铁路粗粒土填料蠕变及颗粒破碎特性试验研究

粗粒土被广泛用作铁路路基填料,其蠕变特性对路基的长期沉降与服役性能有重要影响。利用自制粗粒土填料单元模型试验系统,开展系列二维蠕变试验,探索竖向应力、降雨入渗等因素对蠕变及颗粒破碎的影响;试验后对试样进行颗粒分析,据此建立能同时考虑降雨入渗量、破碎率Bg和荷载的双曲线蠕变预测模型,并且基于确定的静力荷载分布模式及含水率分布公式,建立了粗粒土路基蠕变变形分析模型,分析不同轨道型式条件的路基蠕变变形。结果表明,在50~300 kPa荷载作用下,粗粒土填料蠕变稳定后应变为0.05%~0.101%,且呈衰减型增长趋势;在蠕变过程中颗粒破碎以大粒径颗粒破裂为主、研磨为辅,降雨入渗导致粗粒土填料的颗粒破碎,粒径发生改变;粒组含量的变化总量随荷载增大而显著增大,随降雨入渗强度增加呈先迅速增加而后缓慢增加的趋势;蠕变预测模型计算值与试验值较为吻合,降雨入渗引起路基蠕变变形增幅可以达到80%。研究结果可为高速铁路粗粒土路基变形分析提供参考。

高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性分析

路基振动变形影响列车运行安全与舒适性,开展高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性的研究具有重要意义。利用MTS加载系统和自制模型箱,构建室内粗粒土填料单元模型试验系统,模拟列车的动载作用,对粗粒土填料开展5万次循环加载试验,获得振动变形与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率对振动变形的影响。结果表明,在动应力幅值为25~200 kPa、加载频率为2~8 Hz的循环荷载作用下,粗粒土填料的初始振动应变为0.0010~0.0038,5万次加载后稳定振动应变为0.0008~0.0020;振动应变与加载次数呈负幂函数关系,且随动应力幅值、加载频率的增加而增大。根据试验结果建立路基基床振动变形分析模型,验证模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基的振动状态评价提供参考依据。

高速列车荷载作用下粗粒土填料累积变形试验研究

为揭示高速列车荷载作用下路基粗粒土填料的累积应变特性,构建室内单元模型试验系统,利用MTS模拟列车动载作用,开展5万次循环加载试验,获得了累积应变与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率、降雨入渗量等因素对累积应变的影响。结果表明,在动应力幅值为25~200 kPa、加载频率为2~8 Hz的荷载作用下,粗粒土填料的累积应变在0.3%~1%之间,且随动应力幅值、频率的增加而增大。当加载频率超过6 Hz时,累积应变增加速率显著增大。降雨入渗导致粗粒土填料累积应变增加达1倍以上,且随着入渗量的增大,累积应变呈先急剧增大而后缓慢增加的趋势。根据试验结果提出粗粒土填料累积应变与加载次数的指数双曲函数预测模型,建立了模型参数与加载频率、动应力幅值及降雨入渗量的函数关系,利用试验数据验证了模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基工后沉降预测与控制提供参考。

考虑颗粒破碎效应的粗粒土填料累积变形试验研究

循环动力荷载作用导致粗粒土填料颗粒破碎,影响其工程特性。为揭示高速列车荷载作用下粗粒土填料的颗粒破碎及其累积变形特性,采用MTS加载系统模拟列车对粗粒土填料的动载作用,分析动应力幅值、加载频率和振动次数对颗粒破碎宏细观特征的影响。利用不均匀系数定义颗粒破碎量度指标,提出考虑颗粒破碎的粗粒土填料累积应变计算模型,探讨颗粒破碎量度指标与动应力幅值、加载频率及振动次数的关系。结果表明,在列车荷载作用下粗粒土填料的颗粒破碎方式以破裂、研磨为主。各粒组含量的变化值、不均匀系数均随动应力幅值、加载频率、振动次数的增加而增大。在动应力幅值为10~200 kPa、作用频率为2~12 Hz的荷载作用下,粗粒土的颗粒破碎量度指标为0~0.4,累积应变在0.1%~1.0%之间。

高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎演化特征研究

为揭示高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎过程,构建室内单元模型,模拟粗粒土填料填筑和列车荷载作用过程,重点探讨动应力幅值、加载频率及降雨入渗强度等因素对颗粒破碎的影响。利用2个颗粒破碎度量指标分析粗粒土填料的颗粒破碎过程。研究结果表明:粗粒土填料在填筑时,颗粒破碎方式以破裂、破碎为主,在动力循环荷载作用下,颗粒破碎方式以破裂、研磨为主;破碎指标B_(g),ΔD随动应力幅值、加载频率的增大而增加,随降雨入渗强度的增加呈先增大后减小的趋势;粗粒土填料破碎后,粒径分布具有良好的分形特性,且分形维数D与颗粒破碎指标B_(g)存在良好的线性关系。利用试验结果建立了动力循环荷载作用下粗粒土填料破碎指标ΔD与累积应变ε的关系表达式。

粗粒土的级配方程及应用

采用二次函数建立了颗粒含量与相对粒径自然对数的非线性关系,提出了一种可以描述连续级配粗粒土的级配方程,验证了方程的适用性。将非连续级配粗粒土级配曲线离散为局部连续级配曲线,通过坐标变换,在连续级配方程基础上构建了非连续级配粗粒土的级配方程,采用数据论证了该方程的适用性,结果表明非连续级配方程可以很好地描述复杂形态的级配曲线。基于已有试验数据对连续与非连续级配方程进行了应用分析。结果表明,非连续级配方程计算Hardin相对破碎率与实测值更为吻合。研究成果将有助于理解粗粒土工程特性与级配的关系。