考虑级配影响的透水性基床填料细观空隙特征研究

大空隙级配碎石填料因其较好的渗透性能广泛应用于透(排)水性基床,然而级配对细观三维空隙特征的影响尚不明确。针对此不足,对3种代表性级配的透水性基床填料试样开展室内新型平板振动压实试验,并对压实后的试样进行高精度工业XCT扫描,重构其三维模型并获取其内部空隙,计算面空隙率、等效体积和三维形态等空隙结构特征指标,分析不同级配(颗粒堆积结构)对其三维形态及分布规律的影响。研究结果表明,不同级配的试样其内部面空隙率沿高度方向总体呈对称分布,即两端大中部小,骨架密实型颗粒堆积结构试样其面空隙率处于最低水平且沿高度方向的差异性最小,骨架空隙型颗粒堆积结构试样其面空隙率最大且不均匀性也最大;随着颗粒堆积结构从悬浮密实型过渡至骨架密实型再至骨架空隙型,试样内部空隙总数量大幅减小,孤立微空隙和小空隙数量减小,连通性较好的中空隙与大空隙增多;空隙形态逐渐演化为不规则型和长条型,并从较为圆润丰满型过渡至边缘残缺型,具有更好的连通性,可提供水气运移的通道。优化颗粒堆积结构有利于形成连通空隙并提供渗流通道,进而提升基床填料的水−力特性。研究结果可为透水性级配碎石基床填料的优化设计提供理论依据和技术参考。

基于迁移颗粒振动能量的粒料基层填料压实质量评价

目前,粒料基层振动碾压质量评价指标多基于振动轮的动力响应,鲜有研究考虑粒料基层填料自身的振动信号。依托新建铁路砂土路基填筑碾压现场试验段,开展动态变形模量测试,采用无线智能颗粒传感器实时监测振动碾压过程中填料颗粒的迁移运动,进而分析三向加速度及其边际谱能量随碾压遍数的变化规律;基于迁移颗粒的边际谱振动能量幅值,提出新的压实指标:迁移颗粒振动能量压实值(migrating particle vibration energy compaction value,MPVECV),并分析其与碾压遍数和动态变形模量之间的关联性,探究振动模式、碾压速度及监测位置对新压实指标评价效果的影响程度。研究结果表明:振动碾压过程中粒料基层填料颗粒存在多方向的振动效应,进而促使填料不断运动致密,上部振动轮输出能量驱使填料内部颗粒不断小幅运动和调整直至整体稳定。传感器的加速度边际谱幅值与振动碾压遍数以及动态变形模量的关联性较好;迁移颗粒平行于行车方向的MPVECV指标相比于其在垂直于行车方向及竖直方向的MPVECV指标可更好地表征粒料基层填料的压实质量和动态变形模量,因此可用其评价填料的压实状态。MPVECV指标更适用于强振工况且其评价效果受碾压速度和监测位置的影响并不显著。研究结果可为粒料基层填料智能压实提供实时、无损的评价指标和技术。

级配碎石基层填料回弹模量特性及预估模型研究

采用基于颗粒堆积理论提出的石砂比设计不同的透水性级配以及用于对比的常规骨架密实型级配,通过控制剪应力比设计不同水平的围压和循环偏应力组合,开展不同应力路径下的重复加载三轴试验,研究级配和应力状态共同影响下级配碎石基层填料回弹模量的变化规律;针对60组室内重复加载三轴试验数据,对比分析14种回弹模量预估模型的预测效果,进而提出可同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型,并验证模型的准确性。研究结果表明:同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型的准确性较高,对级配碎石基层填料回弹模量的预测精度更高,可为透水性基床级配碎石填料的高效利用和可持续推广提供理论依据和技术参考。

振动荷载下级配碎石颗粒运动及其能量特征试验研究

大空隙级配碎石因其良好的透(排)水性能逐渐用作“海绵城市”路面结构的基层填料,但振动荷载作用下填料颗粒在重新排列过程中的运动姿态变化以及能量状态空间分布规律仍不明确。文章基于颗粒堆积理论设计了不同级配的碎石填料,开展不同激振参数组合下的室内新型平板振动压实试验,在试样内部不同位置处放置新型智能颗粒传感器(SmartRock)实时监测压实过程中颗粒的运动姿态变化,由颗粒加速度响应分析填料内部运动能量的时空演变规律,进而提出基于颗粒运动和能量分布的填料压实质量评价新指标。研究结果表明,级配碎石填料振动压实过程可明显分为两个不同阶段:第一阶段大部分能量耗散于碎石颗粒的竖向运动及空隙的压缩,占主导的颗粒竖向运动未形成致密的骨架结构;第二阶段颗粒主要发生水平面内的平动以及竖直面内的滚动,颗粒的长轴取向逐渐趋近于“平躺”状态,大部分能量耗散于颗粒间空隙的填充,颗粒逐渐互相紧密咬合嵌挤并形成稳定的骨架结构。试样中上部颗粒的运动指标可较好地评判压实状态,当颗粒水平向运动能量从逐渐增大过渡到逐渐减小至几乎没有任何能量分布但竖向能量分布突增时,表明试样已达到较优的压实状态,新的颗粒运动和能量指标可为连续压实质量智能评价和调控技术研究提供有益的理论依据和研究基础。

城市深部近接全过程变形控制设计方法

研究目的:城市深部(50 m以深)地下空间开发利用面临多硐室近接建造问题,稳定性与变形控制要求相较于常规地下空间更加严格,目前尚缺乏系统的设计方法指导工程实践。为此,本文提出针对城市深部近接地下空间的全过程变形控制设计方法。研究结论:(1)基于多硐室近接开挖对岩土体、既有硐室、新建硐室变形机制研究结果,提出了近接建造变形控制原则,建立了城市深部地下空间近接全过程变形控制设计流程,给出了硐室施工变形(含岩土体变形)和结构变形的控制标准,提出了考虑近接类型、围岩等级、近接间距的近接风险分区标准;(2)从施工工法、岩土体变形控制、既有结构变形控制、新建结构稳定与变形控制等方面着手,提出了典型地层、风险分区条件下的深部近接隧道变形控制设计建议;(3)将该设计方法应用于重庆地铁18号线富歇区间典型深部近接工程,结果表明:依据该方法给出的设计方案能够有效控制深部近接工程变形,确保新建硐室稳定、既有硐室变形处于标准规定的范围内,可用于指导城市深部地下空间近接变形控制设计,具备推广应用价值。

振动荷载下不同级配的基床粗粒土填料孔隙连通性特征研究

路基基床粗粒土填料多采用振动压实方法填筑碾压,然而,目前尚不清楚级配对其压实后的三维孔隙连通性及渗流特性等的定量影响。为此,基于颗粒堆积理论设计G/S(石砂质量比)为1.0、1.8、2.5的基床粗粒土填料,开展室内新型平板振动压实试验并确定最优激振参数组合,针对在最优压实工况下的填料试样进行工业X射线计算机断层扫描(XCT)和三维模型重构,结合图像处理技术和最大球算法等量化其三维孔喉的连通性,进而模拟并对比分析不同级配类型填料试样的渗流特性。研究结果表明:当干密度较大时,激振频率为25 Hz,激振力为1.4 kN且激振时间至少为60 s;随着G/S增大,孔隙的喉道长度及半径均增大,中孔隙及大孔隙数量增多,平均孔隙半径增大;孔喉比可更准确地表征填料的渗透性能,即孔喉比增大,孔隙的平均配位数增大,孔隙的喉道增长、半径增大,孔隙连通性增大;G/S主要通过影响孔隙半径、喉道长度、三维孔隙连通性决定渗流速度,即G/S增大,孔隙的喉道形态由细长型渐变为粗短型,直至形成粗而长的渗流通道;在保证压实质量和施工后受力变形稳定性的前提下,可选用G/S较大的级配,以确保粗粒土填料振动压实后的孔隙连通性及渗透性能。

高速铁路路基填料原位振动测试研究

在京雄高速铁路路基修建现场,采用激振器模拟列车循环荷载,通过在不同深度、水平位置埋设可以同时测量三轴加速度和三轴欧拉角的新型传感器“SmartRock”,研究了在列车振动荷载作用下路基填料的振动特性。结果表明路基填料纵向振动是相对较小的,激振频率越接近填料固有频率,颗粒加速度幅值越大,路基填料压实效率越高;欧拉角的大小一定程度上可以反映土体的压实度,随激振频率的增加,欧拉角衰减越明显,填料颗粒越快达到稳定状态。

透水性级配碎石路基力学性能的直剪试验研究

透水性级配碎石路基(UPAB)由于其较高的孔隙率和渗透性开始被用于替代传统的密级配路基,并能够以经济环保的方式改善路基结构的排水性能,从而延长路基结构使用寿命。透水性级配碎石路基层多由开级配碎石集料组成,相较于传统的密级配碎石集料而言存在结构强度和力学稳定性欠佳等问题,开展级配优化对增强颗粒间的相互嵌挤咬合作用并形成荷载传递骨架结构至关重要。为验证一种可以增强透水性级配碎石路基结构强度的级配设计新方法,在规范范围内设计5个具有代表性的不同级配方案,开展击实及大型直剪等一系列室内试验,对比不同级配下透水性级配碎石路基材料的抗剪性能,并对试验前后的试样分别进行颗粒分析,探讨透水性级配碎石颗粒破碎规律及其影响因素。基于室内试验结果,确定并验证由级配设计新方法得出的最优级配设计。最优级配设计所对应的颗粒破碎程度也最低,可为透水性级配碎石基层的设计提供技术参考。

振动压实致粗粒土填料颗粒运移和空隙演化特征

路基粗粒土填料的连续振动压实质量评价仍缺乏颗粒运移、骨架和空隙结构特征等细观指标,为此,针对振动压实最优激振参数组合下的粗粒土填料,基于高精度工业X射线计算机断层扫描(XCT)及三维重构技术,从细观尺度对比分析了基床填料内部颗粒运动、迁移和分布规律,量化分析了不同阶段填料内部三维空隙结构演化特征。研究结果表明:振动荷载作用下粗粒土填料颗粒在第1阶段以竖向运动为主,填料内部空隙减小并逐渐形成骨架;颗粒在第2阶段主要在水平面移动及竖直面内滚动,颗粒间的咬合嵌挤作用增强;当超过60%的颗粒其长轴倾角绝对值大于60°时,表明填料已基本接近或达到较优压实状态;相比其他粒径颗粒,4.75~9.5 mm和2.36~4.75 mm两个粒径范围内的颗粒处于粗细颗粒的分界,在振动荷载作用下更趋向于调整自身的位置,进而强化粗颗粒间的骨架效应;随着压实过程的推进,填料内部粗颗粒骨架结构逐渐形成且细颗粒不断填充骨架结构的空隙,面空隙率沿试样高度方向的不均匀性减小,空隙整体形状向规则型发展且空隙间的形态差异不断减小。研究结论可为粗粒土填料室内振动压实质量评价提供更全面的颗粒运动和空隙结构特征等微细观指标。

透水型级配碎石基层填料强度演化特征的离散元模拟

骨架空隙型级配碎石填料因其较好的渗透性能而广泛应用于透水型基床结构层,但其在不同级配下的抗剪强度特征及演化规律仍不明确。首先针对6种不同级配类型的碎石填料试样开展了不同围压下的室内单调加载三轴压缩试验,进而采用考虑颗粒真实不规则形状的三维离散单元方法对室内试验结果进行了数值模拟研究,从颗粒间接触、微观组构和颗粒运动等角度揭示了透水型级配碎石基层(UPAB)填料抗剪强度机理及其随级配变化的演化特征,验证了室内试验得出的级配影响规律及级配优化设计方法。研究结果表明:细颗粒通过改变颗粒体系的内部排列结构(即各向异性程度)而直接影响级配碎石填料宏观抗剪强度,细颗粒含量对试样的剪切破坏形态有直接影响,随着细颗粒含量的减少,试样整体发生较大变形时表现为内部颗粒发生转动的比例下降但发生颗粒间滑动的比例增加;试样失稳的主要原因是由于颗粒拓扑结构的改变,最终发展成不可逆的塑性变形;级配控制参数G/S=1.8时试样表现出最低的各向异性特征,相同应变条件下的颗粒旋转角均值最小,表明此时试样内部的颗粒堆积排列最优且抗剪强度最高,G/S=1.8可取作“填充密实”型与“残余空隙”型结构的分界;不同级配的试样内部颗粒的欧拉角变化在4.75~9.50mm粒径范围内明显减小,表明该粒径范围是颗粒发生滚动和滑动的分界粒径,而颗粒滚动和滑动与其抗剪强度直接相关,故从颗粒运动角度验证了级配控制参数G/S的合理性。

透水性基床级配碎石填料强度变形特性试验研究

空隙结构良好的级配碎石因其良好的渗透性而逐渐用作透(排)水性基床结构层,但合理地控制和优化其在交通荷载重复作用下的强度和累积变形特性是亟待解决的关键问题之一。采用基于颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标设计7种不同的透水性级配以及用于对比的常规级配,分别开展室内击实试验和单调加载三轴试验研究级配对压实和强度特性的影响;通过控制剪应力比(SSR)设计重复加载三轴试验的不同围压和循环偏应力组合,研究级配对回弹模量、阻尼比和累积塑性变形等的影响。试验结果表明:不同级配试样的峰值偏应力存在差异,围压越大差异越明显,抗剪强度主要受内摩擦角控制;随加载次数增加,回弹模量迅速增大,阻尼比迅速下降,两者均在1 000次左右趋于平缓;不同级配试样的初始阻尼比、回弹模量和轴向累积塑性应变随剪应力比的增大而增大,剪应力比较高(SSR≥0.7)时差异越大;G/S=1.6~1.8时透水性级配碎石处于稳定的骨架结构状态,干密度、抗剪强度、回弹模量、阻尼比和累积塑性变形等均最优。可为透水性基床级配碎石的高效利用和可持续推广提供理论依据和技术参考。

透水性基床级配碎石填料宏细观压实特性试验研究

透水性级配碎石填料因其良好的渗透性而逐渐用于透(排)水性基床结构层,其压实质量直接影响路面结构工后变形和耐久性等关键服役性能。针对由颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标所设计的7种不同的透水性级配,分别开展室内重型击实和新型平板振动压实试验,研究级配、压实方式和能量水平等因素对碎石填料宏观压实特性和颗粒破碎的影响以及平板振动压实的最优激振参数组合,提出并初步验证对同种类型填料级配、压实方法和能量等的改变不敏感的干密度-饱和度归一化压实曲线;进一步采用高精度工业XCT扫描技术,从细观尺度对比研究了最优激振参数组合下不同级配的碎石填料试样内部颗粒运动、空隙分布和连通性特征等。结果表明:石砂比(G/S)指标级配设计方法可有效地区分透水性级配碎石填料不同的颗粒堆积结构类型,存在最优G/S值范围可使压实后的干密度最大、颗粒破碎程度最低和空隙结构最佳;平板振动压实下干密度随激振时间呈现3个不同的阶段,最优激振频率范围为25~27 Hz,且存在有效的激振时间和激振力组合,XCT扫描结果从细观层面分析不同阶段颗粒的运动规律验证宏观压实特性的变化规律,对比不同级配的空隙分布和连通性证实石砂比(G/S)指标控制颗粒堆积结构类型的有效性;提出的干密度-饱和度归一化压实曲线可更准确地评价和控制现场压实施工质量。

透水性级配碎石基层填料永久变形特性及预估模型

透水性级配碎石基层填料因其大而连通的孔隙可有效增强道路系统的排水和生态功能,对“海绵城市”建设意义重大,但其在交通荷载重复作用下的变形稳定性仍有待深入研究。针对由颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标所设计的5种不同的透水性级配碎石填料试样,开展了室内动-静三轴试验,研究了级配和应力状态对填料抗剪强度和累积塑性(永久)应变特性的影响,相应地提出了基于级配和剪应力比的力学-经验法预估模型,验证了模型的准确性。研究结果表明:相同G/S值的填料试样在同一围压水平下的轴向累积塑性应变随剪应力比的增大而增大,在同一剪应力比水平下的轴向累积塑性应变随围压的增大而增大;G/S=1.6~1.8的级配碎石填料抗剪强度和抗永久变形性能均最佳,预估模型对于不同G/S值、剪应力比和围压水平下透水性级配碎石填料轴向累积塑性应变的预测具有较高的准确性。