Unraveling engineering disturbance effects on deformation in red-bed mudstone railway cuttings:incorporating crack-facilitated moisture diffusion

Red-bed mudstone, prevalent in southwest China, poses a formidable challenge due to its hydrophilic clay minerals, resulting in expansion, deformation, and cracking upon exposure to moisture. This study addresses uplift deformation disasters in high-speed railways by employing a moisture diffusion-deformation-fracture coupling model based on the finite-discrete element method(FDEM). The model integrates the influence of cracks on moisture diffusion. The investigation into various excavation depths reveals a direct correlation between depth and the formation of tensile cracks at the bottom of the railway cutting. These cracks expedite moisture migration, significantly impacting the temporal and spatial evolution of the moisture field. Additionally, crack expansion dominates hygroscopic deformation, with the lateral coordinate of the crack zone determining peak vertical displacement. Furthermore, key factors influencing deformation in railway cuttings, including the swelling factor and initial moisture content at the bottom of the cutting, are explored. The number of tensile and shear cracks increases with greater excavation depth, particularly concerning shear cracks. Higher swelling factors and initial moisture contents result in an increased total number of cracks, predominantly shear cracks. Numerical calculations provide valuable insights, offering a scientific foundation and directional guidance for the precise prevention, control, prediction, and comprehensive treatment of mudstone-related issues in high-speed railways.

Erratum to:Unraveling engineering disturbance effects on deformation in red-bed mudstone railway cuttings:incorporating crack-facilitated moisture diffusion

Erratum to:J.Mt.Sci.(2024)21(5):1663-1682 https://doi.org/10.1007/s11629-023-8561-0 During the production process,the first author’s name was wrongly written as“Rang Huang”in the metadata.The correct name for the first author is“Kang Huang”.The first author’s name in the fulltext pdf is correct.

基于原位试验的高速铁路中低压缩性土智能识别方法研究

中低压缩性土在我国广泛分布,是高铁路基主要的承载地层。其承载变形快速稳定的特征对高铁路基变形控制有积极意义,因此,中低压缩性土智能识别对高铁路基设计、施工具有重要意义。针对高速铁路路基勘察设计中中低压缩性土的快速、智能识别问题,通过大量的现场原位试验数据,择优确定了以标贯试验、静力触探、载荷试验等原位测试结果为智能判别指标,建立中低压缩性土模糊推演模式,构建高铁中低压缩性土网络预测模型,形成基于现场原位测试的中低压缩性土快速智能识别方法,并通过不同算法进行网络训练和工程预测。结果表明,网络预测结果与实际测试结果整体上吻合度均较高,共轭梯度法相对梯度下降法计算效率明显提高,实现了中低压缩性土原位快速识别与测定,为高铁中低压缩性土路基设计、施工、评估等环节提供了重要依据。

粗粒堆积土土水特征分析及预测方法研究

非饱和状态是影响土体力学性质的重要因素。针对粗粒堆积土土水特性研究的不足,首先介绍了一种大型非饱和粗粒堆积土三轴试验系统,在试验研究的基础上,总结了粗粒堆积土土水特征试验的方法和控制标准;然后,总结了不同细粒土含量下粗粒堆积土的SWCC变化规律;最后,在AP模型的基础上,系统分析了关键参数α的确定方法,给出了利用AP模型预测粗粒堆积土SWCC的优化方法。

皖江上游地区网纹红土的膨胀特性研究

为了研究网纹红土的膨胀特性,依托沪渝高速铜陵段,选取典型网纹红土地层,进行控制渗水孔深度及荷载的现场原位膨胀率试验,并通过有荷膨胀率的试验结果,内插得到原位膨胀力。试验结果表明:无荷膨胀量与渗水孔深度成正相关,浸水初始阶段,膨胀量快速增长,随着吸水饱和膨胀速率减慢,膨胀变形逐渐稳定;有荷膨胀量与荷载成负相关,上覆荷载越大,膨胀变形越小;求得现场原位膨胀力与室内试验进行对比,结果能真实得反映网纹红土的现场膨胀力大小。

叶绿泥石水化机理及膨胀特性的分子动力学

高铁路基膨胀灾害工程实例发现,部分膨胀是由叶绿泥石水化膨胀引起的,但目前国内外学者对叶绿泥石膨胀特性研究较少,相关机理尚未明确。采用多尺度表征的方法研究了宏观和纳观尺度下叶绿泥石的膨胀特性,运用分子动力学模拟方法研究了叶绿泥石水化机理及动力学响应下的键能变化。结果表明:叶绿泥石具有一定的膨胀潜力。通过不同数量水分子的吸附试验,得到层间域极限数量为32个,吸附位置为硅氧骨干形成的六方空穴,且仅能形成1层饱和水分子层。随着水分子增多,膨胀加剧,直至达到极限,极限状态的晶格常数为a=21.52A,b=18.61A,c=14.54A。水化模型经室温恒压的动力学模拟,发现模拟过程中静电作用能贡献最多,van der Waals作用能次之,键伸缩能最少。随着水化的加剧,水分子之间的相互作用变弱,径向分布函数峰值右移,层间水分子扩散性增强,且表现出靠近滑石层的倾向,水氧与滑石层氢原子形成的氢键键长1.8A,层间水与黏土矿物的径向分布函数峰值右移,同时氢键中的氢原子与受体原子之间的距离增加,氢氧配位数增加,这导致氢键键长增加,键角减小,黏土层开始产生膨胀。

川中红层高铁路基长时上拱变形反演与预测

西南地区的众多高速铁路都面临着膨胀岩问题,膨胀岩引起的路基长时持续上拱变形会严重影响高铁的安全运行。川中红层是指四川盆地及周边广泛分布的侏罗系红色泥岩,其具有一定的膨胀性。在川中地区某高铁站,红层路基在深开挖卸荷后,由于工程再造在基岩中形成了新的渗水通道,使得原本处于封闭隔水状态的红层泥岩与周围环境建立水力联系,红层泥岩缓慢吸水膨胀是路基长时持续上拱变形的主要原因。为了揭示红层膨胀引起的路基长时持续上拱变形机制和演化规律,探索高速铁路红层路基上拱变形分析方法,结合实测变形数据反演水分通过裂隙集中带入渗引起红层泥岩膨胀变形的过程,在此基础上,对路基后期长时上拱变形趋势进行预测分析。结果表明,自施工期基岩开始吸湿膨胀,前5 a路基上拱变形迅速发展,在5~15 a期间,上拱变形继续发展,但变形速率逐渐减缓,在15~30 a后,上拱变形速率进一步减缓,但仍然呈缓慢线性增长趋势,并未能达到变形稳定的状态。

川中红层泥岩吸水膨胀时效特征的试验研究

川中红层泥岩是四川盆地广为分布的陆相红色沉积碎屑岩层,具有强度低、易风化、吸水易膨胀的特征,对川中地区变形控制严格的高铁无碴轨道构成了长期潜在的威胁。依托川中地区某客运专线路基持续上拱病害处治工程,开展弱风化泥岩原位膨胀变形试验和室内压力水膨胀变形试验,分析川中弱风化泥岩的吸水膨胀特性、压力水头对泥岩吸水膨胀的影响及关联特征。研究发现,弱风化泥岩吸水膨胀具有显著的时效性,原位膨胀变形试验历时近一个月未收敛,仍具有较大的膨胀潜势,表明自然环境影响下的弱风化泥岩膨胀变形是一个长期缓慢的历程。室内压力水膨胀变形试验表明,红层泥岩吸水能力随着水压增加而增加,膨胀时程曲线经历快速增长、减速增长、渐趋稳定3个阶段,泥岩试样在14.4~49.1 h内完成了90%的吸水变化,在145.2 h完成了98%的试样稳定吸水量。基于上述试验研究成果,进一步对比分析室内外泥岩膨胀变形规律的差异性及其内在机制,为泥岩路基持续变形成因探讨提供思路。

合肥重塑膨胀土三向应力–应变规律探讨

以合肥重塑膨胀土为研究对象,运用改进的"三向胀缩仪"开展一系列不同初始含水率与干密度的三向膨胀力试验,以及控制竖向与侧向应变的下的膨胀力试验,旨在了解膨胀土三向应力–应变的规律。研究结果表明:(1)水平膨胀力与竖向膨胀力的比值均小于1,也即竖向膨胀力总是大于水平膨胀力,且水平膨胀力与竖向膨胀力比值R0随着试样初始含水率与干密度的不同而不同,变化范围为0.525~0.904。(2)在相同的初始含水率下,R0会随着干密度的增大而增大,这说明,随着试样干密度的增大,土样的各向异性特性减弱。(3)控制竖向变形的膨胀力变化曲线与控制侧向变形的水平膨胀力曲线变化趋势相似,同样是微小的形变就能导致膨胀力的大幅减小,并且应变越小时,膨胀力衰减速率越快。

安庆组黏土砾石层胶结特性及边坡冲蚀破坏模式

安庆组黏土砾石层广泛分布于皖江上游地区,是由砾卵石和黏土组成的一种特殊工程地质体,工程开挖后极易引起边坡滑塌。以安庆组黏土砾石层为研究对象。首先采用X射线衍射方法分析黏土砾石层的胶结物类型及组分,弄清黏土砾石层的胶结特性包括基质胶结和土石界面胶结。继而开展黏土砾石层边坡室内人工降雨冲蚀模型实验,研究不同砾石含量黏土砾石层边坡破坏失稳模式的变化规律。结果表明:当砾石含量较小(30%)时,边坡破坏以坡面冲沟为主,其破坏形态主要受黏土层控制;当砾石含量增大至50%时,砾石骨架作用逐步体现,边坡破坏形态与土质边坡出现较大差异,边坡破坏表现为侵蚀穴–侵蚀坑–浅层滑塌的演变历程;当砾石含量较大(70%)时,砾石骨架结构相对比较稳定,即使黏土颗粒被大量冲刷,边坡整体稳定性较好。最后分析不同砾石含量边坡基质含水率和湿润峰迁移深度的变化规律,进一步阐释黏土砾石层边坡破坏的内在机制。