重载铁路基床表层级配碎石填料组构系数应用与分析

传统级配曲线不能直观展现碎石填料内部物理组构信息,重载铁路基床表层级配碎石填料设计缺少实用的优化目标参数。引入对数几率回归函数将传统积分级配曲线进行了转换,定义了能直观展现碎石填料内部物理组构信息的组构系数R概念。基于对数几率回归函数级配曲线方程,推导了组构系数的数学表达式,并分析了参数的敏感性,进而将组构系数作为优化目标,提出了重载铁路基床表层级配碎石填料级配的组构系数优化方法。通过重载铁路基床表层级配碎石填料击实试验、大型直剪试验、渗透性试验以及对其他工程材料的应用,验证了组构系数方法的可行性。应用研究表明:组构系数R能够定量描述材料组构信息;重载铁路基床表层级配碎石填料的最优组构系数值在21.17～22.08之间。     

级配碎石填料大三轴试验及累积塑性应变预测模型

级配碎石作为重载铁路基床表层的主要填料,其受列车荷载的影响最大。因此,研究级配碎石在循环荷载作用下的动力行为及累积塑性应变演化特征变得尤为重要。首先,通过制备不同细粒含量的级配碎石填料,开展一系列大型动三轴试验,探究细粒含量、围压及动应力幅值对循环荷载作用下试样累积塑性应变的耦合影响机制。其次,基于塑性安定理论,确定不同应力水平下试样的动力行为,得到考虑围压及细粒含量参数的塑性蠕变状态临界动应力计算模型。最后,结合试验数据,建立考虑应力水平及细粒含量参数的塑性蠕变动力行为累积塑性应变预测模型,并明确各参数的物理意义。其研究成果可为既有重载铁路路基健康状态评估及考虑强度、变形综合控制的路基结构设计提供参考。     

颗粒级配与孔隙比对粗粒土渗透系数的影响

颗粒级配、孔隙比是决定粗粒土渗透系数的关键因素。收集并整理得到93组粗粒土全级配（d10~d100）、孔隙比数据,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化的BP(back propagation)神经网络分析和预测粗粒土渗透系数,通过平均影响值法和试验验证,评价各级配粒径对渗透系数的影响大小,探讨孔隙比对粗粒土渗透系数的影响。结果表明:d50为界限粒径,在其他粒径不变,若增大d50及以下粒径,渗透系数就增大,而增大d50以上粒径,渗透系数减小;d50及以下粒径的“细颗粒”对渗透系数的影响大于d50以上粒径的“粗颗粒”;按相对权重,d20、d80、d40属于高敏感度粒径,d10、d50、d100、d70为中敏感度粒径,d30、d90、d60为低敏感度粒径。孔隙比对渗透系数的影响大于任一特征粒径,渗透系数与孔隙比呈正相关关系;相同颗粒级配的粗粒土,随孔隙比变化可使渗透系数产生数量级跨越。采用GA-BP神经网络方法,由全级配和孔隙比能较好地预测粗粒土渗透系数。     

南海岛礁吹填钙质砂渗透特性试验研究

南海吹填钙质砂的渗透性对于岛礁地下淡水的形成至关重要。通过室内常水头渗透试验研究了吹填钙质砂的级配、孔隙比和渗透性之间的相互关系,开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验,研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明,钙质砂的渗透系数和10~e(e为孔隙比)有很好的线性关系,并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性;通过对室内试验结果考虑多因素的分析,建立了钙质砂渗透系数计算模型,该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考。     

无砟轨道聚氨酯碎石防水联结层单元模型试验研究

基于无砟轨道基床表层水力损伤病害产生机制,提出一种在基床表层上设置聚氨酯碎石防水联结层的水力损伤控制措施。通过建立级配碎石组(J-0)、透水型聚氨酯碎石组(J-5)及致密型聚氨酯碎石组(J-10)3组试验模型,研究聚氨酯碎石防水联结层的静动力特性、疲劳特性与防水特性。结果表明：静力加卸载作用下,J-10残余应变为2.6×10–6,最大位移约为1.0 mm,与下部基床表层级配碎石层变形适应性良好,耗能效果明显,在列车动力荷载水平作用下,可减小基床表层动变形与动应力幅值,增大动应力扩散范围;在长期动力循环荷载作用下,J-0与J-5在注水后结构层动力响应显著增大,而J-10动力响应在加载次数1～2万次后基本保持稳定;试验过程中J-10能够有效防止水分进入基床表层级配碎石层,而J-0与J-5水分不断下渗,引起级配碎石细颗粒损失。研究成果对整治多雨地区无砟轨道基床表层水力损伤病害具有重要的应用价值。     

颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究

宽级配土作为堆积层滑坡的主要物源,其渗透性研究是开展降雨型堆积层滑坡机制研究的前提和基础。宽级配土的渗透是一个包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其渗透性时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移。为此,采用自制大型渗透仪对3组不同D15/d85值(D15为粗粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为15%的粒径;d85为细粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为85%的粒径)的土样进行了饱和渗流试验,研究了宽级配土的水分运移特征和细颗粒迁移规律。研究结果表明:D15/d85值对宽级配土的渗透系数和细颗粒迁移有重要影响,D15/d85值越小,则土体渗透系数越小,细颗粒不易发生迁移;D15/d85值越大,渗透系数越大,试验过程中渗透系数变化越剧烈,迁出细颗粒的量也更大。根据渗透系数的变化也可判定土体内部细颗粒的运动情况,据此提出了3种宽级配土颗粒迁移模式。该研究成果加深了对宽级配土渗透特性的认识,为完善降雨型堆积层滑坡机制研究提供了新思路。     

粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究

室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙的组成特征出发,根据边壁孔隙体积V_b与构成边壁孔隙的颗粒关联体积V_s之比,定义了试样边界孔隙比e_b。基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了e_b表达式;以e_b与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度h_(opt)的等效孔隙比法,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的e_b依次增加;h_(opt)由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。     

不同含水状态下基床级配碎石填料变形特性研究

基床级配碎石在外界雨水侵入时含水状态发生改变对其变形特性不利,从而影响行车安全,但目前研究含水率对基床级配碎石变形特性的成果甚少,为进一步揭示不同含水状态下基床级配碎石的变形特性,对不同含水率的级配碎石试样开展了多组大型静动三轴试验。首先,通过静三轴试验探讨了含水率对级配碎石应力-应变关系和强度特性的影响;然后,基于动三轴试验,重点研究了含水率、动应力水平对累积应变随荷载作用次数发展规律的影响;在此基础上,建立了综合考虑含水率、荷载作用次数、动应力水平相互耦合作用的累积应变预测模型。基于含水率为5.0%和7.3%的累积应变试验结果,确定了模型中的待定参数,通过含水率为8.6%的试验结果验证了其正确性和合理性,此模型不仅克服了不同动应力水平下累积应变计算模型的分散性,而且能够直观地体现出含水率对累积应变的影响。     

粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究

室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙V_b的组成特征出发,根据V_b与构成V_b的颗粒关联体积V_s之比,定义了试样边界孔隙比e_b;基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了e_b表达式;以e_b与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度h_(opt)的“等效孔隙比法”,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的e_b依次增加;h_(opt)由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后,边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。     

粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究

室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙V_b的组成特征出发,根据V_b与构成V_b的颗粒关联体积V_s之比,定义了试样边界孔隙比e_b;基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了e_b表达式;以e_b与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度h_(opt)的“等效孔隙比法”,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的e_b依次增加;h_(opt)由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后,边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

高速铁路路基填料冻胀试验研究

路基冻胀是季节冻土区修建高速铁路必须面对的关键性技术难题. 国内外针对路基填料的冻胀机理和特性进行了很多研究, 但很少涉及路基填料的渗透性问题. 通过室内试验研究了细颗粒含量对路基填料含水量和冻胀率的影响, 通过现场试验研究了路基填料的渗透性能, 选取哈齐客专某试验段路基进行冻胀监测, 验证了防冻层填料的导水特征及其防冻胀性能. 结果表明: 采用填料防冻的技术路线是可行的, 通过合理控制填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数, 严格把控施工质量, 路基填料能够满足高速铁路路基防冻胀要求.     

无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法

我国“一带一路”发展规划中涉及大面积的盐渍土区域,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐优质路基填料极其匮乏,亟需研究粗颗粒盐渍土作为高速铁路无砟轨道路基填料的可用性。通过技术创新、理论探索,提出了一种无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法,内容主要包括采用不同最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数的粗颗粒盐渍土构筑无砟轨道路基,基床底层运用上结构层与下结构层的双结构层进行设计;以基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟作为隔盐排盐系统,形成具有堵疏兼备的阻盐、排盐功能;通过容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行理论计算,确保无砟轨道路基抗隆起变形满足设计要求;对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,采用最小滑动摩擦系数法进行控制设计。该方法可实现粗颗粒盐渍土在无砟轨道路基领域的首次应用。     

季节冻土区基床改性填料与保温护坡对路基温度场的影响分析

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明：在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

兰新客运专线浩门区间路基温度、水分及冻胀变形特征

粗细颗粒混合填料的微冻胀严重影响着寒冷地区高速铁路的安全运营.基于对兰新客运专线浩门区间运营期4个路基断面不同深度的温度、水分及冻胀变形现场监测,分析了冻结期该铁路路基在不同深度下的温度、水分及冻胀随季节变化特征.结果表明：越接近地表,对外界环境温度变化的敏感性越高,温度传递随时间的滞后性呈指数递减规律,深度超过3 m时全年无负温.寒季2.7 m厚的路基最大冻胀量约2.1 cm,其中,0～0.5 m处寒季最低温度介于-10.3～-15.6℃,暖季及冻结初期含水量相对较高有15%左右,其冻胀率约4.86 mm·m^-1,故级配碎石在低温含水量高情况下能有效减弱冻胀.冻胀率最大值（14.34 mm·m^-1）发生在0.5～1.5 m之间的普通AB组填料层,寒季最低温度介于-7.2～-12.4℃,暖季及冻结初期含水量介于10%～15%.1.5～2.7 m之间的填料层冻胀率约为1.94 mm·m^-1,寒季最低气温-3.2～0.4℃,暖季及冻结初期含水量介于12.5%～15%.路基填料细颗粒（粒径小于0.25 mm）含量越高,冻胀率越大,建议将细颗粒料控制在15%以内.     

低围压循环荷载作用下饱和粗粒土的动力特性与骨干曲线模型研究

基床层是铁路路基的核心组成部分,一般为粗颗粒土,厚约2.5～3.0 m,长期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是评价路基工作性能的关键要素之一。为研究粗粒土在列车循环荷载作用下的应力-应变特性,开展了一系列应力控制的单向循环加载大型动三轴试验,模拟列车动载和路基粗粒料填筑实际情况,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）的动三轴持续振动试验。结果表明,在循环荷载作用下,土体刚度变化与振动次数、围压关系密切。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和粗粒土的动应变随振次的发展形态可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据试验所得出的动应力-应变关系曲线特点,建立了含围压和循环振次的骨干曲线模型。与传统的骨干曲线模型相比,该模型能反映土体刚度随循环振次的变化,更能反映列车往复作用的实际情况;同时该模型能用于估算路基土体动强度,对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参考价值。     

铁路路基压实质量检测中的小型平板载荷试验分析

合理高效地进行路基填土压实质量检测对保证工程质量、提高施工效率具有重要意义。通过在室内开展精细的地基系数K30与变形模量Ev2、Ev1试验,对比分析了两种小型平板载荷试验的特点,重点讨论了变形稳定和等时间隔两种加载方式对试验效率和试验误差的影响规律,得到以下结论：K30较Ev2更能直接反映路基的压密程度,每级荷载的保持时间对试验结果有显著影响,满足1%沉降稳定控制标准需较长的试验历时;K30试验的沉降稳定控制标准由1%改为2%、或加载时间间隔为6 min,可缩短30%～50%试验时间,K30值误差在10%以内;提出了K30试验加载的荷载-时间控制法（P-t法）,用于铁路路基砾石类填料压实质量的K30检测具有良好适应性。