重复荷载作用下粉性路基土累积塑性变形研究

为研究不同含水率、压实度和应力水平下路基压实粉性路基土累积塑性变形影响因素与变化规律,开展了系列动三轴试验。根据累积塑性应变随加载次数的变化规律,获得了不同含水率、压实度下粉土的临界动应力。研究表明,粉性路基土临界动应力随压实度的提高而增大,随含水率的增大而减小。为避免路面结构的破坏,路基土应力状态应控制在临界应力界限范围内。鉴于此,针对路基土临界应力范围内的试验数据,建立了路基土累积塑性变形预估模型。该模型考虑了应力和加载次数的影响。回归分析表明,该模型具有较高的决定系数,即模型具有较高的合理性与可靠性。模型的建立为基于力学经验法的路基累积塑性变形计算提供了参数。最后以典型水泥混凝土路面为例,获得了不同轴载、轴型作用下粉土路基累积塑性变形,为进一步研究路基累积塑性变形对路面结构的影响提供了思路。     

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现：在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。     

循环荷载下路基压实粉土的临界应力与应变水平

通过动三轴试验,分析了不同压实系数、不同含水率和不同动应力水平条件下路基压实粉土的累积塑性变形特征、影响因素及演化规律,界定了循环荷载作用下路基压实粉土的临界动应力和动(回弹)应变水平。试验表明,路基压实粉土的临界动应力和动应变水平随压实系数增加而增大,试样含水率越低,变化速率越大;同时随含水率增加而降低,且含水率越高,降低速率越大。此外,还随静强度增加近似线性增大,回归分析得到比例系数分别为0.5204和0.0007。     

干密度对路基性能的影响研究

通过滤纸法试验,测得3种干密度下的土-水特征曲线,拟合得到3种干密度下的Van Genuchten模型参数,分析干密度对土-水特征曲线及Van Genuchten模型参数的影响。通过室内回弹模量试验,分析压实度和含水率对回弹模量的影响,并建立回弹模量与压实度和含水率之间的关系式。基于水力耦合机制,结合试验结果建立地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,计算地下水位从-6 m上升到-3 m后,路基的含水率和回弹模量分布以及路基的变形。计算结果表明,干密度对土-水特征曲线Van Genuchten模型参数产生显著影响,饱和体积含水率随着干密度的增大线性减小,残余体积含水率随着干密度的增大线性增大,参数a与进气值的倒数线性相关,参数n随干密度的增大线性增大;回弹模量随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;地下水位上升导致路基土的含水率显著增加,回弹模量明显下降,引起不可忽视的路基变形;不同填筑压实度下,地下水位变化引起的路基变形差异很明显,控制路基土的压实度是提高路基土性能的有效途径。     

高速公路路基结构分析及动变形设计方法

考虑汽车运动荷载,基于实测路面不平整资料,对影响动荷载的因素进行分析,提出了动力设计荷载参数的建议值。通过Odemark模量和厚度当量假定,将公路结构简化为3层体系,并利用弹性动力学原理及Fourier变换方法获得了路基顶面动变形的计算式。结合现有规范关于路面弯沉控制的思想,考虑路面路基的相互作用及协调变形,给出了路基顶面的动变形控制标准和确定方法,依据此标准提出了一种路基动变形控制设计的方法。最后以3种典型沥青公路结构为例,进行了路基动变形控制设计。     

含水率对路基压实土小应变剪切模量的影响规律

运营期内路基土的含水率会由初始碾压含水率逐渐增大至平衡含水率,含水率的变化将会导致路基土路用性能的演化。结合已有文献中压实土剪切模量随含水率变化的实测结果与室内补充试验数据,研究了不同条件下含水率及压实度对压实土剪切模量的影响规律。结果表明:压实度不变时,路基土剪切模量随含水率的增加而减小,且压实度越大,剪切模量降低得越快;在低含水率下,剪切模量随压实度的增大而增加,但在较高含水率下,剪切模量随压实度先增加后降低,且峰值模量对应的压实度随含水率的增加而减小;峰值剪切模量对应的含水率略小于最大干密度对应的最优含水率;压实土剪切模量随稠度呈先增大、后减小的趋势,但不同黏粒含量的土体获得峰值剪切模量的稠度状态不同,且峰值模量对应的稠度与黏粒含量具有良好函数关系。     

强风化软岩路基填筑适宜性研究

通过对强风化软岩压实特性试验研究表明,填料的承载比（CBR值）随压实度的增大而增大,填料具有良好的压实性能,可用于高等级公路路基填筑;同时,利用室内三轴剪切仪模拟接近实际的应力路径,对强风化软岩进行干-湿双线平行试验和在复杂应力状态下不同压实度的湿化变形试验,试验结果表明：路面不发生开裂或塑性破坏的临界应变值为2 %;随着压实度的增大,湿化变形随之减小;在围压200 kPa时,随着偏应力的增大,剪胀也增大。将试验成果用于湘潭市昭山大道路基填筑,提出了路基95区换填黏性土、湿法填筑和提高90区压实度等施工措施。     

基于电测法的路基土物理性质室内测试方法研究

路基土在长期服役过程中性能会发生衰变,其中含水率及压实度是路基施工时的重要控制指标,因此,土体的含水率控制及压实质量是关系路基性能评价的关键因素。为了弥补现有检测方法的不足,基于四极电测量法研发了一种土体物理参数室内快速测试装置,通过改变含水率对不同压实度土样的电阻率、极化率变化进行了一系列室内试验,得到了其相关关系及变化趋势,分析了含水率、压实度对电参数的影响,提出了依据土含水率、压实度计算电阻率、极化率的计算公式,探讨了测试方法的可行性。结果表明:不同地区土的电阻率均随含水率、压实度增加而减小,极化率随含水率、压实度的增加而增大,不同压实度下,土的电阻率、极化率随含水率变化分别呈现相似指数、对数特征;对于天津王庆坨地区壤土,压实度在84. 47%~94. 41%范围内,含水率从15%变化至20%时,电阻率下降为原来的1/3~1/2倍,极化率增大为原来的1. 4~2. 3倍,得到了室内拟合公式;实际工程中,电阻率法更适用于土体含水率检测,极化率法更适用于土体压实度检测;综合应用电阻率、极化率指标对于路基工程具有较好的勘探前景。研究成果将为路基土的工程性质检测及评价提供理论基础。     

红黏土路基填筑压实度控制指标探讨

红黏土属于一类典型的特殊土,路基施工规范指出,特殊填料进行填筑路基时可根据具体情况适当降低压实度要求,并且规定有些高液限、高塑指黏土不能直接作为路基填料填筑。利用某高速公路处的红黏土进行了重型击实和承载比试验,试验结果表明：红黏土在最优含水率附近具有很强的水敏性。最优含水率点对应的CBR值并非最大值,其最大CBR值对应的含水率大于最优含水率3%左右,在此基础上结合土体的强度、压缩性、胀缩性、渗透性等指标随压实度变化的规律,确定该桩号红黏土作为下路堤填料其压实度可降低2.5%,填筑含水率控制在35%左右。     

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

土基模量随季节变化规律及其数值的确定

土基回弹模量作为路面设计的重要力学参数,在我国路面设计方法中选取最不利季节的土基回弹模量值作为土基的设计强度,没有考虑一年中含水量变化对土基强度的影响,本文通过分析土基回弹模量随季节含水量的变化规律,借鉴AASHTO设计方法中不同季节模量对路面造成的相对损伤思想,推导出等效回弹模量计算公式uf=0.95107E-5d,提出用等效土基回弹模量值代替最不利季节模量值作为土基强度设计值,不仅能够提高土基自身的抗变形能力,还可以很有效的提高沥青路面结构的整体设计强度。     

多年冻土区路基尺度效应对路面结构力学响应的影响

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响. 结果表明：相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%. 高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏. 因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.     

黄河冲积粉土的密实度及含水率对力学性质影响

为研究黄河冲积粉土的工程力学特性,评价粉土路基的稳定性,通过室内试验,分析了粉土作为路基填料的基本物理力学性质,对比研究了不同密实度、含水率下粉土的强度与变形性状。研究表明,黄河冲积粉土的颗粒级配不良,难于压实,压实后空气体积率较大。最优含水率条件下,压实系数为0.90的粉土变形为软化型,随着含水率增加,试样的变形性状逐渐由软化型转变为硬化型,尤其围压高、含水率大时,塑性剪切位移更大;压实系数不超过0.85、含水率不低于最优含水率的试样,变形均为硬化型。压实粉土的黏聚力随压实系数减小或含水率增加显著降低,而内摩擦角的变化不大。压实粉土易产生湿化变形,土体的压实系数对变形量影响显著。     

高速铁路路基动态变形模量分析

通过兰新铁路第二双线路基试验段戈壁填料现场填筑试验,分析了动态变形模量Evd与路基填料以及与填土压实质量的关系。研究表明,Evd与静态变形模量Ev2的相关性很好,Evd与地基系数K30的相关性较差。通过ADINA三维动态有限元数值分析并结合现场检测结果,对Evd值的影响因素进行了分析。结果表明,Evd理论上与动模量Ed完全线性相关,Evd与Ed的相关性表达式与动摩擦角及动黏聚力有关;当填土动黏聚力较小时,Evd值随动黏聚力及动摩擦角的增大而增大,当动黏聚力增大到一定值以后,Evd值不再随动黏聚力及动摩擦角的增大而变化;Evd值与土体在冲击荷载作用下的抗剪强度有关,在既定的Ed下,当抗剪强度较小时,Evd值随抗剪强度的增大而增大;当抗剪强度达到一定值后,Evd值不再随抗剪强度的增大而变化。     

花岗岩残积土填料路用工程特性室内试验研究

为了研究花岗岩残积土的路用工程特性,通过击实试验、承载比CBR试验、固结试验以及室内基床系数试验分析了该类材料压实性能及基本力学特性,对压实度为92%的最优含水率和饱和压实土样进行了循环加载试验,研究了动力荷载作用下土体的变形特性。结果表明,花岗岩残积土在K为91%～97%时压实功效率较高,提高压实度对于增强土体局部抗变形能力较为有效;采用室内三轴法得到的基床系数K30值为188.25 MPa/m;最优含水率下花岗岩残积土动力变形稳定性较好,但含水率增加会大幅度增加土体塑性变形,降低土的动弹性模量,不利于变形稳定。所以作为路堤填料,应考虑作为受气候与动荷载影响较小的下路堤备用填料,作为铁路路堤本体及公路上、下路路床填料,应在进行土性改良且满足要求的论证基础上取舍。研究成果可为花岗岩残积土填料的工程应用及土体改良提供技术参考。     

湘南地区红黏土动态回弹模量试验与预估模型研究

湘南地区广泛分布红黏土,它具有天然含水率高、孔隙比大及结构性强等特点,可用于特殊路基填料。为获得红黏土的动态回弹性能,利用动三轴试验研究了偏应力、围压应力和体应力对红黏土动态回弹模量的影响。结果表明：动态回弹模量随围压和压实度的提高而增大,随偏应力的增大而减小;动态回弹模量受含水率影响较大,并在最佳含水率附近达到最大值。基于试验揭示的动态回弹模量与应力的相关性,采用3种应力相关的典型动态回弹模量预估模型对试验数据进行回归分析,进而遴选出最佳预估模型。误差分析表明,对于湘南地区红黏土,考虑偏应力和围压应力的回弹模量预估模型具有更高的决定系数,能更好地拟合红黏土的动态回弹模量。动态回弹模量试验结果和遴选的预估模型将为湘南地区红黏土路基设计提供试验和理论依据。