土力学视野下的自然奥秘

土力学是以土为研究对象,研究土的基本物理性质及强度、稳定性、渗流的学科,以解决诸如饱和砂土液化、边坡稳定及地面沉降等工程问题,与人类社会发展和生活密切相关。自从人类改造、利用、适应自然开始,大自然中有许多诸如毛细现象、管涌流砂、拱效应等神奇的奥秘都被人们以土力学的思维巧妙利用和防治。教学中若能基于生活现象和案例,剖析现象与原理间的关系,不仅可使学生较易掌握理解基本原理,还可引导学生挖掘我国优秀经验、技艺及文化,对于增强文化自信、增强民族自豪感具有重要的现实意义。

风荷载和列车共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性研究

我国是世界上沙漠分布最多的国家之一,沙漠中蕴藏着丰富的矿产资源。西部大开发和“一带一路”倡议将进一步推进沙漠地区铁路建设。利用丰富的沙漠风积沙作为铁路路基填料具有重要的经济意义和推广应用前景,风积沙包芯路基是一种充分利用风积沙作为铁路路堤填料的新型结构。为研究列车荷载和风荷载共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性计算方法,基于折线滑动法原理,对路堤结构进行分层分区,采用极限平衡方法,推导出列车荷载和沙漠风荷载共同作用下铁路风积沙包芯路基的稳定性系数计算公式并编制计算程序。结合和若铁路风积沙包芯路基的工程实例,验证了该计算方法的可行性。基于该计算程序,研究了风荷载大小、风向角、路堤填筑高度、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡稳定性系数的影响,分析了风向角、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度的影响。计算结果表明,风积沙包芯路基边坡稳定性系数与风荷载大小近似呈线性负相关,与风向角大小呈非线性正相关。风积沙包芯路基边坡稳定性系数富余量与路堤填筑高度呈负相关。风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度与风向角大小呈非线性负相关,与风积沙填料的内摩擦角大小近似呈线性负相关。建议风积沙包芯路基边坡设计中应考虑风荷载的影响。研究成果可供沙漠地区风积沙包芯路基设计借鉴和采用。

新型土工织物处治膨胀土水分迁移试验研究

膨胀土是一种亲水性较强的特殊土,遇水易发生胀缩变形,导致修建在膨胀土地区的路基常产生路面开裂、沉降、翻浆等病害。新型土工织物是一种具有排水与加筋功能的新型土工材料,除像传统排水结构一样能排“明水”外,其毛细织物沟槽产生的毛细力还能排毛细水,在非饱和环境下排水效率高。为研究新型土工织物对膨胀土水分迁移的影响规律,通过在膨胀土中设置一层土工织物,开展毛细水上升、降雨入渗条件下素土(素土样)、新型土工织物排水(排水样)及不排水(阻隔样)3种工况的一维土柱对比试验,探索新型土工织物对膨胀土的含水率(体积、质量)、膨胀率及不排水强度的影响规律。研究结果表明:膨胀土与新型土工织物形成的阻隔系统使得更多的水分集聚在土工织物周围,产生了类似“锅盖”的效应;在膨胀土中铺设新型土工织物,能延缓水分迁移速率和抑制胀缩变形,膨胀土的不排水抗剪强度发生了显著变化;阻隔样中新型土工织物将水分吸附、阻滞在其周围不能排出,易造成病害,排水样中试样内外湿度差产生的吸力差将“抽吸”到新型土工织物毛细沟槽中的水分横向导出;为充分发挥新型土工织物在非饱和环境下的排水效率,需将其延伸至土样外。研究成果可为膨胀土路基设计、施工及病害处治提供参考。

铺设方式对新型土工织物排水效率影响的试验研究

新型土工织物是一种排水效率较高的土工材料,相比传统土工织物,能将路基内的水分更高效率、更大程度地排出。目前关于这种新型土工织物的排水机理已有一定研究,但关于其铺设方式对排水效率的影响还缺乏系统研究。鉴于此,基于新型土工织物的编织结构、排水方式和墨水消散试验,通过在砂土中铺设一层土工织物,开展不同铺设方式下的排水对比试验,研究新型土工织物不同铺设方式对排水量、砂土湿润锋,砂土含水率(体积、质量)的影响规律。研究结果表明:新型土工织物水平+垂直向上铺设、新型土工织物水平+垂直向下铺设、传统土工织物水平+垂直向下铺设收集到的水量分别较砂土自由排水多12.23%、10.41%和5.97%;新型土工织物排水效率受铺设方式的影响,新型土工织物水平+垂直向上铺设排水效率最大;新型土工织物水平+垂直向上铺设时,不仅增加了排水路径,还扩大了排水影响范围,使砂土形成一定的湿度差,产生的吸力差能驱使水分迁移,加之新型土工织物的毛细作用,更多的水分被导出;砂土自由排水时,自由水沿孔隙排出,砂土中铺设传统土工织物,虽增加了排水路径,加速了排水效率,但其是憎水材料,在非饱和环境下排水效率低。研究成果可为新型土工织物处治路基病害的设计、施工提供参考。

道砟嵌入路基土三轴试验及离散元模拟研究

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特征。研究结果表明:在动荷载作用下,道砟与路基土之间仅通过接触面上有限数量的离散接触传递应力,随动应力幅值增加,道砟嵌入深度也不断增加,嵌入深度与动应力呈指数函数变化。道砟嵌入路基土变形过程分为局部挤压阶段、剪切带形成阶段及剪切带发展阶段,道砟嵌入会使得道砟−路基土接触界面的土样孔隙率显著增加,同时也会使得接触界面发生显著的侧向变形。孔隙率较高的饱和试样在较低的动应力作用下会发生翻浆冒泥现象,道砟嵌入导致的路基面孔隙率升高是既有路线发生翻浆冒泥的重要原因,防治翻浆冒泥需重点防止道砟嵌入导致的土样局部孔隙率升高。该研究成果可加深对道砟嵌入现象以及由此引发的路基表层变形行为的认识。

列车荷载作用下风积沙包芯路基动力响应试验研究

我国沙漠铁路沿线优良填料极其匮乏而风积沙资源相对丰富,但风积沙存在级配不良、结构松散等缺陷,不宜直接用作基床填料。风积沙包芯路基兼顾经济环保与力学性能,就地取用沿线风积沙填筑基床底层,取用卵石土对其包边封层。通过对风积沙包芯路基开展现场实车动测,获得路基动响应与振动能量的空间分布特征以及随轴重和车速的变化规律。研究结果表明:路基动应力沿深度的衰减主要集中于路基面以下0~0.6 m和1.5~2 m范围内,加速度沿边坡的衰减主要在距轨道中心5 m范围内。动应力和加速度幅值均随轴重和车速的提高明显增大,衰减速率随轴重的增加而降低。动应力频谱服从倍频规律和幅值调制效应,0~2 Hz的低频振动对动应力起控制作用。加速度振级集中分布于12.5~31.5 Hz中心频段内,0~10 Hz的低频段振级沿边坡衰减剧烈,10~40 Hz高频段振级的衰减相对较小。振动总能量沿路堤边坡耗散近80%,总能量在各频带上的聚集量:频带2>频带1>频带3>频带4。各频带能量均随轴重和车速的增加而增大,增长幅度随频带的提高逐级递减。研究成果可以为沙漠铁路路基工程的后续建管标准与运维实践提供参考。

格栅节点加强对风积沙筋土界面力学性能的影响

在普通双向土工格栅上附加节点,可形成具有立体加筋效果的加强节点土工格栅。在普通双向土工格栅加筋风积沙拉拔试验和离散元数值模型的基础上,构建加强节点土工格栅加筋风积沙的三维离散元拉拔模型,研究加强节点排布方式、厚度、数量、相邻节点间距对筋土界面力学性能的影响。研究结果表明:在节点上侧加强、节点下侧加强和节点上、下两侧同时加强的排布方式中,上下两侧同时加厚对极限拉拔阻力和界面摩擦角的增幅最大;加强节点可优化土工格栅的加筋性能;当节点布置方式不变时,加强节点厚度和节点数量均与极限拉拔阻力增量呈现出良好的线性相关性;与普通土工格栅相比,加强节点土工格栅的剪切带范围更大,且限制土体位移的能力更强;当多个节点同时工作且相邻节点的间距较小时,相邻节点的影响区域互相重叠,使节点提供的极限拉拔阻力增量降低,产生节点群体效应;随着相邻节点的间距增大,节点影响区域的重叠范围减少,群体效应逐渐减弱。

铁路基床底层风积沙填料长期动力稳定性研究

为了研究铁路基床底层风积沙填料的长期动力稳定性,以和若铁路某试验段路基为研究对象,开展现场动力响应试验,试验车速分别为5,20和30 km/h,轴重分别为14.5 t和23.5 t,分析动应力随列车速度、轴重及沿深度的变化规律,基于现场测试和以往动三轴试验成果,将临界动应力和累积塑性变形作为评价参数,分别从动强度和动变形2个方面评价和若铁路基床底层风积沙填料的长期动力稳定性。研究结果表明:1)当列车以不大于30 km/h的速度运行时,车速对基床动应力值的影响很小,但轴重的影响十分显著,不同轴重作用下动应力衰减系数沿深度的变化曲线基本重合,动应力经过基床表层衰减约39.7%,传递至基床底层底面衰减约84.6%。2)在和若铁路基床底层范围内,列车荷载产生的动应力为12.86~53.05 kPa,小于风积沙临界动应力66.02~100.21 kPa,从动强度角度来说,风积沙用作铁路基床底层填料满足长期动力稳定性要求。3)基于基床填料的累积塑性应变模型,采用分层总和法计算了和若铁路基床层的累积塑性变形,结果发现列车荷载作用下基床变形主要集中在第1个月,累积变形量为13.59 mm,小于规范允许的月沉降量25 mm,从动变形角度来说,风积沙用作铁路基床底层填料满足长期动力稳定性要求。研究成果可为沙漠地区路基填料选择及基床结构设计提供参考。

蒸发蒸腾作用对新型土工织物排水效率影响的试验研究

相比于传统土工织物,新型土工织物是一种因编织了亲水尼龙织物而在非饱和环境下具有较高排水效率的新型材料,其排水效率受铺设方式、降雨、温度、相对湿度等因素影响。目前关于铺设方式、降雨对其排水效率的影响已有一定研究,但有关蒸发、蒸腾作用对排水效率的影响还缺乏系统研究。鉴于此,基于已开展的砂土自由排水和新型土工织物水平铺设(排水端延伸至空气中)下的排水试验,首先通过在砂土中设置一层不同铺设方式下的新型土工织物(排水端未延伸至空气中,无蒸发),开展排水对比试验;随后,在砂土中设置一层新型土工织物,开展排水端延伸至空气中(蒸发),排水端穿过植草土壤(蒸腾)下的排水对比试验,探究新型土工织物在蒸发、蒸腾作用下砂土湿润锋、砂土含水率(体积、质量)的变化规律。结果表明:在砂土中铺设一层新型土工织物后,虽增加了排水路径,但新型土工织物排水端未延伸至空气中,不能进行蒸发作用,加之铺设的新型土工织物上无湿度差,不能产生吸力差,水分迁移仅受重力影响,其排水效率接近砂土自由排水,反之,水分迁移将受重力和吸力双重作用,更多的水分被排出;新型土工织物蒸发作用下的排水效率是无蒸发作用下的1.25倍,蒸发作用对排水效率的影响大于铺设方式;蒸发作用相当于天然“水泵”,新型土工织物相当于排水“管道”,若排水时间足够长,新型土工织物能持续降低砂土中水分;为发挥新型土工织物最佳排水效率,须将新型土工织物排水端延伸至空气中进行蒸发作用;用于排水的材料若在非饱和环境下排水效率低,不仅不能排水,反而阻滞水分迁移,抬升地下水位,产生不利的影响;植物蒸腾和土壤蒸发作用能提高新型土工织物排水效率,但影响小于蒸发作用。研究成果可为新型土工织物的排水设计、施工提供参考。

东江大桥嵌岩桩承载性能试验研究

报道了东莞东江大桥两根大直径嵌岩桩桩基承载力试验,探讨了嵌岩桩荷载传递规律,分析了桩端阻力和桩侧摩阻力随荷载的变化规律和桩底注浆对桩端附近侧阻力和端阻力的影响,得到了桩端附近侧摩阻力与相对位移的关系。结果表明,两桩桩底存在沉碴,Q–s曲线呈双折线型;桩端压浆对提高嵌岩桩的极限承载力效果显著,对减小桩基沉降有作用,不是明显;桩端附近侧摩阻力与相对位移的关系为加工软化型或抛物线型,桩底注浆对侧摩阻力与相对位移的关系有影响。

路基填土对桥台桩基影响的试验与数值仿真分析

台后路基荷载会使地基软弱下卧层发生压缩和水平移动,致使桥台桩基的受力性状非常复杂。在现场测试结果的基础上,建立了三维有限元模型,模拟了台后路基荷载作用下桥台桩基的受力性状,并与实测结果进行了对比分析。结果表明,有限元计算结果与实测结果较为一致。中间桩排和后排桩桩身最大弯矩与台后路基荷载的关系呈双折线型,与Stewart等提出的一致,但双折线转折点所对应的路基填土荷载并不一致。中间桩排的填土荷载为软土层固结不排水黏聚力强度ccu与土层厚度的加权平均值的3.34倍,后排桩约为2.22倍;前排桩的最大弯矩与路基填土荷载呈线性变化。桩顶变形与台后路基荷载呈非线性关系,可以分为两部分。前排桩桩身最大弯矩位置一直在软土层中,不随台后路基荷载变化;而后排桩桩身最大弯矩位置在台后路基荷载较小时位于软土层中,随着台后路基荷载的增大,最终出现在桩顶。

重载铁路过渡段路基动力响应特性试验研究

掌握列车移动荷载作用下路基的动力响应特性可为路基沉降预测,状态评估提供依据。开展重载铁路过渡段路基动力响应测试,研究动位移峰值沿线路纵向及边坡方向的变化规律,分析路肩处动位移峰值的随机分布规律。研究列车动荷载作用下路基的动力响应特征,并揭示振动能量沿路基边坡的衰减规律。结果表明:列车动荷载对路基的作用具有明显的周期性,可将相邻车厢的两个前后转向架作为一个加载单元,在该加载单元的重复作用下路肩处的动位移峰值服从正态分布。重载列车动荷载作用下路基的振动频率主要分布在0～20Hz范围内,振动能量从路肩向坡脚方向衰减剧烈,基床层受列车动荷载影响显著,而基床以下路基受列车动荷载影响非常微小。分析结果有助于评估列车荷载作用下路基的瞬时及长期动力稳定性,同时为采用模型试验及数值分析手段研究路基动力响应特性时准确模拟重复列车动荷载提供了思路。

软基台后路基填土对桥台桩基侧向影响的试验研究

基于现场测试试验,获得了台后路基填筑前后桥台桩基应力变化的第一手资料;根据测试结果求出了基桩在台后填土前后基桩的弯矩。结果表明,在过渡段填筑之前,远处路基填土已在桩身产生了弯矩;在过渡段填筑期间,基桩弯矩随填土高度的增加而增加;过渡段路基填筑完毕,基桩弯矩也停止了增长。所得结论有助于进一步认识台后填土对桥台桩基侧向影响规律。

桩-土间剪切应力的传递探讨

对不同情况下桩-土间剪切应力进行了初步的理论分析,并基于ADINA有限元程序,对不同情况下的桩-土间剪切应力进行了计算对比分析。结果表明,同种土体和桩体条件下,各种模式达到极限状态时桩-土间剪切应力不同,堆载作用下负摩擦力值最大,抗拔桩负摩阻力值最小,桩顶受压桩、托桩的摩阻力值介于其间;桩材泊松比在0.15～0.35范围内时,桩侧摩阻力随泊松比的增大而增大。所得结论有助于进一步认识桩-土相互作用规律以及桩-土荷载传递机制。

堆载对既有桥墩桩基础影响距离分析

软土地基对外部环境的变化非常敏感,附近堆载对高速铁路既有桥墩基础可能产生重大影响,必须加以控制。以某高速铁路典型桥墩为例,建立三维有限元模型,分析了实际情况下堆载对桥墩变位的影响,其结果与实测数据吻合良好;然后变化堆载与桥墩之间的距离,详细地分析了不同距离下堆载对桥墩群桩基础的内力和变位的影响。结果表明:堆载与既有桥墩的距离越远,堆载对桥墩桩基础的内力和变位的影响越小。当堆载距离d小于软土层厚度h的4倍时,随d/h的增加,桥墩水平变位下降迅速;当d/h>4时,随d/h的增加,桥墩水平变位下降缓慢。堆载与桥墩之间的控制距离取决于堆载规模、软土厚度和埋深、桥梁上部结构正常工作条件下所能容许的最大水平变位。

基床翻浆冒泥土的物理力学性质

随着列车提速和轴重大幅增加,基床出现翻浆冒泥病害的几率加大.为了进一步研究翻浆冒泥发生机理和探究其发生条件,系统研究了60多组翻浆冒泥实例,分析了翻浆冒泥土的颗粒组成、可塑性指标、渗透性及矿物成分等物理力学性质.研究结果表明:翻浆冒泥土中,绝大部分黏粒含量大于20%、粉粒含量大于20%,黏粒含量大于30%和粉粒含量大于40%的土所占数量最多;翻浆冒泥土中粉粒的含量一般要高于黏粒含量;翻浆冒泥土(主要包括砂黏土、粉质黏土、黏土和部分低液限粉质黏土)液限大于23%,塑性指数大于6.5;翻浆冒泥土渗透系数小于1.0×10^(-5)m/s;翻浆冒泥土的渗透系数与细颗粒含量之间存在较好的负指数关系.

轨道-路基动力试验系统的研制与应用

针对室内铁路路基动力模型试验加载面临的困难及列车荷载较复杂这一特点,研制了大型轨道-路基动力试验系统,介绍该系统的主要构成、功能特点及工作原理。在室内进行轴重分别为23t、25t、28t、30t,速度为80km/h的路基动力响应试验。试验结果表明,该系统设计新颖、技术先进、稳定性能好,能较真实地产生列车竖向荷载,为室内开展大比例尺路基模型试验提供了重要平台,目前该系统已用于多项重载铁路和高速铁路路基工程动力响应长期动力性能试验。

填土荷载对邻近桩排影响的有限元分析

建立了填土荷载对邻近桩排作用的三维有限元模型,分析桩顶边界条件和桩-土接触变化时桩基的不同性状,探讨了桩-土间土拱效应,分析了桩身挠曲、桩侧土压力和桩身轴力同填土荷载之间的变化规律。结果表明,填土荷载作用下,桩身挠曲与填土荷载成非线性关系,可以用三折线模型来模拟;桩顶自由时,桩前的土压力介于朗肯主动土压力和被动土压力之间,呈非线性分布。同种土中,桩侧土压力沿桩身呈线性分布,但比Ito理论和沈珠江理论求得的极限土压力都小。桩-土间设置接触单元能更实际地模拟桩基负摩擦力。所得结论对研究被动桩桩-土相互作用以及桥台桩基的设计和施工提供参考。

低承台桥台桩基侧向受力性状试验与数值分析

基于现场测试结果,采用三维有限元技术分析低承台桥台桩基在台后路基填土过程中桩基沉降、桩身弯矩、桩顶水平变形、桩身剪力和桩侧附加水平挤压力随台后填土荷载增加的变化规律。研究结果表明:计算结果与实测结果吻合较好;桩顶水平变形和桩身最大弯矩随填土荷载的增加近似呈线性增加;深度方向20 m范围内,桩身剪力图呈"S"型,桩侧附加水平挤压力图呈抛物线型。低承台桥台桩基力学模型等同于桩顶和桩端嵌入一定深度、具有一定变位的超静定梁结构。本文所得结论可以为桥台桩基的设计和施工提供参考。

自平衡试桩法一种等效转换方法

在对比分析自平衡试桩法与传统的单桩竖向抗压静载试验方法的基础上,提出了自平衡试桩法的一种等效转换方法。该方法首先对试桩数据进行反分析,利用Mindlin解求出上段桩侧摩阻力在桩周土体引起的附加应力,然后采用有效应力法得到侧摩阻力系数β与桩土相对位移δ的关系,在此基础上,利用有效应力法自下而上分析得到竖向抗压静载试桩的Q–s曲线。整个分析过程考虑了自平衡试桩法与竖向抗压静载试验方法中上段桩在地基中产生的附加应力对侧摩阻力的不同影响,同时又避免在等效转换过程中引进经验系数,并通过实例验证了该方法的正确性和可行性。