炭质泥岩工程力学特性试验研究

研究目的:路基沉降问题一直是交通运输行业关注的重点。近年来,在西南山区公路、铁路建设中相继发现炭质泥岩这类特殊岩土,炭质泥岩亲水性强,受水后软化效应明显,这给沉降控制标准极高的高速铁路后期运营带来极大危害。本文结合桂广铁路某车站炭质泥岩段路基沉降治理工程,在室内通过物理、水理及力学性质试验,结合扫描电镜(SEM)试验研究该炭质泥岩的工程力学特性。研究结论:(1)炭质泥岩干密度越大,其膨胀率、膨胀力也越大;含水率越大,其体积收缩越明显,缩限含水率为7. 2%～8. 5%;(2)炭质泥岩颗粒呈多边形、面积较大的薄片状颗粒,浸水后颗粒崩解、面积减小,大孔隙明显增多;(3)炭质泥岩浸水前表现出明显的剪胀特性,浸水软化后表现为剪切压密,浸水软化前后其黏聚力和内摩擦角分别为112. 7 k Pa、4. 5 k Pa和29. 9°、8. 1°;(4)炭质泥岩软化后的压缩变形量接近浸水前的19. 6倍;浸水软化前后的压缩模量E_(s,1-2)分别为13. 0～15. 0 MPa和3. 0～5. 0 MPa;(5)本研究结果可为炭质泥岩地层的在建和拟建交通工程的设计与施工提供借鉴或参考。     

高铁复合结构路基荷载传递及沉降数值模拟

研究目的:高速列车运营荷载作用将导致复合结构路基产生沉降。由于高铁对路基沉降要求高,复合结构路基的荷载传递和沉降变形规律值得工程界关注。为研究高铁复合结构路基荷载传递以及沉降变形规律的影响因素,本文建立高速铁路复合结构软土路基三维有限元分析模型,将高速铁路列车运行荷载简化为均布荷载作用于轨道板以下的路堤顶面,分析桩长、桩间土模量和下卧层模量对桩身轴力分布、桩土应力比以及路基沉降的影响规律。研究结论:(1)桩身轴力随桩长增加而增大,路基沉降则明显减小;在不同桩长下,桩土应力比沿桩身距离路基中心水平方向位置的变化均表现为先增大再减小的趋势,10 m、12.5 m、15 m和20 m桩长下桩土应力比稳定值分别为6.8、10、13和17;(2)桩身轴力随桩间土模量增大而减小;在不同桩间土模量下,桩土应力比随桩身距路基中心水平位置的偏移先稳定后增大再减小,10 MPa、30 MPa和50 MPa桩间土模量下桩土应力比分别为30、12和7;(3)下卧层模量增大使桩端摩阻力增大,桩身中性点位置向下偏移;桩土应力比随水平位置偏移的变化规律同样是先增大后减小,下卧层模量增大能使桩的沉降明显减小,但对路基总沉降影响不大;(4)该研究结论可为高铁复合结构路基及类似工程设计和施工提供理论参考。     

湿陷性黄土铁路路基原位浸水试验研究

在湿陷性黄土铁路路基试验段,运用大型原位浸水试验,研究路基浸水后柱锤冲扩桩和挤密桩地基的浸水规律以及地基土湿陷对路基沉降的影响.研究结果表明:柱锤冲扩桩和挤密桩地基分别在浸水60和50d时,浸水附加沉降发生突变;浸水约19 d浸润角达到最大,因此路基坡脚附近因降雨或其他原因形成的积水滞留时间不应超过19 d;浸水87 d柱锤冲扩桩路堤的沉降量为1.7～5.1 mm,挤密桩为26.2～51.3 mm;长时间持续浸水后柱锤冲扩桩路堤的总沉降量仅为3.8～7.4 mm,而挤密桩路堤的总沉降量则高达62.3～103.1mm,因此在实际工程中,一定要加强挤密桩路段的防排水措施,避免局部积水,以保证行车安全;未处理湿陷性黄土地基的浸润角为38°～42°,故建议在湿陷性黄土地区修建铁路时,距路基坡脚一定范围内不能有鱼塘、水池等长期积水设施.     

高速铁路浸水路基长期稳定性试验分析

研究目的:与一般路基相比,浸水路基在水流冲击、淘刷、侵蚀及水对路基填土的软化、水位升降等不利作用下,经受列车循环荷载的长期作用,其稳定性更易受到威胁.为此,开展了高速铁路无砟轨道路基浸水条件下的循环荷载动态试验,进行了路基动应力、弹性变形、塑性变形、动孔压、自振频率等测试分析,以评价浸水路基的长期稳定性,验证设计方案的可靠性、合理性.研究结论:按时速350 km CRTS Ⅱ型板式无砟轨道浸水路基的受力边界条件,建立了动态试验系统.在试验9 ～13 kPa的动应力条件下,经过550万次的动载作用后,基床内动应力、动孔压、弹性变形处于比较稳定的状态,塑性变形为0.48～0.56 mm.从扫频试验结果来看,路基的自振频率比列车动载作用频率大很多,不会产生共振现象;振后路基的自振频率减小幅度很小,路基性能保持良好.试验设计采用的浸水路基防护、填筑方案是可行的,长期浸水条件下其性能稳定,能够满足无砟轨道对基床强度及变形的要求.     

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。     

水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析

研究目的:随着对铁路运输能力要求的提高和重载铁路的发展,铁路机车车辆轴重增大、运量增加、速度提高,铁路路基病害问题日益突出,因此需要探索一种在线路运营条件下路基结构的快速加固方法。本文采用基于Mohr-Coulomb的理想弹塑性模型对水泥土排桩加固重载铁路路基进行数值模拟,明确水泥土排桩对重载铁路路基变形的控制作用、加固效果以及水泥土排桩加筋对加固重载铁路路基的影响。研究结论:通过对水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析,得出以下结论:(1)路基顶面最大沉降值在重车线路中心线处;(2)水泥土排桩能有效地控制路基面的沉降和路基坡面的水平位移,并随着水泥土排桩排数的增加,对路基变形的约束作用越来越明显;(3)水泥土排桩加筋后明显的分散了水泥土排桩受到的拉应力,有效地提高了水泥土排桩的整体性;(4)加筋水泥土排桩是一种有效的加固方法,可以应用于重载铁路路基在运营条件下的快速加固。     

动载作用下桩网结构低路基双层土工格栅力学特性

研究目的:为研究列车动载作用下的土工格栅-桩间土-桩相互作用机理,建立桩网结构低路基加筋垫层双层土工格栅动力分析有限元模型,分析列车动载作用下的土工格栅的受力及变形规律。研究结论:(1)路基结构加筋垫层中,沿线路纵向方向的双层土工格栅其下层格栅拉力较大,列车荷载作用下,下层土工格栅的拉力增量较大;(2)上层土工格栅的竖向位移较大;沿路基横断面方向,上层土工格栅拉力较大,路基中心到坡脚的上、下双层土工格栅拉力的差逐渐减小;(3)列车荷载下的下层土工格栅拉力增量较大;(4)双层土工格栅能够减小其竖向位移和动荷载后格栅拉力的增量,进而减小沿线路纵向和沿路基横断面方向上的不均匀沉降,且较单层土工格栅更易发挥格栅的张力膜效应;(5)本研究可为铁路路基结构土工格栅工作机理分析提供思路和方法。     

桩板结构处理高铁采空区路基变形监测研究

研究目的:桩板结构是一种新型的地基加固处理技术,其用于高速铁路采空区上方无砟轨道路基尚缺乏成熟工程经验。本文以合肥至福州高速铁路上饶五府山车站采空巷道上方桩板结构路基为研究对象,通过现场变形测试试验获取沉降变形数据,研究采空区路基和桩板结构的变形特点与规律。通过本研究,拟探求桩板结构处理采空区路基变形特点与规律,确保工程安全。研究结论:(1)合肥至福州高速铁路上饶五府山车站采空巷道上方桩板结构无砟轨道路基沉降变形控制效果显著,预测工后沉降量仅0. 31 mm,小于5 mm的容许工后沉降量,满足规范要求;(2)采空巷道顶板的变形很小,在1 mm以内;(3)桩板结构加固高速铁路采空巷道上方路基效果很好,可在类似工程中推广。     

路基承载力与路堤稳定性及沉降关系研究

研究目的:路基承载力、路堤稳定性及沉降是路基设计的三个主要控制指标,为了确保路基工程安全,设计时一般均应分析验算。但目前我国铁路及公路路基设计人员对路基是否应进行承载力验算还存在一定分歧。本文通过分析路基承载力与路堤稳定性及与路基沉降之间的关系,探讨路基设计进行承载力验算的必要性。研究结论:(1)圆弧法分析路堤稳定性偏于不安全,在路基承载力不满足要求的情况下也可得出路堤稳定的结论;(2)当荷载接近或超过路基极限荷载时,路基会发生较大的侧向变形,现有的沉降计算方法不再适用,路基承载力满足要求是路堤沉降计算公式的应用条件;(3)路基承载力满足设计要求是保证路堤稳定、控制路基沉降变形的前提条件,因此,在路基设计中应进行承载力验算;(4)本文的研究结论可为进一步完善铁路及公路路基设计方法提供一定的理论依据。     

路基承载力与路堤稳定性及沉降关系研究

研究目的:路基承载力、路堤稳定性及沉降是路基设计的三个主要控制指标,为了确保路基工程安全,设计时一般均应分析验算。但目前我国铁路及公路路基设计人员对路基是否应进行承载力验算还存在一定分歧。本文通过分析路基承载力与路堤稳定性及路基沉降之间的关系,探讨路基设计进行承载力验算的必要性。研究结论:(1)圆弧法分析路堤稳定性偏于不安全,在路基承载力不满足要求的情况下也可得出路堤稳定的结论;(2)当荷载接近或超过路基极限荷载时,路基会发生较大的侧向变形,现有的沉降计算方法不再适用,路基承载力满足要求是路堤沉降计算公式的应用条件;(3)路基承载力满足设计要求是保证路堤稳定、控制路基沉降变形的前提条件,因此,在路基设计中应进行承载力验算;(4)本文的的研究结论可为进一步完善铁路及公路路基设计方法提供一定的理论依据。     

动荷载下软土路基变形规律研究

研究目的:为研究列车循环荷载下的路基变形特性,找出路基中土的动力特性.本文首先介绍了胶新线试验段的基本情况,从理论上分析计算了路基沉降与时间的关系,给出了路基计算模型与路基土本构方程.进而通过研究列车动荷载下的路基弹性变形与塑性变形特性,得到路基动应力衰减曲线.研究结论:(1)实际中应变波是在有限深度内传播的,一般在路基面以下5 m弹性变形很小.弹性动应变所占比例很小,不足0.06%,而且随着深度逐渐减小,所以弹性动应变对松软土路基工后沉降的贡献很小;(2)在动载试验150万次后,测得路基的塑性变形值为:级配碎石基床表层塑性变形为27.35 mm,松软土地基塑性变形为2.67 mm.动荷载对工后沉降的贡献主要体现在路基基床部分,工后沉降在列车运行1年后趋于稳定.     

路桥过渡段路基工后沉降监测试验研究

研究目的:台背路基沉降是路桥过渡段差异沉降和桥头跳车的主要原因。为探讨路桥过渡段路基在自重应力和汽车荷载作用下的工后沉降,在兰永一级公路某一路桥过渡段布置单点沉降计对过渡段路基工后沉降进行长期监测,即分别在桥梁台背行车道和路肩位置布置两列沉降计,对路基的沉降及稳定性做长期观测,分析路基沉降随时间和空间的变化规律,从而为公路建设中路桥过渡段沉降研究提供基础数据。研究结论:(1)路肩位置沉降大于行车道位置沉降;(2)路基沉降随时间增加而增大,过渡段路基填筑结束1年后沉降趋于稳定;(3)汽车荷载作用下路基沉降不会出现较大的增长趋势;(4)对数模型能较真实地反映路基工后沉降规律;(5)本研究结论可为路桥过渡段的设计和施工提供指导。     

静动荷载下桩网结构路基土拱效应细观分析

研究目的:为研究列车荷载下桩网结构路基中土拱效应的形成机理和受力特性,本文通过建立桩网结构路基简化离散元模型,利用PFC~(3D)软件对土拱效应机理进行细观研究,分析颗粒间的接触力链、颗粒的横向及竖向位移以及路基中的颗粒应力竖向分布。研究结论:(1)动荷载作用后,桩间土应力增加,土拱效应被削弱;(2)动荷载作用下,路基中会形成动力土拱,大部分动力会沿动力拱传递至桩顶上方;(3)等沉面的形成与位移拱有关,位移拱范围内桩顶上方颗粒挤入桩间土区域,从而导致位移拱范围外桩顶颗粒竖向位移增大,而桩间土颗粒竖向位移减小;(4)路基中设置土工格栅会降低土拱高度,削弱应力拱内多个虚拟土拱的作用,但比土拱更能提高桩土应力比;(5)本研究结果可为铁路路基结构工作机理分析提供思路和方法。     

京津城际路基沉降数值模拟与原位观测对比分析

研究目的:京津城际轨道交通工程天津段内广泛分布软土,其成因类型主要为冲积、海积,局部为湖沼堆积;岩性为各类黏性土、粉土、砂类土等,夹淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土.上述土体含水量、孔隙比较大,所以在路堤荷载及列车荷载作用下的沉降变形较大.为满足无砟轨道对路基工后沉降的要求,路基基底采用CFG桩复合地基进行加固.由于复合地基受力状态复杂,对其进行工后沉降预测较为困难,本文采用数值模拟和原位数据对比分析的方法对路基的工后沉降进行预测.研究结论:(1) 采用数值模拟及原位测试数据对比分析复合地基的沉降变形规律,得出桩间土的压缩主要发生在桩长下部的1/4～1/6桩长范围内,桩端的刺入量占总沉降值的20%～30%;(2) 由实测的沉降-深度分布曲线可以得到,桩端以下土体压缩层厚度为桩平面分布宽度的1倍左右;(3) 有限元计算所得的最大沉降量和工后沉降量,与观测值相比较为接近,采用有限元计算结果推断的工后沉降差异,小于根据实测值采用经验公式得到的推断值,因此在沉降计算中应推广有限元方法.     

灰土桩加固既有铁路路基关键技术研究

研究目的:采用灰土桩加固铁路路基的方法由来已久,但灰土桩加固既有铁路路基的设计理论尚不完善,对于灰土桩的加固效果、加固后的沉降值大小、灰土桩的参数优化均需要通过数值分析及试验得出结论。基于此,本文以灰土桩加固大准重载铁路路基为工程背景,借助有限元软件对桩轴倾角、桩径、桩距、桩长等因素对灰土桩加固既有铁路路基效果的影响进行了研究。研究结论:(1)灰土桩采用45°倾角时可兼顾加固深度及应力分布均匀性;(2)根据铁路路基实际尺寸合理选择桩径,一般桩径宜取0. 25～0. 3 m;(3)桩间距取3-4倍桩径时加固效果最好;(4)对斜向灰土桩复合路基设计参数的调整优化,应首先考虑桩长的影响,在合理范围内尽可能增大桩长,其次选择合理的桩轴倾角、桩径及桩间距;(5)本研究成果可为灰土桩加固既有铁路路基的工程设计和安全评价提供理论依据。     

湿陷性黄土区公路涵洞地基处理措施效果研究

研究目的:湿陷性黄土地区公路涵洞病害时有发生,为解决湿陷性黄土地区公路涵洞因地基处理不当而导致的工后沉降变形过大等问题,本文以青海省新建民小一级公路沿线Ⅲ级自重湿陷性黄土地区的两座涵洞为工程实例,采用换填法和灰土挤密桩法分别对两座涵洞进行地基处理,对其处理效果和地基沉降变形特征进行研究,以期为不同地基处理方法在湿陷性黄土地区公路涵洞地基处理中的应用提供参考。研究结论:(1)换填法和灰土挤密桩法都能有效减弱或消除湿陷性黄土地区涵洞地基因浸水而引起的湿陷变形,可较大幅度地提高涵洞地基承载力;(2)灰土挤密桩法对提高地基土压缩模量比换填法更有效;(3)通过现场监测得到,换填法和灰土挤密桩法涵洞地基的一年累计沉降量分别为25.0 mm和18.2 mm,分别完成最终沉降量的79.9%和78.1%,两种复合地基的沉降变形呈现先增大后趋于平缓稳定的变化趋势;(4)经换填法和灰土挤密桩法处理过的涵洞地基累计沉降量都在稳定可控的范围内,能够有效提高涵洞结构的安全性,相比于换填法,灰土挤密桩法对降低湿陷性黄土压缩变形、提高地基承载力更为有效;(5)本研究成果可为湿陷性黄土地区涵洞地基设计和病害防治提供理论指导和科学依据。     

大面积深基坑工程对高速铁路的影响性分析

研究目的:本文以某大面积深基坑为工程背景,该基坑邻近既有高速铁路桥梁及路基段,为确保施工期间铁路运营的安全性、降低施工风险,文中依据现行规范建立合理的高速铁路安全评估标准,经有限元模拟,分别对高速铁路路基及桥梁的沉降、相邻桥墩差异沉降、横向水平变形、纵向水平变形、轨道平顺性以及桥梁基础结构安全性等进行计算分析并给出合理的评价,从而确保基坑工程施工过程中高速铁路运营的安全性。研究结论:(1)高速铁路路基、桥梁叠加初始设计值后,各施工阶段的累积沉降值满足规范中15 mm、20 mm的限值要求;(2)高速铁路桥梁叠加初始设计值后的累积差异沉降满足规范中4 mm的限值要求;(3)叠加初始设计值后,各施工阶段横向水平变形均小于规范限值15.75 mm,纵向水平变形均小于规范限值28.06 mm;(4)在整个施工过程中,正线桥梁单桩承载力值均满足单桩容许承载力要求;(5)该研究成果可为邻近高速铁路的深基坑开挖等类似工程领域提供借鉴。     

重载铁路泡沫轻质土路基结构变形试验研究

提出了一种适用于重载铁路的泡沫轻质土路基结构,对泡沫轻质土物理力学性质进行了试验研究。建立35～40 t轴作用下重泡沫轻质土路基结构有限元模型,计算分析了路基动荷载的幅值、分布、传递规律、作用深度。在室内开展了泡沫轻质土路基结构实尺模型试验,结果表明,在大荷载疲劳条件下,动变形小于0. 36 mm,累积变形小于0. 80 mm。泡沫轻质土路基结构性能较好,具有较为稳定的抵抗变形的能力。     

黄土区高速铁路挤密桩地基沉降控制效果研究

沉降控制是湿陷性黄土区高速铁路建设中的技术难题.本文以郑西客运专线湿陷性黄土路基试验工程为依托,通过开展沉降变形观测、大型浸水试验、路基沉降预测,对高速铁路技术条件下水泥土挤密桩地基的沉降变形特性、湿陷性消除效果、沉降控制效果等进行了研究.研究结论:挤密桩最大处理深度一般不超过15 m.本试验场地采用15 m挤密桩处理,恒载预压6个月路基的剩余沉降量便已满足铺设无砟轨道对路基工后沉降的控制要求,浸水后该地基加固层仅出现了极少量的沉降,加固层的黄土湿陷性已完全消除.在湿陷性黄土厚度小于15 m的场地,采用挤密桩处理地基是一种有效的沉降控制方法.     

武广高铁武汉综合试验段软土复合地基沉降分析

研究目的:不良地质环境条件下路基工后沉降的控制是高速铁路设计中的关键问题,过大的路基工后沉降会对高速铁路的运营产生不良影响。本文以武广高速铁路武汉综合试验段为例,运用有限元法对软土段采用CFG桩复合地基处理后的沉降特征进行研究。研究结论:(1)随着路堤填筑高度的逐渐增加,路堤高度越大其沉降量越大,复合地基CFG桩端沉降量随距路堤中心距离增加而减小,且在路堤顶面宽度以外快速衰减;(2)CFG桩与填土应力比随路堤填筑高度的增加而减小,桩土所承担的荷载分布更加均匀,桩土应力比随距路堤中心的距离增大而增大,路堤中心处桩土受力更均匀;(3)孔隙水压力随填筑高度增加而迅速增长,加载完成后便开始逐渐消散,路堤填土一年后,路堤中心处的孔压基本扩散均匀,约为38 kPa;(4)该研究成果可为高速铁路软土复合地基沉降控制提供参考。