红层泥岩及其改良填料路基动力响应试验研究

基床作为路基结构的重要组成部分,其填料的质量对路基、轨道、列车的动力响应影响显著。在实际工程中,基床填料通常可根据设计规范取为A、B组填料,但考虑到经济因素、力学性能等,也可采用既有填料或改良的既有填料。为了研究红层泥岩,A、B组填料,石灰改良红层泥岩分别作为基床填料时对路基动力响应的影响,进行了不同基床填料的现场激振试验。通过对动应力、加速度及沉降等数据的对比分析,得到以下结论:红层泥岩作为基床填料时,动应力与路基沉降在加载激振次数内可满足设计要求;与红层泥岩相比,当基床填料为A、B组填料与石灰改良红层泥岩时,路基表面的动应力与加速度分布更加均匀,因而此时路基的整体承载性能更优越。除此之外,后两种填料时路基内部动应力与加速度的衰减相对前者更显著,并且路基的沉降变形更小,特别是为石灰改良红层泥岩时。

面板对加筋土挡墙影响的离心模型试验研究

加筋土挡墙因其特有的景观性能、协调变形性能而日益受到设计者青睐。面板作为加筋土挡墙的组成部分,对墙体的承载能力影响显著。针对现有设计规范无法考虑面板形式对结构自身力学变形特性的影响,设计并开展了整体式与分块式面板的离心模型试验。数据测试分析显示:整体式面板加载期的位移小于分块式面板位移;由于分块式面板位移较大,所以其水平土压力小于整体式面板土压力;加筋土挡墙面板底部存在应力集中现象;分块式面板筋-土界面的摩擦系数发挥值大于整体式面板数值,但两者均小于设计规范建议值;由于模型筋材长度较长并且连接件的存在,导致原型设计较为保守。

整体刚性面板加筋土挡墙振动台模型试验研究

加筋土挡墙在大量地震中显示了优越的抗震性能。地震荷载作用下,加筋土挡墙的设计中通常采用拟静力法将动荷载等效为静力荷载。为了对比加筋土挡墙拟静力设计值与实际动力响应值的差异,开展了整体刚性面板加筋土挡墙振动台模型试验。通过位移、加速度、土压力、筋材拉力的测试,得到以下结论:加筋土挡墙内部的加速度分布不均匀并呈现面板、加筋体加速度大于填土加速度的趋势,同时测试的响应加速度值大于设计规范建议值;面板背面土压力作用点高于设计值,但合力仅为物部-冈部理论值的15%～20%;受加速度放大效应及动土压力作用点的影响,墙体的主要变形模式为转动变形;筋材拉力沿墙高非线性分布并且测试合力大于铁路规范建议值。

基于现场试验的刚-柔性基础下膨胀土变形特性研究

为研究膨胀土地基的膨胀变形响应规律,结合云桂客运专线建设,在弥勒中-强膨胀土区域选取典型工点,开展刚性基础(多压板荷载)与柔性基础(低路基)下膨胀土地基现场浸水试验,对比分析浸水后刚性和柔性基础下膨胀土地基的膨胀变形差异。试验结果表明:在较小荷载下,刚性基础与柔性基础下地基均产生明显的膨胀变形,膨胀变形量与上部荷载近似呈双曲线关系,前者的极限膨胀量约为后者的85%。对云桂客运专线试验段路基的长期监测试验表明:在自然条件下,路基较低时,地基相对膨胀量变化值随路基高度的增加而减小;路基高度超过5m时,其相对膨胀量变化值趋近于0,自然降雨对超过该填高的中-高路基下膨胀土地基的膨胀变形几乎无影响。

扰动强度递增斜坡动力学演变规律的振动台试验

"5.12"汶川大地震和"4.20"芦山地震均触发了大量的崩塌、滑坡。实震资料显示,不同地震烈度区地震触发崩塌滑坡规模的整体分布规律会发生变化。这一统计层面的认知亟待得到物理试验的验证。在自组织临界状态理论的概念框架下,开展了振动台砂堆模型试验。试验表明:输入地震波峰值加速度(PGA)为0.075g^0.125g时,落砂量与发生频率的关系可用幂律描述;PGA增加到0.15g^0.25g时,该关系服从对数正态分布;PGA增加到0.35g^0.45g时,该关系具有正态分布特征。元胞自动机模拟试验结果表明,随扰动强度增加,砂堆模型的动力学特性也经历了幂律—幂律弱化—正态分布的演变过程。按照物理学中的普适性原理,汶川、芦山地震Ⅸ度区崩塌滑坡规模与出现频率之间所呈现负幂律分布的现象,以及汶川地震Ⅺ度区所呈现的对数正态分布,可能是具有普适性意义的规律。这些认识可望为不同烈度区地震触发崩塌滑坡灾势预测提供科学依据。

WJ-8型小阻力扣件轨下胶垫滑出纵向阻力试验研究

大跨桥梁端处的小阻力扣件轨下橡胶胶垫滑出现象较为普遍,为确定轨下胶垫滑出后扣件纵向阻力值及其变化规律,以客运专线无砟轨道常用的WJ-8扣件为例,开展不同轨下胶垫滑出量条件下的扣件纵向阻力试验,测试5种不同轨下胶垫滑出量时扣件纵向阻力—位移关系;采用最小二乘法对试验数据进行曲线拟合,得出5种不同轨下胶垫滑出量时扣件纵向阻力双线性表达式。研究结果表明:随着轨下胶垫滑出量的增加,扣件纵向阻力值减小,胶垫滑出量在60 mm以内时,扣件纵向阻力受胶垫滑出量影响明显,当胶垫滑出量大于60 mm后,扣件纵向阻力变化不大。

DZ Ⅲ型扣件铁垫板上横向力传递规律及影响因素分析

为探明DZ Ⅲ型扣件系统铁垫板以上较为复杂的列车横向荷载的传递规律,通过室内试验测得DZ Ⅲ型扣件系统铁垫板以上部分的横向荷载-位移曲线,研究扣件系统铁垫板以上横向传力规律。建立三维有限元模型,在仿真结果与试验验证的基础上,分析列车横向力在扣件系统铁垫板以上的传递过程,并由此展开各类影响因素对扣件系统铁垫板以上横向传力以及横向刚度影响规律的研究。研究结果表明:DZ Ⅲ型扣件的横向传力过程具有明显的非线性特征,传力曲线本身存在2个明显的拐点(剪切-滑移拐点和滑移-贴靠拐点)。以这2个拐点为界限,可以将横向力传递过程分为垫板剪切、轨底滑移和轨底贴靠3个阶段,轨距块的摩擦力、轨下垫板的摩擦力以及轨距块的支承力分别为3个阶段横向力的主要传递方式。轨距块与轨底间的摩擦因数以及轨下垫板与轨底间的摩擦因数分别是影响2个拐点的关键因素,前者的摩擦因数由0.1提高至0.3,会使剪切-滑移拐点的横向位移增大50%,但不影响拐点处横向刚度的大小。后者的摩擦因数由0.2提高至0.6,会使滑移-贴靠拐点处的横向割线刚度提高75%。垂向荷载的存在有利于提高滑移-贴靠拐点后的横向刚度,且会削弱垫板摩擦因数对横向力传递的影响。

压实全风化红层泥岩填料力学特性及其影响因素

将全风化红层泥岩压实后用作高速铁路路基填料可以有效缓解西南地区优质填料缺乏的现状,但前期变形路径对压实全风化红层泥岩填料力学特性的影响规律尚不明确。为此,采用一维膨胀试验、直剪试验及压汞试验,研究前期变形路径对压实全风化红层泥岩填料力学特性的影响规律,并揭示其影响机理。结果表明:压实全风化红层泥岩填料在浸水后的膨胀变形可分为初次膨胀、二次膨胀及变形稳定3个阶段,初始干密度越大、初始含水率越低、竖向荷载越小,膨胀率和二次变形系数越大;初始状态相同时,膨胀-固结路径下压实全风化红层泥岩填料的膨胀率和膨胀力大于固结-膨胀路径下的;前期变形路径对抗剪强度的影响较小,但固结-膨胀路径下填料应力-位移曲线由软化向硬化的过渡较膨胀-固结路径表现出明显的滞后性;固结-膨胀路径下压实全风化红层泥岩填料特征孔径比膨胀-固结路径下的分布密度更低、数量更少。

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力??和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明:沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当??≤c?时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当??>c?时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。

整体刚性面板加筋土挡墙基频影响因素计算分析

作为一种柔性支挡结构,加筋土挡墙相较于传统重力式挡墙具有优越的抗震性能。由于结构在地震等动荷载作用下的动力响应大小与其自身的固有频率大小有关,因此,固有频率的研究显得尤为重要,特别是其最小值基频。以整体刚性面板加筋土挡墙为研究对象,分别用弹性地基梁模型、线性弹簧模型表示面板、填土及筋材,提出了一种加筋土挡墙固有频率计算方法。计算求得的基频值与既有瑞利能量法计算值具有较好的一致性。参数分析表明:填土中铺设筋材可以增大墙体的基频;对于加筋土挡墙,筋材长度以及筋材-填土界面摩擦系数对墙体基频影响较小;随着筋材竖向间距的增大,加筋密度对加筋土挡墙基频的影响逐渐减小;墙体基频随着面板宽度的增大先减小后增大;随着面板模量的减小,墙体基频趋于恒值。

填土相对密实度对加筋土挡墙的影响研究

自加筋土出现以来,由面板、筋材、填土组成的加筋土挡墙被广泛研究并应于道路、铁路等土建工程中。填土的压实对加筋土挡墙的变形、土压力及筋材拉力等影响显著。为研究填土相对密实度对加筋土挡墙的影响,进行了3组不同相对密实度的离心模型试验,通过试验数据分析得到以下结论:相对密实度越大,墙体变形越小,特别是加载期变形量;压实可增大面板附近土体约束,使水平土压力大于设计值;试验挡墙设计较保守,筋材填土界面摩擦系数小于设计值;筋材面板之间连接拉力分析表明,连接拉力实测值小于测试土压力。

沪通长江大桥主航道桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究沪通长江大桥主航道桥在侧风下桥上行车的车辆抗风安全性,提出风-车-轨-桥系统耦合振动分析框架。该系统动力学模型不仅考虑了轨道结构的参振,其采用的轮轨动态耦合模型还突破了传统轮轨为刚体并始终保持密贴的假定。此外,气动荷载还考虑了桥梁、车辆的存在对彼此的影响。针对沪通长江大桥主航道桥,利用自主研发的WTTBDAS软件对不同车速、风速下系统的动力响应进行分析和讨论,结果表明:车速和风速均对系统动力响应有较大的影响,当风速达到20m/s后,车辆的运行安全性和乘坐舒适性主要由风速控制。根据相应的动力性能评价指标,得到了大风天气下桥上行车的车速-风速阈值。

过渡段地基加固作用对桥台桩工作性状的影响分析

为研究过渡段地基加固作用(桩间距为3d,4d,5d和6d,d为CFG桩径)对邻近桥台桩工作性状的影响,进行离心模型试验及三维数值模拟。研究结果表明:过渡段地基加固作用对桥台桩受力变形影响表现为在竖向上利用CFG桩荷载深层传递作用改变软土地基沉降变形特性,在水平方向上CFG桩对软土的侧向流动起显著阻拦作用;随着CFG桩间距增大,受负摩阻力作用的桥台桩中性点位置下移,最大轴力增大,桩端阻力随之增大;桩身弯矩最大值随CFG桩间距增加而增大,其位置(最危险截面)从桩长1/2处逐渐转移至桩顶;桩身剪力分布大致呈"反S"型,2处拐点分别位于土层界面及CFG桩端平面,且随着CFG桩间距增加,土层界面处桩身剪力增大而CFG桩端平面处剪力减小;桥台桩水平位移随桩间距增加以一固定点呈旋转式增大,桩身挠曲也越明显,而桥台转角及水平位移随桩间距近似线性增加;与天然地基相比,CFG桩在一定程度上限制了路基荷载下土体蠕变特性的发挥。

路基荷载下地基侧向变形的计算方法

地基在路基荷载下不仅产生竖向沉降,也发生侧向变形,并且侧向变形是路基沉降产生的重要原因之一。为了分析路堤荷载下地基的侧向变形,通过对布辛奈斯克集中力下弹性半无限体的侧向变形解进行积分,分别推导出泊松比等于0.5和小于0.5时,无限长线性荷载、带状均布荷载、带状三角形荷载下侧向变形理论解;在考虑边坡坡度和路基高宽比对地基反力影响的条件下,建立了统一坐标导出与路堤等效带状梯形荷载下侧向变形解。

基于二楔块法的加筋土挡墙屈服加速度及破坏模式极限分析

加筋土挡墙具有优越的抗震性能,并在土建工程中被广泛应用,因此,加筋土挡墙抗震设计方法的研究尤为重要。为了能够分析加筋体内部筋材布置方式、筋材抗拉强度等对屈服加速度的影响,假定破坏模式为双楔块模式,根据极限分析理论推导了加筋土挡墙屈服加速度系数表达式。与规范计算值相比,计算结果更接近模型测试值与数值模拟结果,同时计算方法可以反映模型的真实破坏模式。参数分析表明:屈服加速度随着筋材抗拉强度的增大而增大,特别是筋材长度较长时;随着筋材竖向间距的增大,屈服加速度逐渐减小;面板的宽度对屈服加速度几乎不产生影响;与面板宽度相比,筋材抗拉强度与竖向间距对加筋土挡墙破裂面形状的影响更大。

考虑填土强度的加筋土挡墙动位移计算

加筋土挡墙在地震荷载作用下的位移大小对结构的抗震性能影响显著。为了计算地震荷载作用下加筋土挡墙的位移,Newmark滑块法通常被用于设计中。由于传统的Newmark滑块法在计算中忽略了填土强度的变化,因而采用单一峰值或残余强度的计算将可能导致计算得到的位移小于或大于实际位移值。在二楔块破坏模式的假定条件下,根据楔块的力学平衡条件,建立了加筋土挡墙滑动安全系数计算式,同时通过引入位移阈值考虑了填土的应变软化特点。通过将计算结果与模型试验结果对比,得到以下结论:相较于单楔块法,二楔块法更能真实地反映出墙体的实际破坏模式,且计算得到的屈服加速度系数更接近试验值;相较于采用单一峰值或残余强度计算的位移,考虑填土应变软化的计算解更接近于模型测试值。

WJ-8型扣件弹性垫板低温动力性能及其影响研究

研究目的:为研究我国高速铁路WJ-8型扣件弹性垫板在莫喀高铁极低温环境中的适用性,本文利用配备温度箱的万能试验机测试WJ-8型扣件弹性垫板的低温动刚度和阻尼系数,并基于车辆-轨道耦合动力学模型,计算和分析莫喀高铁极寒气候和超高速行车条件下的安全性及平稳性,评价WJ-8型扣件在莫喀高铁中的适用性。研究结论:(1)WJ-8型扣件弹性垫板具有极强的低温敏感性,温度在-20℃之上时,弹性垫板动刚度和阻尼系数较为稳定,当温度低于-20℃时,弹性垫板的刚度迅速增大,而阻尼系数先增大后减小,在-45℃达到最大值;(2)考虑扣件系统动力特性随温度变化规律后,轮轨力和轮重减载率随温度的降低而增大,钢轨垂向动态位移随温度的降低而减小,车体平稳性Sperling指标受温度变化影响很小;(3)在莫喀高铁超高速客货混行和极低温气候条件下,只有高速客车轮重减载率无法满足规定的安全限值,成为影响WJ-8型扣件系统在莫喀高铁中适应性的关键因素;(4)本研究结论可为严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统弹性垫板的研发提供参考。

弹性分开式扣件弹性垫板静刚度测试评价方法

研究目的:为探索弹性分开式扣件弹性垫板静刚度的合理测试和评价方法,本文首先通过单因素试验分析各因素对弹性垫板静刚度测试结果的影响规律,提出弹性垫板合理的静刚度测试方案,然后结合弹性分开式扣件服役状态,给出其轨下和板下弹性垫板静刚度评价建议。研究结论:(1)扣件弹性垫板的静刚度测试应包含预加载和正式加载两部分,首先以3～5 kN/s的加载速率对弹性垫板进行不少于2次的预加载(预加载最大载荷应高于静刚度荷载范围至少10 kN),紧接着以1～2 kN/s的加载速率进行3次正式加载,并在静刚度测试荷载范围两端点保持荷载90 s(荷载小于100 kN时可缩短至60 s),记录位移稳定时的数据来计算弹性垫板的静刚度;(2)弹性分开式扣件轨下和板下弹性垫板应采用不同的评价标准对其静刚度进行评价,其中轨下垫板通过测试20～70 kN荷载范围内的割线刚度进行评价,板下垫板应根据扣件实际服役状态所受荷范围的割线刚度进行评价;(3)本研究成果可应用于弹性分开式扣件轨下和板下垫板静刚度的测试与评价。

黏聚力与内摩擦角互相关性对边坡稳定可靠度的影响

基于3种计算假定条件和5类土工参数概型分布组合,定义两种差异系数,分析黏聚力c,内摩擦角φ互相关性对边坡稳定可靠度指标计算结果的影响。结果表明:当概型分布不同时,同种工况下可靠度指标计算结果差异较大;当c,φ的相关系数介于-0.6^-0.8之间时,将c,φ视为相互独立变量会引起可靠度指标计算结果有15%~30%的误差;并建议当c,φ的负相关性强于-0.5时,应考虑其由非正态变量转换为正态变量相关系数的变化。