重载铁路粗粒土填料动力特性及累积变形分析

重载铁路路基比普通铁路和高速铁路要承受更大的动力荷载,路基本体的动力变形更加明显。重载铁路路基的核心层绝大部分为粗粒土,为了探讨重载铁路路基粗粒土填料在列车往复荷载作用下的变形和强度特性,开展了一系列大型动三轴试验,探讨了不同动应力幅值、不同围压、不同含水率对粗粒土土样累积变形的影响,分析了不同静强度和围压时动强度的特点,并根据粗粒土土样在不同围压和动应力作用下的变形规律,即增大围压或减小动应力有助于增强土体稳定,提出了基于累积变形发展趋势的路基粗粒土变形稳定界限状态和判别准则,并给出了判别准则参数。研究结果对重载铁路路基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。     

循环荷载下饱和软黏土的动骨干曲线模型研究

通过饱和软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环周次和动应力幅值对土体动力特性的影响。结果表明,在循环荷载作用下,随着循环周次的增加,土体均存在不同程度的刚度软化现象。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和软黏土的动应变发展形态可分为3种类型:稳定型、破坏型和临界型。根据动应力-应变关系曲线特点,提出了含动应力幅值、固结围压和循环周次等影响因素的动骨干曲线模型。该模型所得的拟合值与试验值比较吻合。与传统骨干曲线模型相比,该模型能够体现土体在循环荷载作用下的刚度软化特性,更加切合实际。     

循环荷载作用下泥炭质土的动变形特性试验研究

泥炭质土是一种具有明显区域性的特殊土。通过一系列不同围压、固结比、加载频率等条件下的分级加载动三轴试验,研究了昆明泥炭质土在循环荷载作用下的动变形特性。从动骨干曲线、应力-应变滞回曲线和动弹性模量等方面重点分析了围压、固结比、加载频率对泥炭质土变形特性的影响。试验结果表明:泥炭质土的动应变随动应力幅值非线性增长,且存在某一临界动应力,当动应力幅值达到临界动应力值后,应变急剧增长,土体结构发生破坏;围压对泥炭质土动变形的影响最为显著,固结比次之,加载频率最小;固结比对泥炭质土动变形的影响程度依赖于围压,围压越大,固结比的影响越明显;相同循环振级下,泥炭质土的弹性变形随围压和固结比增大而减小,加载频率愈低,土体的弹性变形愈大;随着循环振次的增加和振级水平的提高,泥炭质土刚度逐渐下降,塑性变形产生并累积增长,围压和固结比越大,加载频率越低,泥炭质土的塑性变形越大。     

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。     

循环荷载下红层泥岩土的动态特性

针对红层泥岩土这种特殊的粒类材料,通过动三轴试验研究了其在循环荷载下的动态特性。分析了应变和围压对动态参数(动模量、阻尼比)的影响,在对动模量归一化的基础上,并考虑最大阻尼比与围压的关系,提出了一个阻尼比的计算方法。引入了动应力水平的概念,由试验数据得到红层泥岩土的临界动应力水平为30%左右。动强度随围压增加而增大,而随振次的增加减小;在较小的破坏应变标准下,动应力对动强度的影响起主导作用,破坏应变标准增大时,振次的影响起主要作用。根据累积应变曲线的发展趋势,把红层泥岩土的累积变形分为稳定型和破坏型,分析了产生不同变形曲线的原因,并分别采用不同的经验公式对两种累积变形进行计算,得到了各参数的取值范围。     

循环荷载下人工结构性土变形与强度特性试验研究

针对长期动载作用下天然沉积结构性黏土地基强度和刚度循环软化问题,分别以水泥和食糖为模拟粒间胶结和大孔隙的材料,制备了不同胶结强度和初始孔隙比的人工结构性土,开展了人工结构性土与相应重塑土的动三轴试验,分析了土体胶结强度、初始孔隙比、围压和动应力幅值对累积变形和动强度的影响规律。试验结果表明：累积应变-振动次数曲线以临界循环应力为界分为：塑性安定型、临界型和破坏型;临界循环应力随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;土体胶结强度越高,脆性破坏越明显,累积应变曲线转折点对应的应变越小。动强度的应变破坏标准采用转折点应变值更符合土性变化规律;动强度随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;动黏聚力cd随破坏振次增大而降低,而动内摩擦角?d基本不变。试验结果可为软弱土地基动力灾变控制提供有益参考。     

福州淤泥质土动力特性室内试验研究

沿海高速公路、铁路和地铁的迅速发展,使得长期循环荷载作用下的软基变形问题日渐突出。借助GDS动三轴仪,对福州淤泥质土进行动三轴试验。研究了不同围压下淤泥质土在循环荷载作用下的动应变、动强度、动剪切模量和阻尼比特性,重点分析了固结围压和动应力幅值对淤泥质土动强度的影响,由此建立了围压、振次与土体动强度的经验关系,该关系可用以估算不同深度土体在循环荷载作用下的动强度。试验结果表明:福州淤泥质土的动强度随着围压增加而增加,随着振次的增加而减小,且强度很低,动黏聚力的大小为0.3~4.0kPa,动内摩擦角的大小为7°~10°。此外,给出了淤泥质土在大应变条件下的动剪切模量和阻尼比。研究结果对进一步认识该地区淤泥质土的动力特性以及对实际工程设计中合理选择土的动强度参数具有理论及实际意义。     

循环荷载下加筋砾性土填料的动三轴试验分析

为探究循环动载作用下加筋砾性土填料的动力特性,在不同加筋层数和围压下对加筋砾性土进行了固结不排水动三轴试验,研究加筋层数和围压对加筋砾性土动力特性的影响,并进一步分析了加筋砾性土轴向累积应变发展机制。研究表明:加筋层数增加时,轴向累积应变减小,回弹模量增大,且加筋作用的影响幅度逐渐衰减;增大围压时,土体轴向累积应变减小,回弹模量和动孔压均随之增大;随着加筋层数和振次的增加,滞回曲线逐渐向应力轴靠近,滞回圈面积逐渐减小,土体耗能作用减弱。基于安定理论和间接影响带理论,揭示了加筋作用对轴向累积应变发展的影响机制。建立了能够反映加筋层数的加筋砾性土轴向累积应变预测模型,其条件参数a、b、g与加筋层数呈线性关系,可有效预测循环荷载下加筋砾性土路基沉降变形规律。     

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。     

重载铁路路基压实粗颗粒土填料动力破坏规律试验研究

重载铁路常常通过提高货车轴重来达到增加运量的目的,而大轴重货车运行会对路基粗颗粒土填料产生较大的循环动力作用,这容易导致路基塑性变形过大甚至使路基发生破坏,而这些病害均与粗颗粒土填料的动力破坏规律有关。为研究该类填料在动力作用下的破坏规律进行了一系列大型动三轴试验,分析了围压和含水率对填料塑性变形增长的影响,根据塑性变形增长的特点将试样分为了稳定试样和破坏试样,由此得出了临界动应力的表达公式,并探讨了不同轴重下路基破坏的可能性。此外,还分析了围压和含水率对粗颗粒土填料动强度的影响,结果表明,填料静、动强度之间具有很好的相关性,通过归一化处理提出了利用静强度推求相应动强度的公式。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明：部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳3个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2 500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加。补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

动力荷载长期作用下冻土振陷模型试验研究

基于低温动三轴试验资料,研究了青藏铁路北麓河粉质黏土在往返长期加荷作用下的变形特征。在不同温度、动应力幅、频率、围压条件下考察冻土轴向残余应变与振次的试验关系曲线,建立了冻土振陷模型,并讨论了模型参数及其影响因素。研究表明,(1) 模型参数受拟合所采用的振次水平影响较大,参数B（黏塑流蠕变率）随振次的增加而迅速减小,参数C（蠕变衰减系数）随振次的增加而迅速增大;(2) 除迅速破坏的试件外,当振次达到一定临界值以后,B、C两参数都逐渐趋于稳定;相同振次水平下B、C参数均随温度升高、动应力幅值增大、围压增高而增大,随频率的增加而减少,且频率大于6 Hz时对参数影响很小。此项研究对于合理预测动力荷载长期作用下由冻土残余变形而产生的沉降量具有重要意义,且为冻土动力学研究积累基础试验成果。     

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。     

地铁行车荷载下隧道周围加固软粘土孔压特性试验

由于上海轨道交通四号线海伦路站隧道周围软土在地铁行车荷载作用下产生变形,使隧道发生局部开裂、渗水而需要对地铁隧道进行加固处理。通过上海地铁4号线海伦路站附近隧道周围加固软粘土进行应力控制的循环三轴试验,研究了地铁行车荷载作用下加固软粘土的动孔压发展情况,充分考虑了土体围压、固结比、轴向循环荷载的大小及频率对动孔压的影响。研究结果认为,其他条件相同时,加固软粘土孔压随振动次数、循环荷载幅值的增大而增大,随围压和加载频率的增大而减小,可以用二次对数关系曲线对加固软粘土残余孔压变化进行预测。