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.     

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...     

循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性分析

粗粒土填料作为铁路路基核心层,直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性决定了路基工作性能,但目前对粗粒土填料在列车往复作用下的动力变形特性研究不多。为探究行车荷载对基床粗颗粒土动力变形特性的影响规律,进行一系列粗粒土填料持续振动条件下的大型动三轴试验,包括不同动应力幅值(模拟不同列车轴重)、不同围压(模拟不同埋深下的侧压作用)和不同含水率(模拟不同雨水环境)等多种情况。获得路基粗粒土填料的临界动应力和累积应变随围压和含水率变化的系列关系数据和变化规律。试验结果对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具有重要参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

高速铁路路基B组填料振动压实参数优化室内试验研究

目前,高速铁路路基通常采用振动压实方式进行填筑,然而针对粗粒土填料振动压实参数选择的研究较少,且未考虑颗粒破碎影响.为研究高速铁路B组填料粗粒土在振动压路机作用的振动参数特性,进行室内振动压实试验,分析振动频率、激振荷载、振动次数对B组填料粗粒土压实特性的影响.研究结果表明:填料的干密度随着振动频率的增加而增加,随振动次数的增加呈迅速增长-缓慢增长-平稳增长3个阶段,随激振荷载的增加干密度存在一包络区域,发现选取填料最优振动参数时需同时满足2个条件即频率为最优振动频率且激振荷载大于第2临界荷载(CL2),并最终确定填料的最优振动参数为振动频率f∈[25 Hz,30 Hz],振动次数n∈[2500,5000]且激振荷载Ps大于110 kPa;振动压实作用下颗粒破碎主要以研磨破碎为主,颗粒破碎率随振动频率的增加而增大,并在最优频率区间时破碎率出现最大值.研究成果可为高速铁路路基填筑作业提供参考.     

高速铁路路基B组填料振动压实参数优化室内试验研究

目前,高速铁路路基通常采用振动压实方式进行填筑,然而针对粗粒土填料振动压实参数选择的研究较少,且未考虑颗粒破碎影响.为研究高速铁路B组填料粗粒土在振动压路机作用的振动参数特性,进行室内振动压实试验,分析振动频率、激振荷载、振动次数对B组填料粗粒土压实特性的影响.研究结果表明:填料的干密度随着振动频率的增加而增加,随振动次数的增加呈迅速增长-缓慢增长-平稳增长3个阶段,随激振荷载的增加干密度存在一包络区域,发现选取填料最优振动参数时需同时满足2个条件即频率为最优振动频率且激振荷载大于第2临界荷载(CL2),并最终确定填料的最优振动参数为振动频率f∈[25 Hz,30 Hz],振动次数n∈[2500,5000]且激振荷载Ps大于110 kPa;振动压实作用下颗粒破碎主要以研磨破碎为主,颗粒破碎率随振动频率的增加而增大,并在最优频率区间时破碎率出现最大值.研究成果可为高速铁路路基填筑作业提供参考.     

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。     

高速铁路粗粒土路基沉降特征及预测研究

为研究高速铁路粗粒土路基沉降特性,采用单点沉降计对无砟轨道路基实尺模型的沉降进行长期观测,结果表明,粗粒土填方路基的沉降主要由填筑引起的瞬时压缩、粗粒土引起的流变以及外荷载引起的变形等组成,其中路基填筑产生的变形占50%左右,粗粒土流变产生的变形占40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流变产生的变形占填筑后总沉降的比例可达80%,路基的最终沉降主要由粗粒土流变变形组成。根据粗粒土路基的沉降特性,采用开尔文流变模型构建了相应沉降预测函数。研究表明:基于开尔文模型的沉降预测结果与实测数据吻合较好,为高速铁路粗粒土路基的沉降预测问题提供参考。     

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.     

上海地区软土的循环累积孔压模型

基于上海地区饱和软土动三轴试验成果;通过对累积孔压和累积变形影响因素及发展规律相似性进行分析,将Parr提出的循环累积变形方程进行转换,引入动强度参数并提出等效循环动应力水平概念,建立能综合考虑列车荷载循环次数、静偏应力和和动偏应力耦合作用、固结方式等影响因素的上海地区软黏士累积孔压模型.结合试验结果对模型进行验证,确定不同试验条件下模型中试验常数.结果表明:模型能够较好地反映多种因素对软土循环累积孔压影响.模型仅适用于正常固结软黏土且循环应力比大于循环应力比阈值而小于临界循环应力比的情况.为提高模型计算和预测精度,用室内试验确定模型中试验常数值时,应采用跟现场实际相符的加载和固结条件.     

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。