季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作.考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布.在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用.建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用.     

冻结法在富水砂层暗挖施工中的应用

以采用冻结法作为联络通道暗挖辅助工法的西安地区某地铁联络通道工程为研究对象,基于实测数据及数值模拟,进行湿陷性黄土地区富水砂层冻结法暗挖施工的土体温度场、应力场及冻胀融沉规律研究。结果表明:积极冻结期,越靠近冻土帷幕内侧、周围布置冻结管越多,冻结壁的发展速率越快;积极冻结期土体降温梯度随径向深度增加而增大;泄压孔对冻土帷幕的冻胀力释放及冻胀位移控制具有显著作用,其压力突变可作为冻土帷幕交圈闭合的判别依据;以冻土最慢发展速率计算得出的积极冻结期偏于保守,同时"成冰公式法"可用于湿陷性黄土地区富水砂层冻结法施工中冻土帷幕平均温度的估算;土体开挖后,冻土帷幕在联络通道内壁上会发生向联络通道内侧的位移;土体开挖后联络通道内壁冻胀位移的有限元计算结果存在3类误差,即度量范围误差、地应力平衡误差和开挖尺寸误差,前2类误差可通过调整有限元计算结果的度量范围进行减小。     

循环荷载下冻土桩基力学特性研究

通过给冻土单桩模型上端施加循环荷载,分析循环荷载幅值、频率及冻土温度的变化对桩身应变、桩身轴力、桩侧冻结应力以及桩土相对位移的影响规律,开展循环荷载作用下冻土桩基力学特性的研究。研究结果表明:桩身应变随着加载时间先增加后稳定,且低温环境和小荷载条件下更有利于桩身应变的稳定;桩身的应变随荷载幅值及频率的增加而变大,随温度的降低而减小;桩身轴力沿着桩深不断减小,是由于桩侧土体使桩从上部开始受力;低温环境下桩身轴力相对较小,这是冻土地区桩基稳定的有利条件;桩侧冻结应力首先从桩基的上端发挥作用,并逐渐向下传递,分别增大荷载幅值、频率及降低温度都会增强桩侧冻结应力;桩土相对位移受荷载幅值、频率及温度的影响明显,频率能够影响桩土的承载模式。     

动荷载作用下高温冻土路基动力响应的模拟试验研究

高温冻土地区铁路路基,由于列车动荷载对土体产生扰动而影响其稳定性。通过分析影响冻土路基应力、变形及温度场等主要因素,建立冻土路基模拟试验装置;在路基内部及周围地表布设压力和变形传感器,并用自行设计列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行冻土路基动力响应模拟试验。试验获得不同动荷载频率作用下路基周围地表变形以及内部土压力的变化规律。试验结果表明:动荷载频率对地表竖向位移及路基土压力的影响均存在一个临界值,采用适当的列车行驶速度可减小对冻土路基的挠动;路基内部温度场监测结果表明,动荷载可引起土体局部温升,建议采用积极的防护措施以保护路基的冻结状态。研究成果可为维护青藏铁路路基稳定提供参考。     

寒区隧道地震响应的弹粘塑性分析

首先给出冻土的弹性本构关系方程，然后以大坂山隧道为例，模拟隧道的开挖和衬砌过程并考虑渗流体积力的影响；给出了隧道刚修好时隧道衬砌和围岩的初应力和位移。在此基础上模拟冻融循环过程，给出了考虑围岩的冻胀后，隧道刚好使用１年和５年时隧道衬砌和围岩的应力和位移。最后对寒区隧道的地震响应进行弹粘塑性的有限元分析。算例表明，寒区隧道衬砌和围岩的初应力和位移对其地震响应有很大的影响，在寒区隧道设计中应该充分考虑     

换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析

以沈哈线路基A、B组填料为研究对象,采用室内冻胀试验,研究粉黏粒含量对其冻胀特性的影响.试验表明:路基填料的冻胀系数随粉黏粒含量增加而增加,且增幅逐渐增大;结合沈哈线路基基床厚度及沿线最大冻深,为保证路基不产生冻胀破坏,应确保换填用路基A、B组填料中不含有粉黏粒.采用非稳态相变温度场的数学模型和热弹塑性冻胀模型,进行沈哈线换填试验段冻土路基冻融过程温度场及冻胀应力、变形场计算分析.结果表明:天然地面下2m左右为冻融活动层,是诱发路基土体冻胀的主要因素;用非冻胀性A、B组填料换填基床厚度范围内的冻胀性土层后,路堤填筑土体无冻胀变形产生,路基中的拉应力(拉应变)区域外移到距离路堤坡脚4m以外的天然地表下土体,大大减弱了对路堤的破坏作用,计算结果与实际情况相符.     

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。     

考虑锚杆加固时围岩较大屈服情况下应力应变非线性解

针对锚杆加固条件下围岩产生较大屈服的问题,通过建立锚杆加固塑性区径向和环向的等效弹性模量计算方法,充分考虑锚杆加固对塑性区弹性应变增量的影响,并基于广义Hoek-Brown强度准则与有限差分原理,提出应力增量法并求得注浆锚杆加固下应变软化围岩弹塑性应力、位移和塑性区半径的数值解。通过与已发表结果的对比,同时结合现场实测数据,验证本文所提理论方法的可靠性。研究结果表明：采用本文提出的理论方法进行围岩较大屈服变形评估将会获得相对较大的结果,因此,据此进行类似工程条件下隧道的注浆锚杆加固设计将会更加安全。     

考虑应力路径基坑变形计算及支护性能研究

基于半无限大弹性空间在条形荷载作用下应力的Melan解,首先根据基坑开挖过程应力状态的变化,建立基坑开挖问题的平面力学分析模型。利用Duncan-Chang曲线模型中的参数计算方法,推导加载和卸载模量公式,进而结合平面应变问题的物理方程和几何方程,建立平面应变问题的本构方程,得到基坑开挖后土体位移计算方法。然后建立土压力与支护结构位移的正弦和幂函数关系曲线,提出土压力计算方法。最后将理论成果应用于工程实践,将土体位移和土压力的理论值与实测数据进行对比分析。研究结果表明:该计算模型得到的基坑变形位移与实测结果吻合较好,验证了土压力与位移计算方法的合理性,同时由监测数据得到锚索预应力随时间的三阶段变化趋势,以及深层水平位移和坡顶竖向位移的匙形分布特点。     

寒区隧道应力和位移弹塑性统一解及对比分析

选择合理的屈服准则分析寒区隧道弹塑性解能为寒区隧道稳定性分析提供理论基础。为此，结合Mohr-Coulomb准则(即M-C准则)和外接圆Drucker-Prager准则(即D-P准则)分析得到考虑中间主应力效应的统一强度准则，建立寒区隧道弹塑性力学计算模型，基于线性非关联准则推导得出考虑围岩不均匀冻胀特性的寒区隧道应力场及位移场的弹塑性统一解，并对所得统一解答式进行算例及参数分析。研究表明：采用M-C准则计算偏于保守，而利用外接圆D-P准则计算偏于危险，考虑中间主应力效应能充分发挥围岩承载潜能，有效缩小塑性半径，缓解衬砌冻胀变形；统一强度理论参数b保持常数时，初始地应力、衬砌强度、不均匀冻胀系数及围岩体积冻胀率等参数的变化对寒区隧道应力及塑性半径变化影响显著。该研究成果可丰富寒区隧道工程设计理论。     

锚固结构荷载传递机理离散元模拟研究

研究目的:岩土锚固技术是岩土工程领域的重要分支,被广泛应用于土木、矿山、水电等工程领域,但关于锚固结构荷载传递机理的细观力学研究相对较少。本文依据现场试验,通过建立锚杆拉拔试验颗粒流数值模型,探讨不同荷载作用下轴力、锚固界面剪应力分布特征以及周边岩土体的细观力学特性。研究结论:(1)建立了锚杆张拉试验颗粒流数值模型,通过将计算结果与试验数据进行对比,验证了模型的合理性与有效性;(2)分析了锚固结构的荷载传递机理,其界面剪应力沿锚杆方向的分布是不均匀的:在弹黏性阶段,锚固界面剪应力以及轴力分布均为单调递减曲线;在弹塑性阶段,界面剪应力峰值点大致位于弹塑性变形区和弹黏性变形区的分界位置,并且随着张拉荷载的逐渐增大,界面剪应力峰值不断增大,峰值点不断向远端推移;(3)无论是在重力作用下还是受到拉拔荷载时,锚孔周边岩土体的强力接触力和弱力接触力基本垂直,在受到拉拔荷载时,周边岩土体的颗粒会发生重排列,导致强力接触力与弱力接触力方向产生强烈偏转;(4)本文研究方法与结论可为类似锚固结构的设计与力学分析提供理论借鉴。     

E2地震作用下减隔振桥梁的抗震设计

以某减隔振桥梁为例,建立该桥的三维有限元模型,考虑桩-土相互作用的影响,并根据混凝土和钢筋的材料特性,选取适宜的动力弹塑性本构模型,同时模拟了弹塑性减隔振球型钢支座,并采用人工拟合的3条地震动时程曲线对该桥进行了E2地震作用下的弹塑性时程分析,验算该桥在E2地震作用下的强度及变形。经过详细的验算与分析,验证了本桥设计的安全性和可靠性,并为实际工程中的非规则桥梁在E2地震作用下的抗震验算提供参考依据。     

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。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固体系端刺结构受力变形特性

通过在高速铁路正线上开展长期温度荷载下的原位监测和列车制动荷载下的实车试验,以及运用ABAQUS有限元软件的数值计算,进行高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道倒T型和Π型台后锚固体系的端刺结构在温度力和制动力作用下的受力变形特性研究。结果表明:在降温和升温过程中,端刺结构周围土体压应力较大值主要出现在主端刺摩擦板的下部和桥台方向首个小端刺的位置,端刺结构变形主要以顶部弯拉为主,整体纵向变形较小;在紧急制动荷载的作用下,钢轨纵向应力、端刺纵向位移均随着轴重的增加而明显增大,但端刺纵向位移绝对值较小,与温度荷载作用相比,紧急制动荷载作用对端刺结构的影响小。     

地铁隧道半断面水平冻结施工的水热力耦合特性研究

地层冻结是一个水、热、力三场耦合问题,基于考虑相变的水热力耦合理论,分析地层温度场、水分场随时间的变化规律,对比冻结前后隧道开挖的位移场分布特点。研究表明:随着冻结时间的增加,冻结管周边土体的温度将逐渐降低并发生冻结,出现冻结区域扩大、交圈、冻结帷幕增厚等变化过程;冻结帷幕内的冻土存在未冻结水,随着冻结时间的增加,大多数位置的未冻结水体积含量出现先增大后减小的变化趋势;建议在冻结帷幕两侧下方追加冻结管以保证实际的冻结帷幕达到设计范围,并对冻结管距开挖轮廓线的距离进行差异化设定。     

桥墩温度梯度对高墩大跨桥上无砟轨道影响研究

由于太阳光的辐射,桥墩的向阳和背阳侧就会存在温差,当桥墩高度较大时,墩顶就会产生较大的纵横向位移,带动梁体、轨道板、钢轨偏移,产生桥上无缝线路附加力。为了研究桥墩纵向温度梯度作用下对无砟轨道中轨道部件的受力和变形的影响,基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立线-桥-墩一体化模型,计算结果表明:仅考虑桥墩纵向温度梯度荷载时钢轨会产生较大的附加力,且随着桥墩刚度的增加,钢轨附加力也会增加。当同时考虑梁体升温和纵向温度梯度时产生的钢轨附加力小于两者单独作用产生的附加力。无论是仅考虑桥墩纵向温度梯度,还是同时考虑梁体温升和温度梯度,凸台受力和树脂变形均不会发生较大变化。     

铁路大跨度劲性骨架拱桥外包混凝土浇筑方案分析

为保证一座新建铁路主跨337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥主拱圈外包混凝土安全顺利施工,采用MIDAS/Civil建立施工阶段三维有限元模型,分析了不同纵向分段、横向分环浇筑方案对劲性骨架受力及挠度的影响.研究结果表明:采用多工作面浇筑可显著降低拱脚应力,改善主拱变形,但增加工作面对拱顶受力有利也有弊;增加截面横向分环可有效降低结构应力;综合考虑外包混凝土浇筑过程中的结构应力、变形、建设工期和大型临时设施的成本,采用三环六面法浇筑外包混凝土方案.     

吊钟岩特大桥劲性骨架拱桥转体施工控制技术

结合吊钟岩特大桥实际施工情况,对劲性钢骨架拱桥采用改进的平面转体合拢施工技术,再以骨架为支架进行拱上结构施工。大桥采用的平面转动轴心体系由平面转动轴心、内外保险腿和平面环形滑道组成。根据大桥实际结构,建立空间有限元模型,采用有限元分析软件ANSYS,按照桥梁结构实际施工加载顺序,进行结构应力和变形计算。在实际施工过程中,将大桥一定位置各阶段的应力和变形实际测量值与计算值对比分析,进行应力监控,使实际结构应力和变形均在合理控制范围内。实测值与计算值基本吻合,说明结构应力及变形在施工过程中得到了良好的控制。施工结果表明,平面转体施工技术对劲性骨架拱桥具有良好的适用性。     

轨道交通桥梁预制盖梁结构力学行为研究

通过运用有限元程序ANSYS、MIDAS和规范理论算法,研究轨道交通桥梁预制盖梁的结构力学行为,在施工和运营两种荷载工况下,对接口连接构造的力学行为和计算建模方法进行较为详尽的论述,以及对不同边界条件下的计算结果进行对比分析。从接口部位的环形焊缝应力、钢板与混凝土连接的钢筋应力和接口部位的混凝土应力分析结果可知,该接口构造的连接方案具有一定的可靠性和安全性,同时该研究过程和理论分析成果为其他工程的设计分析工作具有一定的借鉴作用。     

大跨度中承式铁路拱桥缓冲限位耗能装置研究

为研究适用于大跨度中承式铁路拱桥的限位减震耗能装置,保证高速列车的行车安全。基于弹塑性力学、材料力学等计算理论,建立大跨铁路桥梁缓冲限位耗能装置的简易设计方法,并运用MATLAB软件开发相应的设计软件。以郑万高铁某大跨中承式拱桥为工程背景,开展该桥限位耗能装置的关键设计参数研究,并利用ANSYS建立装置实体有限元模型,分析其力学性能及滞回耗能曲线。研究结果表明:建立的缓冲限位耗能装置简化设计方法正确,设计过程简便;设计的装置能够较好地控制列车牵引制动力引起的梁端位移,满足高速铁路对行车安全的要求。