、无砟轨道结构排水不畅及冻融温度过低。根据底座板混凝土粉化的程度,提出了合理有效的整治技术,包括方法、材料和工艺。经对哈大客运专线60 m长底座板混凝土严重粉化试验段整治发现,填充防护层对底座板防护效果良好,其与底座板形成的叠层修复结构状态稳定。