顺坡渗流条件下土质边坡浅层稳定分析

从斜坡土体应力状态出发,结合Mohr–Coulomb破坏理论,开展了降雨入渗形成顺坡渗流条件下的无限长土质斜坡浅层稳定分析,提出了边坡浅层失稳呈现上缘张拉区、中段主滑区和下缘挤压区三段滑动区域组成的"顺坡曲线"破坏模式;基于定积分元素法,论证了上下缘滑动区域土体的破裂面具有对数螺旋线形态特征,建立了考虑渗透力作用、采用有效应力表达、能较好反映入渗深度wz和主滑区长度L2等因素影响的"顺坡曲线"组合滑面浅层稳定分析方法。研究表明:边坡浅层土体稳定性随L2增大逐渐降低,最终趋近于无限长斜坡稳定分析结果;随wz增加直到最大入渗深度fz,处于极限平衡状态下的滑体L2逐渐减小至零,浅层局部失稳的"顺坡曲线"破坏模式将退化为深层整体失稳的对数螺旋线型曲面破坏模式;wz<fz时,对边坡浅层稳定性若采用整体曲面滑动法进行分析将得到偏于危险的结果。

雨水浸润软化下路基土质边坡浅层稳定分析

在雨水浸润软化引起边坡浅层失稳的"顺坡平面"和"顺坡折线"两种破坏模式基础上,明确边坡浅层溜坍呈现组合式"顺坡曲面"失稳模式;基于Mohr-Coulomb强度理论,建立雨水浸润软化土体达到破坏的判别方程,导出顺坡向滑动的主滑区滑体产生剩余下滑力对应的最小软化深度zcr,论证软化深度zw=zcr仅是产生浅层失稳破坏的必要条件,充分条件还须考虑上下缘滑体的力学作用;确定对数螺旋线滑体上下缘滑动面形态,提出满足上下缘滑体力矩平衡、中段主滑体静力平衡的土质边坡浅层稳定分析方法。分析表明:浅层边坡失稳的主滑区范围L2随zw呈双曲线衰减关系,在L2=0对应的最大浸润软化深度zf下,滑动面退化为具有对数螺旋线型特征的单一整体滑面破坏模式。

矩形骨架防护路基边坡浅层稳定性及优化设计

为掌握骨架防护结构对路基边坡浅层土体稳定性,基于无限长斜坡浅层顺坡平面失稳模式,开展了矩形横、竖骨架与浅层滑动土体相互作用分析,讨论了骨架框内土体的破坏模式及相应判别方法,构建了以工程造价为目标函数的结构优化模型。分析表明:边坡浅层土体存在沿骨架底部剪切滑动、横骨架挡土被动破坏的两种模式,且模式转换阈值lsp主要受土体强度、骨架和边坡几何参数影响;边坡浅层稳定安全系数随骨架宽度和厚度的增大分别呈现线性和指数型增加的规律,而随骨架横、竖净距增大均呈现幂函数型降低的规律;lv=lsp是在边坡浅层稳定性为约束条件下的矩形骨架最优竖向净距,最优横向净距主要受施工费在总造价中所占权重的影响,并随每延米施工费所占比率的增加而增大。

路基边坡浅层稳定的骨架防护效应及结构优化

为掌握骨架防护结构对路基边坡浅层土体稳定性影响,在无限斜坡浅层稳定计算模型基础之上,针对矩形横、竖骨架与浅层滑动土体相互作用特点,提出坡面土体沿骨架底部剪切滑动、横骨架挡土被动破坏的两种模式,并推导相应转换阈值l_(sp)方程,建立骨架抗力作用下的边坡浅层稳定安全系数F_s的表达式。以横骨架挡土抗力E和骨架底部摩阻力为主要荷载,构建以圬工量为目标函数,骨架强度和浅层稳定安全系数为约束条件的结构优化模型。研究表明:骨架竖向净距l_v<l_(sp)为底部剪切滑动模式,E随lv线性变化至最大为被动土压力E_p,l_v≥l_(sp)时开始进入挡土被动破坏模式,E=E_p;单位防护面积所用圬工量相同时,增大骨架截面厚度h较增大宽度b、减小lv较减小横向净距lh能获得更大的F_s,但对骨架结构强度要求更高;l_v=l_(sp)是单位防护面积所用圬工量最小对应周长最短的骨架竖向最优布置净距,lh合理值可根据骨架截面施工构造限值确定。

顺坡渗流下矩形骨架护坡浅层稳定性

基于顺坡渗流条件下土质边坡浅层顺坡平面滑动简化计算模型,以骨架防护单元为研究对象,分析骨架与土体相互作用关系以及低应力水平下土体抗剪强度非线性特点,提出矩形骨架框内土体沿骨架底部直接剪切滑动(模式Ⅰ)、被动土压力破坏(模式Ⅱ)两种模式及以竖向净距为表征参数的模式间转换阈值l_(sp),建立考虑渗透力影响的矩形骨架防护土质边坡浅层稳定安全系数表达式,初步构建了以边坡浅层稳定和矩形骨架结构强度为双控目标的防护工程检算方法。分析表明,阈值l_(sp)主要受骨架厚度h影响,并随h增加逐渐增大;受骨架竖向净距l_v影响的两种模式中,模式Ⅱ下的l_v对安全系数影响更为显著,模式判别不当将会因高估骨架抗滑作用而得出偏于危险的结果;在满足边坡浅层安全系数和骨架材料强度下截面深嵌的横窗型较截面平展的竖窗型骨架结构能更节省圬工用量。

铁路路基膨胀土填料改良试验研究

膨胀土的改良是膨胀土路基工程研究领域中的重要问题之一,结合沪汉蓉通道武康二线襄胡段路基试验工程,分别以生石灰、水泥、粉煤灰以及二灰(粉煤灰—石灰)作为膨胀土的改良剂,通过室内基本试验研究,对各种改良膨胀土的胀缩性、强度特性、水稳定性、龄期效应和干湿循环下其强度变化规律进行了研究,对各种改良膨胀土的改良效果进行对比分析。试验研究表明:石灰可以显著减小膨胀土胀缩性;石灰改良膨胀土相对于其他改良膨胀土具有良好的强度特性、龄期效应和水稳定性,而且石灰改良膨胀土具有很好的抵抗干湿循环后强度减小的特性;水泥改良膨胀土也具有良好的强度特性,但水稳定性较弱;二灰改良膨胀土和粉煤灰改良膨胀土抵抗干湿循环的效果较弱。

Coulomb模型下考虑墙体侧向位移的土压力计算

墙体侧向位移对土压力有显著影响。基于墙体位移–土压力关系是墙后土体应力应变特征的宏观体现这一基本认识,通过构建Coulomb土压力模型下的几何与平衡方程,将直剪试验中微观的土体单位长度剪切位移ε同剪应力τ关系转化成宏观上的墙体位移与土压力曲线,推导了极限位移可求、涵盖主动至被动状态全过程的墙体位移–土压力计算模型。分析表明：滑移区范围、初始应力状态及土体的ε–τ关系是影响墙体位移–土压力曲线的核心要素;相对于主动区,被动区范围对墙土摩擦作用更加敏感,导致静止与被动状态之间的位移–土压力关系受墙土摩擦影响更加显著;墙后土体初始应力状态对墙体位移的影响主要体现为静止土压力系数K_0,随着K_0的增大主动与被动状态下的墙体位移相应增加和减小;极限状态下墙体位移与工程经验吻合,理论模型能基本反映土压力随位移的变化规律。

座椅舒适度的人-椅界面体压分布表征

对人-椅界面体压分布指标、计算方法及其表征进行阐述,将体压分布指标分为基本指标、静态指标和动态指标3类。其中静态指标包括座椅压力分布SPD%、圆型压力梯度GC以及线型压力梯度GT,动态指标包括动态座椅压力分布DSPD%、压力变化率均方根Pcrms以及区域压力变化率aPcrms。通过不同曲面造型及不同硬度坐垫的体压分布实验研究,结果表明:GC、GT以及SPD%与座椅舒适度成线性关系,GC与GT值越小,坐骨结节处越舒适,SPD%值越小则座椅整体舒适度评价越高;曲面下凹适中的坐垫比平坦的坐垫较舒适;最大压力Pm以及SPD%可以明显的表征坐垫材料的软硬度,硬坐垫的Pm、SPD%值较大,但是当被试体重过大,超过一定的阈值后,SPD%表征材料软硬度的能力失效。

桩板墙支护下的高速铁路陡坡地基路堤变形演化特性

高速铁路对路基工后变形要求严格。以某陡坡地基桩板墙支护路堤为研究对象,基于针对桩体位移演化特性及路堤填土变形空间响应的900余天现场观测,构建了以限制桩前地基土横向应变为核心、检算点桩体位移为表征的桩板墙长期变形状态评价方法,讨论了相应桩体位移规范限值。研究表明:深锚固、强约束桩板墙能有效限制陡坡地基路堤侧向变形,桩顶位移仅为23 mm,其中填筑完成后占30%、1~1.5 a趋于稳定;桩体侧移引起路堤填土横向张拉变形的影响范围介于墙背和稳定区之间,竖向工后压缩变形符合中部大、上下端小的分布规律,且收敛快于横向;地面处桩板墙位移为13 mm,处于时间效应微弱的快速收敛状态,而规范有关该处10 mm的位移限值则对应无时间效应的纯弹性状态。

路基坡面防护空心砌块几何尺寸优化设计

空心砌块常用于路基边坡的坡面防护,以防止土质边坡表层土体因降雨导致侵蚀破坏,进而保证坡面的稳定。空心砌块内松散土体在雨水渗流下的冲蚀破坏是导致砌块底部脱空、防护结构局部坍塌的主要因素。以渗透作用下表层土体稳定的临界坡角为技术参数,以防止空心砌块内土体被冲蚀为控制条件,建立空心砌块几何尺寸与砌块内土性及边坡坡度的函数关系;针对六棱空心砌块构造特点,提出维持块内土体稳定并具有设计安全储备的几何尺寸优化建议值。

套管式TDR水分传感器侧向感应范围试验分析

套管式TDR水分传感器可以实现土体水分空间分布的连续变化观测。为明确套管式TDR水分传感器的测试准确性、稳定性及平面侧向感应范围,设计方形平面边长依次为100~600 mm、高度为400 mm的砂箱模型,进行10%目标质量含水率标准砂试样的标定试验。分析表明:砂箱边壁位于传感器平面侧向感应范围以外,质量含水率测试误差为正态分布随机误差,且置信水平为0.95的误差分布区间仅为(-0.41%,+0.41%),满足土工试验规范要求平行测定差值不大于1.0%的规定,测量精度达到了传感器标称±2%等级标准;针对沿深度变化的砂土含水率,TDR测试值通过了显著性水平α=0.05的多样本变异系数齐性检验,具有良好的稳定性;砂箱模型边壁侵入传感器平面有效感应范围将导致TDR测试值显著偏小,所用套管式TDR水分传感器的侧向感应范围约为300 mm边长的截面。

主动与被动状态下墙体侧向位移近似计算

极限状态下墙体侧向位移对土压力计算和支挡结构设计影响显著。根据Rankine变形体和Coulomb刚塑体模型,将墙后土体变形分别当作单剪和直剪试验中试样的剪切过程,以达到极限剪切变形(剪应变或单位长度剪切位移)作为进入主被动状态标准,构建了土体变形与墙体位移的几何关系,提出了反映土体变形与强度特性,同时考虑静止时初始应力状态影响的墙体极限侧向位移近似计算模型。分析表明:土体极限剪切变形、滑移区范围、初始应力状态是影响墙体极限位移的核心要素,其中极限剪切变形占据主导作用,是导致不同颗粒组成及密实程度土体进入极限状态所需墙体位移差异显著的主要原因,而主被动区范围不同和因静止土压力系数k_0<1引起的初始剪切变形,则是被动状态墙体位移远大于主动的关键因素;算例中主动与被动状态下墙体位移与墙高之比分别介于0.5‰～13.2‰和-0.4%～-5.2%,且主动状态下细粒土墙体位移大于粗粒土,计算结果与工程经验及相关文献模型试验基本一致。

无砟轨道基床翻浆形成条件模型试验与判别分析

采用单元模型试验,开展了级配碎石细粒含量、持水状态、与底座接触条件等因素诱发的无砟轨道基床翻浆模拟;定义翻浆区域底座裂隙渗水流量与翻浆面积之比为等效降雨强度(I e),借助路基面积水临界雨强(I c),导出了以I e>I c为条件的路基面离缝积水持时(t d)表达式,提出了判别无砟轨道基床翻浆的“雨强-积水法”,分析了1年一遇降雨下沪宁城际铁路离缝积水特征。研究表明:离缝产生并积水、列车荷载作用是基床翻浆的必要条件,翻浆严重程度与离缝高度、填料细粒含量呈正相关;积水持时主要受雨强、裂隙尺寸和填料渗透性影响,积水持时内承受的荷载次数是翻浆产生的基本要素;对于沪宁城际铁路,其由填料渗透系数决定的临界雨强小于大气降雨控制的等效降雨强度,故易翻浆。

戈壁地区高速铁路路基边坡防护措施研究

兰新铁路第二双线穿越新疆戈壁地区著名的四大风区,为防止路基边坡遭受戈壁风沙流吹蚀以及雨水冲蚀破坏,在线路所经戈壁地区设立三处路基边坡试验工点,选用了七种边坡防护措施,分别从防护效果、技术经济等角度对试验段各种边坡防护措施进行研究。研究结果表明:全线路堤边坡防护中,若边坡高度H<3 m时,边坡坡面宜采用混凝土空心砖防护;边坡高度H≥3 m时,边坡坡面宜采用拱形骨架护坡,骨架内铺设混凝土空心砖进行防护。

基于行为认知分析的消防疏散图设计研究

目的通过分析用户疏散过程与使用消防疏散图过程的行为与认知,探讨消防疏散图产品定位和视觉设计策略。方法通过行为观察、访谈、实验方法分析用户疏散行为与认知过程,梳理用户认知要点和需求;通过行为观察、访谈方法,结合认知理论,分析用户使用消防疏散图行为与认知过程;采用眼动仪实验和主观评价获取数据,并进行相关性分析,分析用户使用消防疏散图认知过程的关键视觉影响因子。结论梳理了用户消防疏散的行为过程、所需信息和信息区域;梳理了消防疏散图中影响用户认知的视觉影响因子;通过眼动仪实验获取了用户使用疏散图的认知效率数据,并分析了视觉影响因子与认知效率的相关性。在以上研究基础上提出消防疏散图的原则与策略。

雨水入渗下非饱和黏性土路基边坡浅层稳定分析

为合理评估雨水作用下非饱和土黏性土路基边坡浅层稳定性,针对单位土条式“无限长斜坡法”,力学上忽略滑体上下缘抗滑效应的缺陷,提出降雨诱发的黏性土路基边坡浅层滑动,由滑体上缘张拉区和下缘挤压区为异心圆弧面,中段主滑区为顺坡平面的异心式“顺坡曲面”失稳模式,推导了“顺坡曲面”组合滑面几何方程和滑体静力平衡方程,基于双应力状态变量的非饱和土抗剪强度模型,建立了雨水入渗下反映顺坡面上水位抬升影响的非饱和黏性土路基边坡浅层稳定分析方法。分析表明:非饱和入渗黏性土路基边坡,前期以雨水浸润下土体吸附强度大幅衰减,安全系数线性降低为主;后期以雨水下渗抵达不(弱)透水层形成薄层积水,引起安全系数突变为特征,加剧了边坡失稳破坏的可能性;研究成果可为考虑降雨特性的路基边坡稳定性研究提供参考。

波纹钢板拱桥横断面受力分析与优化设计

波纹钢板拱桥横断面抗弯刚度小,在其使用过程中易发生变形而导致在铁路工程中推广应用受限。为此,考虑到波纹钢板拱桥主要借助竖向土压力与水平土压力的共同作用减小截面弯矩,根据正常服役工况下的荷载模式进行结构受力分析,提出波纹钢板拱桥的合理受力状态,即最大限度地减小拱桥横断面主截面弯矩与拱脚水平推力,并得到了波纹钢板拱桥的横断面轴线及内力计算公式。合理受力状态下的横断面与内力特性分析表明:波纹钢板拱桥的横断面形状与竖向土压力及水平土压力有关;拱桥结构的最大轴力出现在拱脚位置,而最小轴力出现在拱顶位置。最后给出了波纹钢板拱桥工程应用建议以及设计流程。

基于圆弧-平面组合滑动模式的路基土质边坡浅层稳定分析

为了合理评估降雨诱发的路基土质边坡浅层稳定性,针对路基边坡浅层稳定分析简化法在滑体端部抗力计算方面存在的局限性,开展了由滑体上缘张拉区和下缘挤压区为异心圆弧面、中段主滑区为顺坡平面的"圆弧-平面"组合滑动模式分析。基于边坡"圆弧-平面"组合滑面几何方程和滑体静力平衡方程及刚体极限平衡条件,推导了饱和渗流条件下的路基土质边坡浅层安全系数积分表达式,并结合实例工点验证了该方法的可靠性。结果表明:路基边坡浅层"圆弧-平面"失稳模式下,土体抗剪强度参数的获取应与低应力水平相适应;若直接套用与应力水平不相符的常规压力段抗剪强度参数,结果将高估安全系数达2. 5倍以上。该方法有效地解决了传统分析方法力学上的弊端,与有限元法计算结果基本吻合,但较有限元法简单实用,能直观反映参数间变化对安全系数的影响规律,具有一定的工程应用价值。

路堤边坡膨胀土强度非线性应力阈值与浅层稳定性

为探究膨胀土边坡浅层土体低应力下强度非线性特征及失稳模式对稳定性的影响,针对重塑膨胀土饱和慢剪试验中低应力区段强度非线性变化规律,采用统计原理的Chauvenet准则,确定了低应力下强度非线性与常规应力下线性变化的应力阈值,明确了雨水入渗导致膨胀土边坡浅层溜坍土体的强度处于低应力非线性区段;基于“顺坡曲面”失稳破坏模式,建立了膨胀土路堤边坡浅层稳定分析方法,可以反映雨水渗流作用及低应力下膨胀土强度非线性特征.研究结果表明:处于低应力下的膨胀土路堤边坡浅层饱和土体具有小黏聚力、大内摩擦角的力学特性是强降雨诱发溜坍破坏的强度条件;采用低应力下强度非线性幂函数模型的“顺坡曲面”组合失稳模式,能更准确描述膨胀土边坡的浅层稳定性,所得安全系数明显低于常规应力下库伦线性模型的圆弧滑面破坏模式.

填土加筋对悬臂式挡墙地震响应影响的模型试验研究

为探讨墙后填土加筋对悬臂式挡墙抗震性能的改善效果,开展了缩尺比1∶4的悬臂式挡墙及墙后填土加筋的振动台模型试验。采用小震0.11g、中震0.24g、大震0.39g的简谐波激励模型结构,获得加速度、位移、土压力等响应量,分析了填土加筋对模型自振频率和阻尼比的影响,对比加速度放大系数、振动位移、墙-土相互作用等地震响应差异,讨论了填土加筋的减震效应随加载幅值变化特征。试验表明:填土加筋可提高墙-土体系的整体性、减小振动伤损,自振频率和阻尼比在历经振动后的变化幅度相对未加筋模型更小;加筋措施可使小震和中震下墙体惯性力与地震土压力产生明显相位错峰,大幅降低不利位移状态时墙体承受的地震土压力,但大震下墙体水平位移小于填土,墙-土挤压作用显著,减震效应发挥欠充分。