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。     

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。     

不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究

融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一.通过室内试验,针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土,在-8～24℃之间正弦波动的周期温度边界条件下,分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验(试样的初始温度为-1℃),研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程.结果表明:温度边界相同时,...     

京沪高速铁路饱和粉土液化特性试验研究

饱和粉土地基在动荷载作用下的液化问题是高速铁路抗震设计中重要的研究内容。为了能够定量地分析京沪高速铁路饱和粉土地基在加固前后的抗液化强度和地震时的变形特性,在室内对加固前后两种不同密度的饱和粉土进行了3组围压条件下一系列振动三轴液化试验。试验研究获得了两种不同密度饱和粉土的抗液化强度曲线、动强度及超静孔隙水压力的增长规律,为进一步分析饱和粉土地基在加固前后的液化变形特性提供了科学数据。     

利用强夯模拟试验研究饱和砂土强夯动本构关系

饱和土是孔隙中充满水的松散介质, 在强夯冲击荷载作用下的变形是非线性变形, 因此, 饱和土强夯动本构关系有其特殊性。本文利用具有 90年代先进水平高精度、高灵敏度的MTS810土动三轴仪对强夯加固饱和土地基进行了全面、系统的模拟试验, 试验按模型比设计, 试验条件与实际土体工况符合, 通过多组不同条件的组合试验, 获得了大量强夯数据, 在此基础上结合强夯现场试验对强夯过程中各种变量的变化过程及其相互关系进行了分析研究, 推导出强夯冲击荷载作下饱和土的动本构关系, 对强夯作用下土体动本构关系问题作出了有益的探索。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

考虑水力波动作用的潜蚀本构模型

潜蚀是指在渗流作用下，内部不稳定土中的可动细颗粒沿孔隙通道迁移的现象。在潜蚀的数值分析中，描述渗流作用下土中沉积细颗粒向流动细颗粒转化过程的潜蚀本构模型是数值分析结果可靠与否的核心。当前已存在不少基于恒定水力条件提出的潜蚀模型，但考虑水力波动作用的潜蚀模型还较为欠缺。首先，对不同水力条件下细颗粒迁移机制进行了归纳总结，强调了波动水力条件下细颗粒迁移机制的特殊性。然后，基于细观物理机制，利用沉积细颗粒向流动细颗粒的体积转化速率，建立了一个可同时考虑孔隙流速大小、孔隙流速变化速率以及水力作用时间的潜蚀本构模型。基于一套拟合参数，该模型较好地拟合了已有试验研究中多种波动水力路径下的细粒流失过程，证明了该模型的有效性。     

往返荷载下粘性土的强度及取值标准试验研究

通过对粘性土进行一系列动三轴试验，测定并分析了动荷载作用下为粘性土的动剪应力，轴向应变及超孔隙水压力随时间的变化规律，分析了破坏时不同固结比的粘性土对静，动剪强度和孔隙水压力影响规律，得出了粘性土的动剪强度随固结比变化的关系式，并对粘性土的动剪强度判别方法的标准进行探讨，得出了有益的结果。     

随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性

为了考虑随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性，研究了如何通过合理的地震响应分析确定饱和粉土层受到的随机地震荷载，进一步探讨了随机地震荷载作用下的动三轴试验技术，以及利用此种试验分析饱和粉土液化特性的方法。研究结果为形成判别饱和粉土层地震液化可能性的新方法提供了依据。     

饱和粉土静态液化性能试验研究

通过固结不排水三轴压缩试验,分析了围压、固结比和干密度等因素对饱和粉土静态液化特性的影响。试验结果表明,在干密度较小时,饱和粉土的偏应力-应变曲线呈现明显的硬变软化型,随轴向应变增大超静孔隙水压力增加、有效应力减小而发生静态液化,当干密度达到1.58 g· cm-3时,饱和粉土的偏应力-应变曲线表现出硬变硬化现象,超静孔隙水压力为负值或接近0,饱和粉土不再发生静态液化,即饱和粉土存在静态液化的干密度临界值;其他条件不变,随着围压、固结比或干密度的增大,偏应力峰值和残余强度均增大,静态液化势降低;根据有效应力路径建立了流滑面以作为饱和粉土稳定区与非稳定区的分界面。     

碎石土细颗粒迁移特征及优先流形成路径

碎石土是一种非连续、非均质的结构性材料,由于内部含有大量碎石块,容易形成架空结构,使其内部形成复杂独特的渗流通道即优先流通道,碎石土优先流通道是包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其优先流路径时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移,颗粒迁移与通道形成密切相关。为此,对两种不同级配土柱(粗细颗粒连续级配和间断级配)分别进行饱和渗流-颗粒迁移试验,从细颗粒迁移的角度分析通道形成的时空发展规律。试验结果表明：细颗粒迁移一部分由于流失引起碎石土渗透性增大,另一部分由于重新沉积而堵塞局部孔隙,降低渗透性,两者作用结果最终加速优先流通道形成;连续级配的碎石土形成大面积交叉分布的管网状渗流通道,间断级配的碎石土则形成集中渗流通道;相同水力条件下,不同级配细颗粒迁移的空间分布特征不同,连续级配的碎石土细颗粒迁移不随空间位置的差异而发生变化,间断级配的碎石土细颗粒迁移随空间位置的差异而发生变化,两种级配下碎石土细颗粒主要流失量的粒径范围均在1～0.075 mm;不同水力梯度条件下,连续与间断级配试验细颗粒流失量均随水力梯度增加而增大,间断级配的碎石土破坏时水力梯度小于连续级配破坏时水力...     

不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究

为了探究不同温湿条件下冻融循环作用对压实粉土剪切特性的影响,以郑州黄泛区粉土为研究对象,在-5～5℃和-15～15℃温度幅值冻融循环条件下,对含水率为6.0%、10.0%、14.0%、18.0%以及饱和含水率下的压实粉土试样进行冻融循环,并进行剪切特性试验及微观结构分析。结果表明：冻融循环过程中,压实粉土颗粒间的接触方式、排列组合和孔隙特征发生改变,抗剪强度呈先降低后逐渐趋于稳定趋势;由于土中水发生相变和颗粒间作用力发生变化,土样含水率越大,冻融温度幅值对土样剪切强度及其强度参数衰减作用越明显;相同温度幅值条件下,由于颗粒面胶结以及孔隙间水膜润滑的综合作用,冻融循环过程中压实粉土含水率越高,抗剪强度及黏聚力衰减比例越小,内摩擦角衰减比例越大。     

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。     

静偏应力下湛江结构性黏土的动力特性

针对天然强结构性湛江黏土,通过开展不同静偏应力影响下的不排水循环加载三轴试验,对循环荷载作用下的动变形、动强度和动孔隙水压力特性以及与土结构性间的内在联系进行系统性的试验研究。结果表明,结构性黏土在循环荷载作用下的突然破坏,具有脆性破坏特征,静偏应力越大,土体破坏应变越小。湛江黏土的临界动应力随静偏应力呈先增大、后减小的变化规律,在静偏应力较小时存在峰值。分析认为,静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值,小于该值时静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度,抑制了土的变形发展;当静偏应力继续增大,则土体结构损伤,动荷载下的临界动应力和动强度均呈下降趋势。结构性土的动孔隙水压力低于一般黏土,静偏应力的存在导致孔压在土体破坏后出现负增长,初始剪应力使结构性土体产生剪胀势。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

基于CT的干湿循环-动荷载贯序耦合作用下压实粉质黏土细观结构特征研究

为进一步揭示多因素耦合作用下服役期路基土体性能劣化机制,在前期工作基础上,采用CT扫描技术对经历不同干湿循环、动荷载条件的压实粉质黏土试样细观结构特征开展研究,分析干湿循环-动荷载贯序耦合作用对试样孔隙三维空间分布、孔隙体积统计分布、图像灰度统计指标的影响规律,分析试样宏观性能与细观结构特征的关系。试验结果表明：干湿循环作用会导致试样产生更多大孔隙和贯通裂隙,动荷载作用可以使因干湿循环产生的部分孔隙或裂隙闭合;随着干湿循环和动荷载的贯序耦合作用,试样中的小孔隙数量呈增多趋势;干湿循环作用均会导致孔隙总体积增加,动荷载作用则会使孔隙总体积减小;试样细观结构特征参数可以用于解释试样宏观性能演化规律。     

长期循环荷载下卸荷粉土动力特性的试验研究

通过杭州地铁5号线的卸荷状态饱和粉土的动三轴试验,研究了长期循环荷载作用下侧向卸荷状态饱和粉土的动力特性,总结了卸荷应力路径对该类土体的动力特性的影响。试验结果表明：饱和粉土在侧向卸荷时,存在临界动应力,并且土体在卸荷再加荷应力路径下的临界动应力最小;在动应力未达临界动应力时,土体累积动应变和累积动孔压发展表现为稳定型;而当动应力超过临界动应力时,土体累积动应变和动孔压表现为破坏型,但侧向卸荷应力路径下土样的累积动孔压发展曲线不会出现陡增阶段。研究结果显示,在侧向卸荷再加荷应力路径下的土体,因再加荷过程产生的超孔隙水压力的增加,会产生更大的动孔压和累积动变形,同时降低了该应力路径下土样的临界动应力,这也是引起地铁隧道周围土体的沉降和振陷的一个危险因素。     

风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究

连续降雨条件下,风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征是深刻认识反复翻浆冒泥病害机制的关键。采用不排水动三轴试验,模拟路基瞬态饱和区列车加载频率和连续降雨条件下排水边界条件,开展路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究。分析了细颗粒含量对风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力的影响,揭示了路基瞬态饱和区细颗粒含量临界值约为25%。当细颗粒含量小于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而增大;当细颗粒含量大于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而减小。引入等效粒间孔隙比的概念,解释了细颗粒含量临界值的微观机制和物理意义。基于试验构建了考虑细颗粒含量的风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力经验模型,分析了模型参数随细颗粒含量变化的敏感性。该模型有助于工程技术人员预测连续降雨条件下铁路路基瞬态饱和区动态水压力。     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明：砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

冲击荷载作用下海积软土的动力释水规律研究

通过真三轴试验,研究冲击荷载作用下海积软土的孔隙水压力、轴向变形等动力响应特征。利用热失重法和理论计算法,分析试验前后软土中结合水含量。研究表明,冲击荷载作用前后含水率变幅为15.6%～23.5%,结合水含量变幅为17.6%～29.4%,体积增大系数为2.1%～9.5%,冲击荷载作用下饱和软土的排水固结作用明显;试验前后软土中结合水含量变化较大,冲击荷载作用下软土的动力释水不同于静力作用下的释水规律;影响软土动力释水的主要因素有初始含水率、结合水含量、孔隙比、土的状态、动荷载大小和加载方式等。最后,总结出冲击荷载作用下海积软土动力释水规律和对工程设计的启示,该研究可为动力排水固结法的设计提供参考。