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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

循环荷载下粉土路基土的变形性状研究

为探讨铁路既有线粉土路基的工作性状及病害机理,通过室内动三轴试验,研究不同密实度、不同含水率粉土路基土在不同动应力水平下的循环累积塑性变形规律。结果表明:循环荷载下粉土路基土的累积塑性变形随动应力的增加而增大,随试样含水率的降低而降低,随压实系数的增大而减小,且动应力水平越高、含水率越大、压实系数越小,变化趋势越明显;在既有线路基动应力水平范围内及路基土处于饱和含水率状态下,可用粉土路基土的压实系数0.93作为路基土破坏形态的分界点;粉土路基土的临界动应力约为静强度的50%。基于试验结果,以Monismith指数模型为基础,引入路基动应力与静极限抗剪强度的应力比系数,建立了能同时考虑动应力和土体物理状态条件的路基土循环累积塑性变形预测模型。模型计算值与试验值吻合较好,说明该模型能较好地预测粉土路基土的循环累积塑性变形。     

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。     

考虑道砟嵌入作用的有砟轨道基床表层变形行为研究

为研究有砟轨道道砟嵌入现象及其对基床表层变形行为的影响，开展以道砟碎石-基床粉土双层试样为研究对象的动三轴试验，分析道砟嵌入对基床表层变形行为的影响，探讨基于道砟嵌入指标的基床表层变形行为标准。试验结果表明，道砟嵌入使得道砟碎石-基床粉土试样的粉土表层出现道砟槽痕并发生侧向变形，同时承受动荷载的能力降低；提高动应力水平和增加粉土含水率会加剧道砟嵌入程度；道砟碎石-基床粉土试样的破坏模式可分为剪切破坏型和软化破坏型；基床粉土含水率较低时，道砟碎石-基床粉土试样整体变形主要源于道砟和粉土的压缩变形，而当粉土含水率较高时，道砟嵌入引起的轴向和侧向变形则较为显著；当粉土处于最优含水率时，道砟嵌入速率为2.9×10^-5 mm/s时道砟碎石-基床粉土试样达到塑性安定极限，而当粉土处于天然含水率和饱和含水率时，塑性安定极限对应的道砟嵌入速率则为1.4×10^-4 mm/s。     

动-静组合荷载作用下砂-粉土混合料水分迁移试验研究

应用自主设计的铁路路基翻浆冒泥物理模型试验系统开展动-静组合荷载作用下砂-粉土混合料水分迁移试验研究。试验结果表明:动-静组合荷载作用下非饱和段内试样含水量呈明显增长趋势,孔隙水压力经历了动荷载作用下的累积和静荷载作用下的消散过程,并由此导致试样轴向形成孔隙水压力梯度,孔隙水在该宏观势能梯度作用下发生迁移流动。通过试验探究了铁路路基中"抽吸"作用的本质和发展过程,并基于此提出铁路路基翻浆冒泥病害的一个新的形成机理。