间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。     

列车振动荷载作用下南京细砂振动累积变形特性试验研究

列车振动荷载作用下松散砂土振密造成的早期路基沉降将对列车的正常运行产生很大的影响。本文以南京地区新近沉积片状细砂为研究对象,采用英国GDS空心圆柱扭剪仪模拟列车振动荷载的实际应力路径,并考虑排水条件、试样围压和加载幅值等因素,初步研究了2000列次(14000振次)列车振动荷载作用下南京新近沉积片状细砂的振动排水特性和竖向累积变形特性。实验结果表明,试样围压对南京片状细砂的竖向累积变形的影响较为明显,同时,当试验围压较小时,加载幅值对试样的竖向累积变形的影响更大。其次,排水条件主要对列车运营前期的路基累积变形产生明显的影响,对后期的累积变形的影响基本可以忽略。最后,根据试验结果,本文也初步给出了排水条件和不排水条件下南京片状细砂的竖向累积应变增长曲线的新预测公式及其参数取值。研究结论对列车振动荷载作用下新近沉积砂性土的动力学特性及其累积变形的计算方法等问题的研究具有很好的参考价值。     

黄土地基动力沉降特性试验研究

路基工后沉降控制是客运专线路基工程研究的重点内容,其中地基在列车荷载长期重复作用下的累积沉降不可忽视。为揭示黄土地基在列车振动荷载长期作用下的沉降变形,通过对原状黄土试样的循环三轴试验,模拟实际列车荷载瞬时加载状态,采用不等向长持时加载,得出了在不同围压条件下黄土的动强度特性和循环应力-累积应变关系,并对较小循环应力下的循环应力-累积应变关系进行了归一化处理,得到了以下结论：①黄土的累积应变随时间的增加而增大,当循环应力不超过临界应力时,应变会最终达到稳定;反之,黄土结构遭到破坏,应变不能达到稳定;②不同围压下的黄土累积应变均随循环应力的增大而增大,且临界循环应力随围压的增大而增大。③在同一围压状态和同一应变破坏标准下,动强度随振次的增加而减小;④在不同围压、相同振次条件下达到相同的应变所需要的循环应力随围压的增大而增大;⑤在较小循环应力作用下,不同围压下黄土的累积应变随循环应力增加呈线性增长。     

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。     

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。     

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。     

循环荷载作用下击实粉土累积塑性变形研究

在飞机荷载长期作用下,粉土道基累积塑性应变发展特性会发生改变。为揭示荷载频率和压实度对粉土道基累积塑性变形的影响规律,开展了室内大型动三轴试验。试验结果表明,不同循环应力比条件下,击实粉土试样的累积塑性应变发展规律可分为3种:塑性安定、塑性蠕变和增量破坏,压实度对累积塑性应变及临界循环应力比均有影响,荷载频率对加载前期的累积塑性变形发展速率影响较为显著;同时,较小压力水平条件下,压实度对试样回弹特性影响较大,压实度越大,试样回弹模量越大。针对稳定型粉土试样累积塑性应变的发展特点,提出了考虑压实度和荷载频率共同影响的累积塑性应变模型,并利用试验数据对模型拟合,发现相同压实度或荷载频率下,各拟合参数与循环应力比呈较好的线性关系;在此基础上对各参数进行归一处理,确定了各参数与循环应力比、压实度和荷载频率的变化关系。     

全风化花岗岩的路用动态特性研究

利用动三轴试验,研究了全风化花岗岩在重复荷载作用下的动态特性,根据累积应变随加载次数的变化规律,建立了动强度曲线,分析了动强度与围压、压实度以及动模量与动应力的相关关系,讨论了含水量对动态特性的影响,提出了运用动态特性评价公路路基填料的方法,并在实际工程中予以应用。     

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明：（1）不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;（2）振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;（3）与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;（4）在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。     

铁路路基粗粒土填料临界动应力试验研究

粗粒土填料被广泛应用于铁路基床填料中,直接承受轨道结构传递的列车动循环荷载的长期作用,研究其在列车动荷载作用下的动力行为特征及塑性变形特性可为路基状态评估、沉降控制提供思路。采用GDS动三轴试验系统对铁路基床表层的粗粒土填料动力响应开展研究,通过引入塑性应变率和安定理论,将不同频率、围压、循环动应力比等条件下路基填料的轴向塑性应变的发展规律划分为塑性安定、塑性蠕变和增量塑性破坏3种类型,并确定了塑性安定和塑性蠕变状态的临界动应力水平。研究表明：粗粒土填料的临界循环应力比随着围压的增大而增大,随着荷载频率的增加而减小。通过对试验结果的拟合分析,提出了以围压为变量的临界动应力经验公式,为合理评估列车荷载作用下路基任意深度的动力稳定提供了理论依据。     

Study on dynamic properties and shakedown behaviors of coarse-grained fillers in Qinghai-Tibet Railway subgrade北大核心CSCD

对冻结路基填料开展一系列恒围压和动围压分级循环加载三轴试验,采用轴向及径向双向同步循环加载方式来模拟原位列车荷载下路基填料的复杂循环应力状态,试验结果表明：轴向累积塑性应变随冻结负温的升高而增大,随粗颗粒含量的增大而减小。体变随冻结负温的降低先减小再增大,而体变在粗颗粒含量增加下的三阶段演化特征被试验确定。最后采用现有的三类路基安定性评估理论对冻结路基填料的累积塑性变形进行评估,Werkmeister-准则和马-准则分别在动围压和恒围压的条件下易进入塑性蠕变阶段,陈-准则在两条件下的评判结果均属于塑性安定范围,后循环压实阶段与二次循环变形阶段间临界点不同的确定方法对安定性的评估结果有不可忽视的影响。     

动渗耦合作用下软黏土动力特性试验研究

针对天津地区饱和软黏土,开展了一系列动渗耦合作用下的循环三轴试验。结果表明,软黏土在动渗耦合作用下累积塑性应变发展呈现初期瞬时增长、减速增加、稳定/线性发展3阶段特征;渗流力的存在使得软黏土的动力变形增大1～2倍,且渗流力越大,累积塑性变形增幅越大;振动频率越小,动应力越高,累积塑性应变越大;建立了考虑渗流力作用的软黏土累积塑性应变预测模型;渗流力的存在使得加载初期滞回曲线向应变轴倾斜程度增大;动渗耦合下软黏土的动弹性模量随应变发展先增加后减小,且渗流力越大,模量越低;定义了动弹性模量的换算系数,揭示了其与累积塑性应变的变化规律,建立了考虑渗流力、频率影响的动弹性模量归一化预测模型;渗流力越大,阻尼比的衰减幅度越大,且在振动末期,其阻尼比近似为0.02～0.04。研究成果可以为流固耦合条件下的场地动力特性分析提供理论参考。     

列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降

通过2.5维有限元结合薄层单元方法,建立了列车运行荷载作用下轨道和地基动力相互作用的3维分析模型,求解不同运行速度列车荷载作用下路堤下卧层地基中动偏应力的分布,结合软黏土在循环荷载作用下的累积塑性应变理论,建立了路堤下卧层地基在列车运行荷载作用下长期动力附加沉降的计算方法。在此基础上采用瑞典X2000高速列车的实际轨道和地基情况进行了计算,分析了长期沉降随时间的发展过程及其在地基中的分布规律,特别是考虑了列车运行速度对路基沉降的影响。     

颗粒级配及初始干密度对路基翻浆冒泥特性的影响

重载铁路路基翻浆冒泥病害广泛存在且危害性极大,严重影响了轨道的稳定性和列车运行的安全性。铁路路基土体性质,如颗粒级配、孔隙比等对列车荷载作用下路基翻浆冒泥特性有显著的影响。利用自主研发的试验模型对粉质黏土与不同含量高岭土重塑试样进行翻浆冒泥试验,研究了不同颗粒级配（高岭土含量）、不同初始干密度（孔隙比）对循环荷载作用下试样的轴向应变、超孔隙水压力以及细颗粒迁移特性的影响。研究结果表明：随着高岭土含量以及初始干密度的增加,动荷载作用下试样产生的轴向应变、超孔隙水压力均减小,细颗粒迁移的平均高度降低,路基翻浆冒泥的程度减轻。通过试验发现,动荷载作用下试样内部的超孔隙水压力梯度是驱动路基土体细颗粒迁移的主导因素,试样产生的夹层对路基翻浆冒泥病害的发展具有一定的促进作用。     

描述循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型

软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法,虽拟合方法众多,仍存在一定的局限性。根据典型结构性黏土的动力变形的曲线形态演化规律,通过引入指数型函数(1)Na?-与指数双曲线函数/(1)m mb N(10)c N的叠加融合,提出了一种能更好描述在循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型,该模型既适用于具有应变极限值的"稳定型"应变曲线,也能拟合不同应力水平下的"破坏型"应变曲线。不仅如此,该改进模型对呈脆性破坏特征的强结构性黏土变形特性表征也具有明显的优越性,对于不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状均能较好描述,具有很好的普适性。改进模型可近似计算土体的临界动应力,针对动荷载下的结构性黏土破坏突然且破坏前的轴向应变较小,认为宜用应变-振次曲线拐点对应的应变值来确定相应土体应变破坏标准。     

循环荷载下弱膨胀土累积变形与动强度特性试验研究

弱膨胀土经防水保湿处理后可作为路基填土,而目前对其动力响应特性研究较少。为深入分析合肥地区弱膨胀土动力特性,利用GDS动静态真三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究了不同围压、固结应力比及动应力幅值对土体累积变形及强度特性的影响规律。依据试样在不同围压、固结应力比、动应力幅值下的累积变形,建立了弱膨胀土累积变形预测模型。根据应变速率将弱膨胀土累积应变曲线划分为稳定型、破坏型和临界型,并给出判别标准。分析了不同围压、固结应力比下弱膨胀土动强度变化规律,在固结应力比超过1.5时土体强度明显下降,动黏聚力c_d随循环破坏振次lg N_f增大呈线性减小,动内摩擦角φ_d随循环破坏振次增大略微减小。该试验结果可为相关工程提供基础数据与参考。     

川西崩坡积混合土循环荷载下非饱和动本构模型

在川西地区,由砂砾石与黏土颗粒构成的混合土路基经常会发生沉降变形问题。对于交通荷载作用下土体中的累积变形,可通过建立循环荷载作用下的动本构模型进行描述。在边界面弹塑性理论的框架内,综合考虑崩坡积混合土非饱和状态和细颗粒含量两大主要影响因素,结合能比较真实描述非饱和土体湿陷性能的LC(loading-collapse)屈服曲线,同时基于可移动映射中心的映射准则,采用经典的修正剑桥模型作为塑性势方程,构建了混合土的非饱和动本构模型,其参数可通过拟合或常规试验获得。通过与试验结果进行对比,该模型不仅可以较好地反映非饱和混合土在静载和循环荷载下的力学特性,而且能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性。其结果可为川西混合土路基沉降变形预测提供理论依据。     

砂-粉土混合料在列车荷载作用下细颗粒迁移机制试验

荷载作用下砂粉土动水力特性与细颗粒迁移研究是分析振动液化、翻浆冒泥等自然或工程灾变过程细观致灾机制和演化机制的基础与关键。利用自主研制的试验系统,开展了模拟列车动-静组合荷载作用下饱和砂粉土动水力特性及细粒迁移机制试验。试验结果表明:动-静组合荷载作用下试样的轴向变形呈现出台阶式变化特点;试样的总应力分布随着深度的增加表现出显著的指数减小趋势;孔隙水压力反复经历了动荷载作用下的累积与静荷载作用下的消散过程,并且在该过程中轴向孔隙水压力梯度逐渐对孔隙水形成"抽吸"作用,促使细颗粒产生迁移和集聚。通过分析试样不同层位深度处3种粒径组颗粒含量及有效粒径d_(10)的变化规律,研究了动-静组合荷载作用对饱和砂粉土中细颗粒发生层间迁移流动的影响机制。     

冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究北大核心CSCD

冻融循环作用是寒区土体力学性质改变的主要影响因素之一。为研究冻融循环作用下寒区冻结掺和土料的动力特性(包括动变形和动强度),以寒区高土石坝砾石掺和土坝料为研究对象,采用低温振动三轴材料试验机,对不同冻融循环次数(0、5、20次)下的冻结掺和土试样进行不同围压和不同动应力幅值比条件下的低温动力循环三轴试验,探讨冻融循环作用对冻结掺和土料的动应力-动应变关系,体变、滞回曲线,轴向累积应变,动回弹模量,残余应变以及动强度的影响。结果表明:随着冻融循环作用的增加,冻结掺和土料的动应力-动应变曲线和体变曲线逐渐稀疏,且试样达到破坏应变的振动次数呈线性减小。通过对不同冻融循环次数下冻结试样的滞回曲线、轴向累积应变、残余变形的研究,发现冻融循环作用使得试样抵抗变形的能力下降。随冻融循环次数的增加,试样的动回弹模量减小,动强度逐渐降低,试样更容易发生破坏。研究结果较好地解释了冻结掺和土料在冻融循环作用下动力变形的机制,可为基于动力变形控制的寒区工程基础设计提供科学参考。     

循环动荷载下软粘土孔隙水压力影响因素探讨

通过不同循环加载条件下模型试验和现场原型监测试验,研究在交通荷载条件下孔隙水压力累积特性及发展规律,探讨路基软土在循环动荷载下产生累积特性的原因和主要影响因素,通过试验分析得出了交通荷载下路基软土中孔隙水压力累积特性、发展规律以及影响累积特性的主要因素。