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。     

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。     

长期循环荷载下人工结构性软土累积变形规律及预测模型

针对软土地区路基运营后显著的长期沉降效应问题,以及天然沉积软土均具有一定结构性的特点,制备了不同胶结强度的人工结构性土,开展了结构性土与相应重塑土的压缩试验和动三轴试验,分析了循环次数、动应力比和结构性强度对土体累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:土体累积变形随着循环次数、动应力比的增大而增大,随着结构性强度的提高而减小;累积应变曲线可分为破坏型、稳定型和临界型3种形式。进而考虑土结构性影响,在已有累积变形模型基础上引入应力灵敏度S_σ参数,分别建立了结构性软土的破坏型和稳定型的累积变形模型,较好地预测了结构性软土不同变形状态的累积应变曲线,并分析了模型参数随应力水平和结构强度的变化规律。     

路基砾类填料土动力特性影响因素试验分析

动应力-动应变关系作为反映路基填料土动力特性的重要参数,对其进行影响因素试验研究可为路基填料土的工程特性研究提供参考依据。本文借助动三轴试验手段进行砾类土动应力-动应变关系影响因素研究,采用应力控制的加载方式进行加载,分析了试验压力、土样含水率、土样压实度、荷载作用频率和初始静偏应力等5种条件和砾类土动力特性的作用规律,并总结砾类土动应力-动应变关系变化规律。研究结果表明：当动三轴试验的围压为30 kPa、土样压实度为96%、含水率为最佳含水率7.5%时,其动应力-动应变关系曲线接近应力轴,砾类土的动强度大;荷载作用频率为1、2 Hz变化时以及小于10 kPa的初始静偏应力对砾类土的动应力-应变关系影响较小;针对各影响因素下的动应力-动应变关系曲线,对其采用的双曲线模型拟合相关系数均大于0.96,说明该模型能够有效拟合其关系曲线;根据试验模型可知,试验中压力越大,参数a、b值越小,同理,土样的压实度越大,a、b值也越小。     

反复冻融条件下粉砂土动力学参数试验研究

在大量冻融试验和动三轴试验的基础上,深入研究和分析了经历多次冻融循环后粉砂土动模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明：同一动应变水平下,动应力大小与冻融次数、含水率呈负相关性,而与围压、加载频率、压实度呈正相关性;粉砂土的动应力-动应变关系存在明显的非线性,且随动应变水平的提高,动模量成倍减小,而阻尼比则成倍增大;随冻融次数的增加,动模量降低而阻尼比则增大,且经历6次冻融后均趋于稳定,建议将6次冻融后的力学特性作为设计与计算指标;围压和压实度的提高有效增强了土颗粒之间的骨架作用,动模量随围压和压实度的增减而增减,阻尼比则随围压和压实度的增加而降低;含水率的变化对阻尼比的影响不大,而当土样达到饱和状态时,动模量成倍降低;加载频率对阻尼比的影响较大,并随频率的提高而迅速降低。     

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。     

基于动变形控制法的路基临界高度与湿度关系研究

从力学角度出发,以路基在长期交通荷载作用下不至于变形过大为主要目的,利用动变形控制法,针对路基高度与湿度的相互关系进行了研究。首先,通过室内试验获得了路基土体回弹模量与湿度及压实度的定量关系式;同时基于层状公路结构动力响应解及路基、路面协调变形原理,获得了路基顶面动变形控制标准。结合试验结果和路基顶面动变形控制标准,建立了路基湿度、压实度与路基高度之间的联系。最后,以两种典型沥青混凝土公路结构为例,编制程序进行了数值计算,分析了满足动变形条件下的路基临界高度随路基湿度、压实度的变化规律。结果表明：路基临界高度随着路基湿度的增加而增大。路基湿度低于最优含水率时,路基临界高度随路基湿度和压实度的变化均较小;路基湿度高于最优含水率时,路基临界高度迅速增大,且压实度对临界高度的影响也变得十分显著。研究结果为路基高度和湿度的合理取值提供了新的思路。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。     

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限（shakedown limit）和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8 %。     

多遍冲击碾压混凝土路面时路基的动力响应分析

采用三维动力弹塑性有限元,考虑冲击压路机沿面板纵向中线及板边行驶来冲击碾压破碎旧水泥混凝土板,对路基在不同冲击遍数下的变形、受力等力学响应进行了分析。研究发现,土基在3个方向均承受压应力,板角荷载作用位置路基竖向变形最大,板中最小。板中路线路基竖向变形总体小于板边路线。随着距冲击点距离减小,土体竖向变形逐渐增大,并存在有明显的波动滞后现象和残余变形。随着冲击遍数的增加,土基最大竖向变形逐渐变大;第3遍冲击完后已出现明显的塑性区;随着冲击遍数的增加,土基中土压力逐渐增大,但渐趋稳定。虽然冲击遍数增加,但土压力增大范围仅限于土基一定深度内。     

浸水环境下重载铁路改良土路基动力特性研究

浸水入渗与重载列车动载耦合作用下路基的动力响应程度更突出,对行车安全及路基长期稳定提出更严要求。为揭示重载列车动载作用下干燥与浸水路基的动力特性,依托浩吉（浩勒报吉－吉安）重载铁路工程背景,开展循环加载400万的现场激振试验,利用激振设备和配重块组合模拟了轴重25～30 t、速度120 km/h列车动载作用。试验结果表明：路基干燥与浸水状态下,动应力与加速度沿路基深度变化趋势吻合,传至基床底层底面衰减量可达80%;浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处,相同荷载条件下,衔接处浸水路基的动应力最大可提高28%;相较而言,加速度受浸水环境影响的敏感性远低于动应力;对比可知,沿路基深度范围内动应力水平远小于同位置填料的临界动应力,试验结束路基面累积变形小于5 mm,且呈收敛趋势,说明无论从动强度还是动变形角度来评估,水泥掺量3%～5%改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料时均能满足稳定需求。该研究成果能够对重载铁路改良膨胀土路基的精细化建设养修提供理论参考。     

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。