高等级公路级配碎石柔性基层应用研究

通过室内试验,铺筑试验路,提出了2种级配碎石柔性基层路面结构和1种级配碎石级配,研究了级配碎石基层的施工,可供级配碎石柔性基层设计及施工参考。     

DEM拟合级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究

为充分利用石质弃渣,填石路堤已经成为山区高等级公路较普遍的路堤形式,为确保填石路堤的稳定性,急需开展弃渣碎石材料性质的研究。为研究颗粒粗糙度对样本性质的影响,本文以雅泸路某隧道废弃碎石的室内大三轴试验数据为基础,开展离散元法模拟级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究。论文详细介绍了样本颗粒形态及粗糙度的模拟原理、级配碎石数值样本的生成过程。分析数值试验过程及结果表明:团粒形态样本可以更真实地模拟碎石材料的骨架-孔隙结构,样本加载前有着合理、均匀的接触力分布形式; 团粒间的镶嵌结构可以极大的提高样本强度,变形过程中体现出不规则颗粒间的咬合、滑动特征; 样本强度与颗粒粗糙度(即D4值)有着线性正比关系; 样本初始平均接触数是决定样本内摩擦角的决定性因素; 团粒形态样本平均接触数随轴向变形发展的变化规律再现了颗粒材料弹性变形的微观力学机制。     

重载铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究

重载铁路基床表层级配碎石渗透系数的快速、精确测定,对工程施工质量及工期的保证具有重要意义。基于达西定律研制适用于级配碎石的大型常水头渗透试验装置,并利用该装置考虑边壁效应进行一系列渗透试验,探究试样孔隙比e、不均匀系数Cu及特征粒径参数对其渗透系数K20的影响程度及规律。结合试验数据,以太沙基模型为基础,建立同时考虑孔隙及级配特征参数的渗透系数改进计算模型,并通过试验验证其精确性。结果表明:级配碎石的K20与其e2、平均粒径平方d502呈线性关系,与Cu呈负指数关系;d50对K20的影响权重最大,Cu次之,e最小;提出的计算模型具有较高准确性,可为新建重载铁路基床表层施工中填料渗透系数的快速测定及运营路基基床的渗透稳定性评估提供参考。     

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。     

察达沟谷冰碛土冻结深度与冻胀变形影响因素正交试验研究

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小,同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析,并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明:对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为:冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度;对冻胀变形影响大小排序为:初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率;当冷端温度低、冻结时间长时,冻结锋面上方3～8 cm处存在冻结缘,此处为水分迁移和水冰相变的关键区域,会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀;根据正交试验结果,建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。     

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。     

描述土体级配分布的级配方程及其适用性

对Weibull模型公式进行变形和演化,得到一个用于定量表示连续级配分布的级配方程,该级配方程可以表示双曲线、近似直线、反S形曲线3种典型级配分布形态。对粉土、黏土、砂土、粗粒土的级配分布进行拟合,拟合结果均良好。从粒径的分布范围考虑,用理论推导的方法,对级配参数的取值范围进行了详细的研究。将实际拟合结果和理论推导结果相结合,得到最终的级配参数范围：c为0.001～1.5,n为0.065～4.8。将新级配方程与Talbot分形级配方程、吴二鲁单参数级配方程进行对比分析,发现Talbot分形级配方程不能反映反S形级配分布,单参数级配方程不能反映颗粒均匀的窄级配分布,而新级配方程对以上不同级配分布均拟合良好,因此新级配方程具有更广泛的适用性。另外,对级配参数在剔除法、相似级配法、等量替代法、混合法下的演变进行了推导,实现了对缩尺前后级配分布的定量表示。     

考虑级配多样性的颗分试验取样质量理论研究

颗粒分析试验被广泛应用于土木、水利水电和采矿等诸多工程中,以确定材料的颗粒级配。但对于工程中常见的超大粒径填料合理取样质量问题,尚缺少可依据的文献资料。将试样选取视为一种分层抽样过程,结合抽样分析理论,建立了能够确定样本容量的理论公式;考虑到颗粒材料平均粒径与其级配分布的关系,提出了一种为确定材料整体级配所需试样质量的通用方法。对不同级配分布情况开展了针对性试验,验证了所提出方法的适用性。并将该方法应用于确定重庆江北机场和贵州龙洞堡机场填料的颗粒级配,取得了良好效果。所得结果可为相关工程实践及规范的发展和完善提供参考。     

A study of orthogonal design tests on frost-heaving characteristics of graded crushed rockEI北大核心CSCD

Seasonally frozen soil is distributed widely in the Northeast China. The prevention measures against the frost heave of graded crushed rock, which is used as the filler of surface layer in subgrade, are crucial to high-speed railway constructed in seasonally frozen soil region due to the strict requirements of subgrade deformation. In order to study the frost heave characteristics of graded crushed rock under different conditions, water content, fine content, cooling temperature and compaction are chosen as influential factors of frost heave characteristics. The closed system laboratory frost heave experiments have been performed based on the orthogonal design, showing that different frost heave amounts appear in different combinations of factors and levels. The frost heave ratio of most graded crushed rock samples is small when water content is 5%, and it exceeds 1% when water content is above 7%. The temperature field, frozen depth, frost heave deformation process and water content distribution in sample after freezing are analyzed. It is found that the water content is greater than the initial water content at the cold side, and is lower than initial water content at the warm side. Using the frost heave ratio as a reference sequence and other factors as comparison sequences, the correlation degrees among water content, fine content, compaction, temperature at cold side and frost heave ratio are analyzed with the gray correlation method. The results from this analysis indicate that water content produces the most significant effect on the frost heave ratio of graded crushed rock. The water content of graded crushed rock should be maintained below 5% in order to prevent frost heave development in the cold regions.     

Design of bentonite/crushed rock seals

Summary The use of bentonite/crushed rock mixtures to form hydraulic barriers has greatly increased in recent years. To obtain an appropriate composition for such mixture sealants generally requires extensive laboratory work. Bentonite content and gradation of the crushed rock component are two key parameters in the seal design. This study investigates the effect of crushed rock gradation on the bulk porosity and permeability of systems of crushed tuff particles. Five different gradations are selected from the literature. The bulk porosity of systems of crushed tuff in the presence of bentonite is examined. The Fuller-Thompson gradations yield denser particle arrangements. For mixture samples containing 15% bentonite by weight, the amount of clay accounts for only 45 to 56% of the weight required to fill the interparticle pore space. The bentonite occupancy percentage amounts to 65 to 80% and 75 to 86.5% for samples having 25 and 35% bentonite by weight, respectively. The water content of bentonite at saturation is reduced and the resistance to piping and flow of bentonite is enhanced by the addition of clay. To reduce the bulk porosities of the mixtures containing 25% or more bentonite, a compaction energy higher than the standard Proctor compaction is necessary.     

透壁式通风管-块石复合气冷路基室内模型试验研究

为了研究透壁式通风管-块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温约-3.5℃,平均风速2.5 m·s^-1,主导风向为西北方向的高原环境条件开展室内模型试验,分析了单一块石气冷路基和透壁式通风管-块石复合气冷路基的孔隙空气对流速度、特征点地温变化过程以及模型整体温度场变化过程.结果表明：在透壁式通风管的疏导作用下,透壁式通风管与块石层的复合结构能够起到强化路基体对流的效果,复合路基块石孔隙中的空气流速比单一块石路基提高约20%,由此导致复合路基模型底部的降温幅度是单一块石路基模型的2.2倍.模型整体温度场表明,复合路基能够起到储存冷量、降低下伏多年冻土地温的作用.     

基于正交试验设计的层状盐岩地下储库群多因素优化研究

目前国内正在大规模兴建盐岩地下储库群,其规划设计阶段可优化因素较多,且各因素影响程度不同,选取椭球形腔体几何分布形式、矿柱宽度和夹层位置3个主要因素进行了综合优化研究,旨在分析3个因素的敏感性影响程度,并确立储库群最优形式。对3个因素分别设立3个水平,运用正交试验设计原理,确立了9组试验方案,进行了相关数值模拟试验。评价层状盐岩地下储库群时选用经改进的位移、应力试验指标,基于试验结果运用正交试验法中的极差分析和方差分析对3个因素进行详细分析。结果表明,3个因素中夹层位置影响最显著,矿柱宽度居次,椭球形腔体几何分布形式影响最弱;最优储库群形式为邻腔夹角60°的分布形式、2.0D矿柱宽度、夹层分布在腔体上部1/4H（H为腔体高度）位置。     

土工带加筋碎石土本构关系的三轴试验研究

通过碎石土和加筋碎石土的大型三轴试验,分析了土工带加筋碎石土的变形特性和土工带加筋对碎石土应力-应变关系的影响,采用双曲线函数拟合加筋土体的应力-应变试验曲线,建立了土工带加筋碎石土的非线性模型以克服经典的刚塑体模型不能反映加筋土体在达到破坏荷载前的变形形态的缺点,提出了土工带加筋土体切线模量的计算公式,该模型能正确反映土工带加筋土体的变形特性,在岩土工程方面有一定的实际应用价值.     

透壁通风管增强开放碎石路堤降温效果试验

通过4种不同实验条件下透壁通风管开放碎石路堤试样室内试验研究了通风情况对透壁通风管增强开放碎石路堤降温效应的影响。比较4种实验结果发现,透壁通风管开放碎石路堤存在碎石表面单纯热传导传热、外界空气通过碎石路堤开放表面与碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热、通风管管壁与管内空气的对流换热以及管内空气通过管壁透气小孔与附近碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热4种传热过程。对于仅负温通风的透壁通风管开放碎石路堤,通过开放表面及管壁透气小孔使外界冷空气与碎石层内孔隙空气形成循环,从而显著增强了路堤冬季冷空气引起的降温效应。     

碎石集料变形机理的块体元数值试验分析

块碎石作为道砟材料能够分散列车动荷载, 加之其内部含有大量空隙, 具有良好的对流换热特性, 作为冷却冻土路基的材料在青藏铁路建设中被广泛使用。但在列车荷载的作用下, 碎石集料会发生压密、 变形乃至破碎从而影响冷却效果。因此, 研究碎石层的变形过程及机理具有十分重要的现实意义。基于块体离散元法, 对块碎石集料的三轴剪切试验进行了数值分析, 将所得应力-应变曲线与室内试验结果进行了对比, 发现两者能较好地吻合, 说明块体离散元法能够较好地模拟块碎石集料的受力变形过程。结果表明： 增大围压或块体粒径, 块体单元受到的作用力加强, 集料的偏应力强度和抗剪强度值也随之增大。碎石块体在剪切作用下沿其接触面滑动分离, 形成X形剪切带是集料变形的主要形式, 此外在径向方向出现不同程度的扩张。基于试验和块体元研究路基碎石层的思路和方法可为今后评估青藏铁路碎石路基的热力稳定性提供理论依据和参数储备。     

表面条件对透壁通风管碎石路堤降温效果的影响

针对青藏高原冻土区高速公路拟采用的透壁通风管碎石路堤,进行了表面开放和封闭透壁通风管碎石试样降温效果的室内试验,分析比较了表面开放和封闭边界条件对透壁通风管负温通风增强碎石路堤降温效果的影响差异。分析表明,表面开放和封闭透壁通风管碎石路堤都以外界空气通过管壁透气小孔与通风管附近碎石区域孔隙空气循环产生的强迫对流传热增强降温作用,另外,表面封闭透壁通风管碎石路堤能够在上部碎石区域产生孔隙空气循环的自然对流降温效应。因此,表面封闭透壁通风管碎石路堤的降温效果更为显著。     

地应力与岩石弹性模量关系试验研究

在北京某深孔原岩应力测量和原岩应力测量段同等深度单轴及不同围压下的三轴岩石力学试验的基础上,结合统计的钻孔岩体结构参数,分析了原岩应力测量段深度处修正前、后的岩石弹性模量,进而探讨了地应力与岩石弹性模量间关系。结果表明,在花岗岩中,主应力大小与修正前、后的岩石弹性模量间均呈正相关关系,而在灰岩中,主应力大小与修正前、后岩石弹性模量间的关系不明确,需要进一步研究;在花岗岩中,主应力大小与修正后的岩石弹性模量间的相关性系数高于主应力大小与修正前的岩石弹性模量间的相关性系数;各向同性高的岩体（如花岗岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性好,而各向异性大的岩体（如沉积岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性较差     

基于细观试验和离散元法的盐岩力学特性

当前盐岩的宏观力学模型通常是唯象模型,不能很好地解释盐岩受力变形破坏的真正物理基础。盐岩是由于化学沉积而形成的矿物集合体,是一种主要由NaCl和少量杂质组成的多晶体,其变形机制主要由晶粒与晶界的力学特性控制。通过扫描电镜（SEM）,获得盐岩晶粒的微细观结构特征,采用分子动力学方法和纳米压痕技术,确定盐岩晶粒和晶界的微细观力学参数;将盐岩晶粒作为块体,基于Voronoi多边形技术,建立盐岩的微细观数值模型;利用离散元方法,对盐岩试件在单轴压缩和直剪条件下的宏观力学行为进行了数值模拟。数值模拟结果与宏观力学试验结果吻合度高,表明基于盐岩微细观晶粒结构特征并结合离散元数值模拟的方法能够较好地研究盐岩的宏观力学性能及其材料物理基础。