青藏高原多年冻土地区铁路路基工程动力稳定性分析

科学合理地分析铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理,对于多年冻土区路基工程稳定性预测有着重要的指导意义,同时对于在青藏高原多年冻土地区建设高坝大库等重要水利工程的动力稳定性分析也具有重要的借鉴作用。通过选取青藏铁路北麓河段典型块石路基结构开展机车通过实时强震动测试,获得了机车通过时的实时加速度数据。在现场测试的基础上,基于有限元分析软件, 运用二维非线性动力响应分析方法对多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下动力传递特性、位移响应特性和应力应变特性进行了数值模拟分析,并通过对比分析素土路基的动力响应特征,科学分析青藏铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理。研究结果表明,块石层的铺设可以有效限制机车荷载产生的加速度向路基深处传递,减小机车振动对路基结构的影响,有助于保护冻土路基的稳定性;块石层的铺设可以较好地减小机车荷载作用下路基的沉降变形,在相同机车荷载作用下块石结构路基的最大沉降量仅为0.9 mm,而素土路基的最大沉降量可达1.9 mm;块石层的铺设可以改变机车荷载作用下路基内部的应力应变状态,使得路基内部最大主应力增大,而最大剪应变幅值、范围均减小。     

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明：含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。     

地震-列车移动荷载耦合作用下高铁路基振动特性研究

基于轨道结构-路基-地基动力相互作用理论,建立考虑地震-列车移动荷载耦合输入的轨道结构-路基-地基动力学模型,研究高速铁路路基及轨道在耦合荷载作用下的振动响应问题。通过编制DLOAD子程序并与ABAQUS有限元计算程序联立,实现地震荷载与列车移动荷载耦合作用的施加,以高速铁路桩承式路基及自由式路基为研究对象,对地震-列车移动荷载耦合作用下两种路基系统的动力响应进行数值计算并比较两者的振动响应差异。结果表明,耦合荷载对桩承式路基动力响应影响显著,该荷载作用下桩承式路基会发生共振现象,使得桩承式路基中轨道和路基振动位移幅值均大于自由式路基的振动位移幅值;桩承式路基不会影响路基系统的振动频率,但会改变路基系统的振动大小,桩承式路基中轨道X方向加速度、路肩边及路基坡脚处的竖向加速度分别减小6.2%、50%、28.6%。     

多年冻土区道路工程病害类型及特征研究

多年冻土及多年冻土区恶劣的环境给工程构筑物的建设及维护带来了极大的挑战。以青藏工程走廊内的青藏公路、青藏铁路两大道路工程为研究对象,系统论述了其路基工程、桥梁工程、涵洞工程的主要病害类型及分布特征。现场调查显示,青藏公路80%的路基病害由多年冻土融沉所引起,主要表现为严重的不均匀沉降变形和纵向裂缝,且主要发生在高填方路基上。这两种病害与多年冻土地温及含冰量密切相关,地温越高,含冰量越大,病害越为严重。青藏公路桥梁工程的病害主要集中在附属工程及上部结构上,而涵洞工程病害则主要由冻胀、融沉作用、泥石流淤积、冰塞以及施工原因导致。青藏铁路沿线现场监测及调查结果表明,目前铁路路基病害主要为高温冻土区普通路基的（不均匀）沉降变形、纵向裂缝、路桥过渡段沉降变形、风沙灾害及块碎石材料风化引起的冷却路基结构失效等。此外,青藏工程走廊内广泛分布着包括冻胀丘、冰椎、冰幔、热融湖塘等不良冻土地质现象,当上述不良地质现象与工程接近时,会对道路工程的稳定性造成威胁,严重时可导致一些工程病害的发生。     

循环荷载作用下硫酸盐渍土路基动力特性试验研究

以朔黄重载铁路某区段硫酸盐渍土路基为研究对象,基于GCTS空心圆柱扭剪仪,模拟重载列车运营时正向和水平向循环应力耦合的荷载条件,研究硫酸盐渍土路基在往复荷载作用下的动力特性。试验结果表明,循环围压限制了路基土体变形,使盐渍土累积应变发展速率减小,回弹模量增大;同时路基土体累积应变和回弹特性受循环偏应力影响,随循环偏应力幅值的增大,累积应变增大,回弹模量减小,在较大偏应力幅值下,回弹模量在加载早期下降明显,土体结构破坏较大,实际工程中应增加路基的侧向约束,以提高路基土体的稳定,限制盐渍土路基沉降,同时应严格控制重载列车的载重;试验存在临界加载间歇,累积应变的发展规律在间歇前后差异较大,并随加载间歇的延长而降低,基于此,在实际应用中,应根据重载列车型号的不同,适当控制车速。对试验结果进行拟合,得到了累积应变随循环振次的发展模型,为预测和防治硫酸盐渍土路基沉降提供理论依据。     

土工格栅在复合地基中对桩与土的作用机制数值分析研究

土工格栅加筋垫层复合地基近年来在处理软土路基中得到了广泛应用,但土工格栅在复合地基中对桩与土的作用机制,尚无系统研究。基于弹塑性摩尔库仑模型,采用PLAXIS有限元软件,详细分析了无土工格栅和有土工格栅在不同抗拉强度下对路基沉降、侧向位移,桩的轴力和剪力以及基础的应力扩散等影响,得到土工格栅能有效减少路基沉降及侧向位移等结论,对于路基工程中土工格栅强度的选取及其它应用具有一定的指导作用。     

探地雷达在公路路面变形沉降检测中的应用

路面变形沉降是公路深层隐性病害的外在表现,不仅会降低路面平整度和行车舒适度,甚至会诱发翻车、撞车等严重交通事故,而且也是路面塌陷的前期征兆.探地雷达是一种有效的浅地表地球物理成像方法,利用探地雷达对其进行精细化检测,可以快速查清路面变形沉降区域下方潜伏的深层隐性病害,依据探地雷达波场特征识别隐性病害的类型(如裂缝、土质疏松、沉降、脱空、空洞等),定位其水平位置、埋深、空间范围和走向,评价其严重程度或病害等级,找到路面变形沉降的根本原因,从而为对症下药,制定针对性的非开挖处治设计和维修治理提供科学依据.     

移动荷载下高速铁路轨道-路基的动位移分析

建立精细化的足尺轨道-路基-地基耦合系统非线性数值分析模型,考虑岩土材料的非线性应力-应变关系、路基填筑完成后的静应力状态对其后动力计算的影响、底座板底面与路基基床表层表面之间的动力相互作用,模拟轨道与路基系统的建造过程和与8辆编组动车组轮对相对应的荷载以350 km/h的速度的移动过程。结果显示,以实体单元模拟钢轨能获得更符合事实的钢轨空间振动响应,比采用梁单元更具优势;路基各层底面的动位移具有随时间和空间变化的特征;沿路基断面横向,不同时刻的竖向动位移在轨道板宽度范围内的最大波动值约0.04 mm,可认为均匀分布;沿深度方向,竖向动位移在不同时刻的分布相似,按照指数函数衰减,最大值约为0.8 mm,小于我国高速铁路3.5 mm的控制标准;沿线路纵向,竖向动位移峰值出现的位置与该时刻移动荷载所处的空间位置对应,在同一深度条件下,不同时刻的竖向动位移分布形态相似;基床底层底面以上,同一转向架上前后轮对对应的荷载引起的竖向动位移具有可观的叠加效应。     

轨道交通荷载下路基土的动力学相关进展

随着经济和技术的快速发展,路基土动力学相关问题变得越来越重要。文中提炼出了轨道交通荷载下路基土动力学的3类科学问题:振动对周边影响;沉降对安全的影响;以及路基-轨道系统的共振。并对这3类问题的研究现状和发展趋势进行概述,提出了未来的研究方向,指出重点应建立车辆-轨道-地基耦合系统模型,加强地基土内部的沉降附加应力和土体内部动应力研究,大力发展无碴轨道技术。     

基于三轴试验红层泥岩的邓肯-张模型参数研究

兰州地区红层泥岩形成于干旱、半干旱环境,其物理力学特性与其他地区的红层泥岩不同。以G6京藏高速兰海养护维修工程的红层泥岩路基填料为研究对象,通过大量的常规三轴试验,研究含水率对其力学特性及邓肯-张模型参数的影响。结果表明:在不同含水率下兰州地区红层泥岩的应力-应变曲线关系符合双曲线模型。含水率小于最优含水率时,破坏形式为剪切破坏;含水率大于最优含水率,破坏形式为鼓状破坏;随着含水率的增加,黏聚力和内摩擦角逐渐减小,内摩擦角减小的幅度更大,究其原因是含水率对黏聚力和内摩擦角的影响机理不同而导致。采用数学模型进行拟合发现:黏聚力、内摩擦角与含水率分别呈二次抛物线与对数曲线关系。不同含水率下邓肯-张模型参数破坏比R_f在区间(0.869,0.984)内波动,K值随含水率增大而减小呈负线性关系,n值随含水率的增大而增大呈线性关系。     

Experimental research on the development of residual strain in seasonal frozen soil under freezing-thawing and impact type traffic loads

Vehicle load is among the main factors affecting the deformation of subgrade soil.In this research study,the concept of impact type traffic load is introduced to investigate the effects of vehicle load based on the dynamic stress and displacement time histories acquired from seasonal frozen subgrade soils.Using freezing-thawing and dynamic triaxial tests and considering the amplitude and loading sequence of impact type traffic load,the residual deformation characteristics of subgrade soil under impact type traffic loads and freezing-thawing cycles is studied.It was found that under impact type traffic load,the residual deformation of soils increased sharply as the amplitude of impact type traffic load increased.It was also found that the increase in the amplitude of impact type traffic load led to the increase of residual deformation in a scale of power and exponential function.The amplitudes of impact type traffic load affect the development stress-strain path of the residual strain.After the soil experienced the proper amount of pre-vibration of the light load,residual deformation decreased by 15%.After freezing-thawing,the residual strain of soil increased as the amplitude of the impact type traffic loads increased.Also,when the amplification effect of freezing-thawing on the residual strain was basically stable,the residual deformation increased by about 10%.The peak impact type traffic load had a large effect on soil deformation after the freezing-thawing process,leading to the observation that of the earlier the peaks,the stronger the effect of freezing-thawing.After the soil was subjected to preloading with a small load,the influence of the freezing-thawing cycles gradually stabilized.The results may be useful in preventing and controlling the risk of subgrade soil failure when construction takes place spring thaw periods.     

非对称交通荷载作用下拓宽路堤动力特性分析

针对山西省境内长期承受非对称交通荷载的公路拓宽路堤,采用FLAC~(3D)建立数值模型,土工格栅采用FLAC~(3D)内置土工格栅单元(geogrid)模拟,其余部分均采用实体单元,屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。将交通荷载简化为半正弦波荷载,分析非对称交通荷载作用下不加筋和加筋两种工况下拓宽路堤的变形特性及稳定性,进而改变拓宽路堤部分填土参数、交通荷载幅值、频率和行车间隔等参数,分析其对加筋工况下拓宽路堤变形的影响。结果表明:非对称交通荷载作用下,设置土工格栅加筋对新、旧路堤变形的约束作用有限,但能提高路堤的整体稳定性;增大拓宽路堤填土的压缩模量和黏聚力,可减小新、旧路堤沉降差;增大交通荷载一侧幅值会引起新、旧路堤过大差异沉降;增大交通荷载频率和时间间隔,路堤沉降均逐渐减小,但沉降差保持不变。上述结论对受非对称交通荷载拓宽路堤的施工提供了一定的理论依据。     

地下通道浅埋暗挖对城市道路结构的影响

城市地下通道浅埋暗挖法施工会导致地层变形和地表沉降。采用通用有限元软件ABAQUS,对地下通道浅埋暗挖施工过程进行数值模拟,根据围岩开挖引起的位移响应和应力响应计算,结合现场实测数据,评价地下通道浅埋暗挖法施工对城市道路路面结构的影响,并讨论长管棚超前预支护对减小围岩开挖引起的路面结构附加弯拉应力的意义。分析结果表明：浅埋地下通道,围岩软弱,暗挖施工会引起显著的地层损失和路表沉降,这会导致沥青混凝土路面结构内形成较大的附加弯拉应力;采用长管棚超前预支护可控制地层损失和路表沉降,并可减小由此引起的路面结构附加弯拉应力。     

重载货车作用下基床表层应力状态及破坏影响因素分析

重载货车作用下线路破坏问题与基床表层应力状态密切相关。通过建立货车-线路动力分析模型,分析货车通过时基床表层应力状态变化规律,研究道床厚度、轴重、速度、基床表层模量等因素对基床表层破坏的影响规律。结果表明:基床表层在车辆作用下遵循从纯剪到三轴剪切再回到纯剪状态的变化规律,主应力轴连续旋转180°;道床厚度低于0.5m、速度超过70km/h、基床表层模量低于160 MPa、轴重超过27t都有可能造成基床表层塑性变形;当应力路径超过破坏线情况下,路基弹性假设将不再适用。     

RC pile–soil interaction analysis using a 3D‐finite element method with fibre theory‐based beam elements

To evaluate the overall response of a structural system including its foundation and surrounding soil, an equivalent finite element model with reduced degrees of freedom using fibre theory‐based beam element was proposed. The proposed model was based on investigations of the subgrade soil reaction of a single‐layer model, and was verified for the cyclic behaviour of a laterally loaded single RC pile in terms of the load–displacement relationship, pile deformation, and soil pressures on the pile surface. Also investigated was the effect of the interfacial element between pile and soil on the behaviour of the laterally loaded pile. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

列车荷载下巴准重载铁路高路堤路基累积变形研究

针对巴准重载铁路高路堤典型断面,采用三维非线性有限元与经验公式相结合的方法,建立了可考虑列车-轨道动力相互作用的重载列车振动荷载引起的高路堤路基累积变形计算方法。首先,基于列车-轨道垂向耦合动力系统理论,建立重载列车-轨道动力耦合体系数值模型,并实施重载列车-轨道耦合系统动力分析;其次,建立轨枕-道床-路基-场地动力系统的三维有限元模型,并输入求解的列车振动荷载作为外部激励;最后,采用Li和Selig推荐的改进土体累积变形预测模型并结合有限元分析结果,分析了未加固和应用土工格栅加固的高路堤路基累积变形的基本特征与规律。发现土工格栅可显著减小路基的动力累积变形作用。     

不同加载方式下黄土累积变形特征研究

土体动力特性主要与其受力状态、土体加载类型、试验控制方式以及荷载等参数有关。以往非饱和黄土累积变形试验研究通过单向动应力加载方式开展相关研究,并不能真实反映土体受力状态。现运用WF-12440型动三轴-空心圆柱扭剪试验系统,通过单向荷载和双向荷载两种不同的动应力加载方式,进行黄土的长期重复载荷试验,对比不同动应力加载方式对非饱和黄土累积变形发展特征的影响。试验结果发现：黄土在单向荷载或双向荷载作用下,其软化指数均随着循环次数的增加,呈非线性减小的趋势,在相同循环振次时,土体软化指数随着动应力幅值的增大而减小;黄土在不同加载方式作用下,软化指数减小速率在循环振次100次以内较快,后期随振次增加,土体软化速率逐渐趋于平稳;黄土在双向荷载作用下,当轴向动荷载较小时,径向荷载的施加,将加速黄土的软化程度,随着轴向动荷载的增大,径向荷载对黄土软化的影响逐渐减弱,其对于黄土变形的影响存在一临界轴向循环动应力。本研究的开展,可更准确地进行不同荷载耦合变化下,黄土场地震陷评估或路基土体变形计算,实现有效控制路基的整体稳定和工后沉降量,以期根据路基土参数预测后期沉降,极具重要的科研和工程意义。     

路堤荷载下水泥土桩复合地基沉降理论计算

基于路堤荷载下桩土非等应变条件和考虑了桩土相互作用、桩间土竖向与径向位移、桩土侧面产生相对滑移以及桩侧产生负摩阻力等特点的复合地基桩间土竖向变形模式,推导了水泥土桩复合地基桩间土沉降的理论计算公式,并以桩土单元体范围内的桩间土平均沉降值作为复合地基沉降,进一步推导了水泥土桩复合地基总沉降量、下卧层压缩变形量的理论计算表达式（两者之差即为加固区压缩变形量）。理论分析表明,复合地基加固区压缩量小于同深度天然地基压缩量,复合地基下卧层压缩量小于天然地基下卧层压缩量,复合地基总沉降量小于天然地基总沉降量。同时,理论计算结果与有限元计算结果以及现场实测结果三者比较一致。