基于模型试验的高铁路基动力累积变形研究

高速列车运行中的轮轴往复动荷载引起铁路线下结构产生累积变形,导致轨道平顺性变差,影响列车运行的舒适性和安全性,列车交通荷载引起的路基累积变形是高速铁路线路设计和运营维护中必须考虑的一个重要问题。基于残余应变模型建立了列车轮轴循环动荷载作用下路基填料和下卧层地基土体的累积变形计算方法;通过物理模型试验验证了该模型和计算方法的合理性,并确定了相应的关键参数取值方法,实验结果表明该模型参数具有较好的一致性。最后,通过将计算模型应用到具体的高速铁路线路动力沉降分析中,揭示了路基基床底层和地基累积变形的发展规律,分析了列车轴重和循环次数等主要控制因素的影响作用。     

不同频率循环荷载下公路路基粗粒填料长期动力特性试验研究

 交通荷载作用频率随着车辆运行速度等因素变化而变化,目前对不同频率荷载下路基长期性能还缺乏一致性认识。为揭示不同频率荷载下路基粗粒土填料长期动力特性,利用GDS大型三轴试验系统对路基填料进行饱和排水循环荷载试验,分析不同应力路径下荷载频率对路基粗粒填料长期动力特性影响规律。试验结果表明,荷载频率增加使路基填料在密实阶段产生更大累积体缩应变而更密实,进而路基动力回弹模量随荷载频率增加显著增加。路基填料轴向累积变形在不同频率循环荷载下也呈现不同发展规律,路基填料密实阶段轴向累积变形在高循环应力比(ζ = 3,5)下随荷载频率增加显著增大,但在低循环应力比(ζ = 1)下,荷载频率对轴向累积变形影响较小;当填料进入变形稳定阶段,荷载频率对轴向累积变形基本无影响。该研究揭示了路基填料层在不同频率荷载下长期动力特性,发现降低路基中循环应力比,可大大减小荷载频率对路基长期动力特性影响,本研究可为准确预测和控制道路工后沉降提供参考。     

循环荷载下红层泥岩的动力特性及路用性能研究

 为验证达成(达州--成都)线红层泥岩能否满足高速铁路路基填料的要求,对其进行室内动三轴试验和红层泥岩路基的现场循环加载试验。由动三轴试验研究红层泥岩在循环荷载下的动强度和变形特性,引入动应力水平的概念,得到达成线红层泥岩的临界动应力水平约为30%;通过分析动剪应力比SRd与土体累积变形之间的关系,提出一个红层泥岩循环累积变形的计算模型,并明确模型参数的物理意义及确定方法。现场循环加载试验表明,用红层泥岩填筑路基基床底层,路基的沉降量和沉降速率均能满足高速铁路的要求;应用所提出的预测模型来计算红层泥岩路基层的累积变形,其达到稳定时的计算值和实测值很接近,但由于现场和室内试验条件的不同及加载频率的影响,在变形稳定以前,模型计算值和实测结果之间存在一定的差异。     

部分排水条件下软黏土的循环三轴变形特性

为研究软黏土路基在长期交通荷载下的变形特性,针对温州地区的路基软黏土开展了一系列部分排水循环动三轴加载试验,研究部分排水条件下正常固结软黏土的孔压及变形随循环加载次数的发展规律,重点分析循环动应力比对软黏土回弹模量以及轴向累积塑性应变的影响。以5%的轴向累积塑性应变作为温州软黏土在部分排水条件下的破坏标准,确定了其临界循环动应力比为0. 275。通过进一步考虑循环动应力比的影响,采用对数型经验模型对轴向累积塑性应变进行预测并建立了拟合参数与循环动应力比之间的关系。     

全风化花岗岩改良土高速铁路路基填料的适宜性试验研究

 为研究全风化花岗岩用作高速铁路基床底层及路堤本体填料的适宜性,首先,对全风化花岗岩的黏土矿物成分、液塑性指标、承载比CBR值、临界动应力、累积残余应变与加载次数的关系等工程性质进行研究,依据日本和我国高速铁路设计规范要求,得出全风化花岗岩不宜直接作为路基填料,须改良后才能使用;其次,借鉴日本和我国改良土经验,以及全风化花岗岩的工程性质特点,确定它作为高速铁路基床底层及路基本体填料的外加水泥掺量;接着,通过有限元计算与现场行车动测数据结果对比,进行动力相似性分析,获取全风化花岗岩改良土路基的疲劳加载试验参数;最后,使用PMS–500型循环加载系统对新建武广高速铁路清远段全风化花岗岩改良土路基进行现场循环加载试验研究,模拟分析不同载重列车荷载作用下浸水前后全风化花岗岩改良土路基的动态特性及沉降变形规律。试验结果表明,长期循环加载下全风化花岗岩改良土路基动态指标及工后沉降变形量等均满足设计要求,可用作高速铁路的基床底层及路堤本体填料。     

350 km/h高速铁路有砟轨道基床结构的技术条件分析

采用车辆轨道路基垂向耦合动力学模型,研究了轨道高低不平顺下有砟轨道路基动力影响系数φ_i的概率分布特性;根据循环荷载下路基粗粒土典型填料单元模型试验反映出的累积变形状态特征与荷载水平的关系,明确了基床以下填料处于无时间效应变形状态、基床填料处于微弱时间效应变形状态的设计工作状态;以基床结构的动强度、长期动力稳定性、循环变形为设计控制指标,开展了高速铁路有砟轨道基床结构的技术条件分析。研究表明:表征路基承受列车动力效应程度的φ_i沿线路纵向服从对数正态分布;列车荷载作用下,路基各结构层的累积变形状态与填料性质密切相关;基床结构的长期动力稳定性为设计主控因素,据此,提出了适用于350km/h有砟轨道高铁基床双层结构型式的技术标准建议。     

饱和软粘土的不排水循环累积变形特性

在上海地区典型饱和软粘土不排水循环三轴试验的基础上,分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素:循环荷载的作用次数,初始静偏应力和循环加载动偏应力。基于临界状态土力学理论,引入了相对偏应力水平参数,考虑初始静应力、循环动应力和不排水极限强度的相互影响,研究了不同静、循环动应力组合应力历史影响下饱和软粘土的不排水循环累积变形特性。     

单向循环荷载下超固结软黏土的永久变形特性

为研究超固结饱和软黏土在单向循环荷载作用下的永久变形特性,采用GDS动三轴,对不同超固结度的温州饱和软黏土试样进行了一系列单向循环加载试验,分析了循环动应力水平以及超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在单向循环加载作用下,超固结饱和黏土存在循环动应力阈值,通过几何作图法综合确定温州饱和软黏土的循环动应力阈值为0.59~0.68,可作为软土路基沉降控制的标准。基于试验结果并结合指数模型,构建了可以综合考虑循环动应力水平、超固结比以及循环次数的饱和软黏土永久轴向应变显式计算模型,适合饱和软黏土地基在交通循环荷载下的累积变形分析。     

列车间歇荷载作用下路基细粒土填料的塑性变形行为及临界动应力研究

铁路路基承受的列车长期荷载作用为列车通过时的振动加载和无列车通过时的加载间歇,即间歇性动荷载。为探究列车间歇性动荷载作用下路基填料的塑性变形行为及临界动应力,设计一系列考虑含水率、围压、动应力条件等因素的连续加载与加载–停振的动三轴试验,对比分析加载间歇对路基土变形行为的影响,并重点分析间歇加载条件下路基土的塑性变形行为。试验结果表明,试样在间歇阶段的排水和卸载使得加载阶段积累的超孔隙水压力消散、土体内部颗粒及结构发生调整,降低了塑性变形在后续加载阶段的累积,并提高了试样的临界动应力;间歇加载条件下粉土的塑性变形行为可划分为塑性安定、塑性蠕变和增量破坏;基于塑性应变速率,建立间歇加载条件下粉土变形行为的划分标准;引入静强度对安定理论进行修正,提出考虑含水率和围压等因素的间歇加载条件下粉土临界动应力经验公式。研究结果对于认识实际运营条件下路基的变形行为及动力稳定性具有重要意义。     

交通荷载下铁路路基粗粒填料动力特性研究

以非洲吉布提铁路工程为背景，通过GDS动静三轴仪，对交通荷载影响下的铁路路基粗粒填料的动力特性进行了研究。研究表明：循环应力较大时，荷载施加频率越大，路基粗粒填料的体应变越大，路基填料将会更密实，但当施加的循环应力等于围压时，荷载频率对粗粒填料的累积体应变影响很弱；当施加的循环应力较大时，荷载频率增大导致路基填料回弹模量增大，且可以使得粗粒填料的轴向累积变形显著增加；当循环应力接近于围压时，荷载频率对于粗粒填料的轴向累积变形影响很小。根据研究结果提出了相应的路基填料施工控制措施，可为类似工程提供借鉴。     

Full-scale model testing on the dynamic behaviour of weathered red mudstone subgrade under railway cyclic loading

Although weathered red mudstone (WRM) is widely distributed in the southwest of China, its suitability as a fill material for the subgrade bed of a high-speed railway (HSR) has not been comprehensively investigated. This paper presents the results of a field full-scale model testing of the cyclic loading and response of a railway track-subgrade system for the Dazhou-Chengdu Railway, where some WRM has been used in a newly designed subgrade structure. A control section of the HSR was also built using a traditional subgrade bed (Group A&B material) to compare the performances of the different sections. To better understand the dynamic characteristics and cumulative deformation of the two types of subgrade, the dynamic actions of different axle loads and different train speeds were simulated using specifically designed track-cyclic-loading equipment. The transverse and vertical distributions of the dynamic stress, dynamic displacement and acceleration of the track-subgrade system were measured and evaluated. The influence of the wheel axle load on the growth factor of the dynamic parameters, the vertical attenuation coefficient of the dynamic stress, and the effect of using WRM in the subgrade on the post-construction settlements were investigated. The tests enabled the development of cumulative settlement laws with railway loading for the two types of subgrade. Although the dynamic parameters and cumulative settlement of the WRM subgrade are always greater than those of better-quality material (Group A&B subgrade), they comply with HSR regulations. In conclusion, the results demonstrated that weathered red mudstone can be used as a filling material in the newly designed subgrade structure for HSRs.     

高铁桩网复合结构路基长期运营沉降模型试验研究

高铁路基沉降控制是保证列车安全性和舒适性的重要因素。随着高铁运营时间增长,软土地区高铁路基长期沉降问题越来越引起关注。针对京沪高速铁路徐沪段某试验段,开展了桩网复合结构路基长期循环动态加载物理模型试验,获得了路基沉降、桩土应力分担及桩身轴力分布的变化规律。试验结果表明:在初始1000次加载时,路基沉降随加载次数增加明显,之后达到稳定;桩上部位置土体变形大于桩身变形,桩侧呈现负摩阻力,中性点位于距桩顶约2/3桩长位置;桩身轴力随加载次数增加而增大,说明桩分担荷载增加,当达到4万次加载后,轴力随加载次数增加不再明显。     

中—强膨胀土地区铁路路堑基床动静态特性模型试验

为研究以中—强膨胀土为地基的高速铁路路堑基床在不同服役环境下的动静态特性,在实验室内进行1∶1大比例尺模型试验,分别对基床在干燥状态、降雨和地下水位上升3种服役环境下以4 Hz频率进行100万次激振,监测路堑基床不同位置的动态响应和变形规律。结果表明：轨道正下方位置基床范围内的动应力主要受服役环境影响,与激振次数关系不大;动应力沿深度的衰减曲线近似成二次曲线型;膨胀土路堑基床变形受服役环境的影响大于振动次数;干燥状态和降雨时,基床变形随着振动次数的增加先增大后趋于稳定,地下水位上升时,基底膨胀土膨胀变形,并引起基床产生回弹变形;基底膨胀土干缩湿胀过程中的“过程性变形差”会造成轨面标高反复变化,极大的增加线路维护工作量。     

高速铁路红层软岩路基时效上拱变形机制研究

红层软岩地区高速铁路路基在运营期出现持续上拱变形,已成为当前阻碍我国高速铁路发展的又一关键因素,为揭示引起红层软岩地基时效性上拱变形机制,以西南地区某典型红层软岩深挖路堑路基上拱变形病害工点为依托,在现场工程地质与水文地质调查分析的基础上,结合基底地应力测试、红层软岩的吸水膨胀性试验和不同水理条件下的蠕变性试验结果,从地基岩体赋存的水、力环境、红层泥岩的时效性膨胀特性和水-力耦合蠕变特性角度,建立红层软岩地基分层变形机制模型,并系统分析地基短期、中期和长期上拱变形机制和特征。研究成果表明:(1)上拱区段属红层泥岩夹薄层砂岩的近水平地层结构,开挖法向卸荷引起浅层岩体微观裂隙松弛而视显,深层岩体仍为完整,地基岩体水平切向应力显著增大导致路基变形具有明显的结构效应;(2)侧向约束轴向自由下,红层泥岩吸水的时效性变形特征与其岩性及结构特征有关;(3)红层泥岩在低应力状态下即表现出典型的三阶段蠕变变形特征,且轴向应力越小,蠕变应变比越大;(4)水-力耦合作用下红层泥岩蠕变特性更为显著,大量级卸荷情况下上拱蠕变显著增大,蠕变稳定持续时间增长;水汽-力耦合作用下仍会出现显著的蠕变变形,蠕变稳定持续时间更长,总蠕变应变相对减小;(5)根据不同层位岩体的变形机制,将红层软岩地基划分为大气影响层(C1)、水汽-力耦合变形层(C2)、水-力耦合变形层(C3)和水-力耦合封闭层(C4)。路基短期变形主要由C1层岩体引起、中期变形由C3和C4层岩体引起、长期变形由C2层岩体引起。研究成果可为红层软岩地区高速铁路路基时效性上拱变形风险评估、预测及工程控制措施的设计提供理论支撑或参考。     

水泥改良土的动力特性试验研究

为了扩大高速铁路路基基床底层填料的使用范围，进行了水泥改良土的动三轴试验，分析了水泥改良土在列车重复荷载作用下的动力特性，研究了水泥改良土的临界动应力、累计塑性变形、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素，论证了水泥改良土作为高速铁路路基基床底层填料的可行性。     

铁路路基下膨胀土地基浸水响应现场试验

在工程建设中,膨胀土大都属于非饱和土范畴。对高速铁路无砟轨道路基而言,膨胀土的胀缩变形可能加剧线路的不平顺性,影响高速铁路的正常运营。为研究铁路路基荷载下非饱和膨胀土土层在人工浸水后的变形特征,结合云桂铁路建设,设计并开展了铁路原型路基荷载下膨胀土地基现场浸水试验,并监测了从路基填筑开始到人工浸水结束时膨胀土地基与路基本体变形及浅层土水分的时程变化。试验结果揭示了膨胀土地基浸水饱和后的极限相对膨胀量、膨胀变形沿路基横向与地基深度的分布规律以及地基表面膨胀变形沿路基本体的衰减特征。基于试验成果,初步提出了以路基表面膨胀变形为0作为控制标准确定路基临界填高的设计思路。现场试验的设计原则与实施方法也可为今后研究铁路路基下膨胀土地基胀缩特性提供参考。     

高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后动力性能及长期耐久性的试验研究

高速铁路路基的过大沉降影响轨道结构耐久性和列车运行安全,有必要及时通过抬升路基水平恢复轨道线路的垂向平整性。尝试通过在路基表层和轨道混凝土底座之间进行非水反应高分子聚合物填充注浆的方法实现轨道结构的整体均匀抬升。通过大型物理模型试验测试分析了抬升后轨道-路基的整体动力学性能及长期耐久性。通过定点循环激振试验对比分析了路基抬升前后的轨道整体刚度的变化规律,发现抬升后整体刚度相比抬升前略有减小,但对轨道-路基体系自振频率的影响有限;模拟列车运行的大周次循环加载测试了抬升后路基的动力累积沉降和动刚度变化过程,结果表明抬升后路基在列车长期荷载作用下具有较好的动力稳定性。     

交通荷载作用下加筋土路基残余变形减小的机理分析

应用有限单元法对交通荷载作用下加筋土路基进行隐式动力分析,并基于累积塑性变形的计算和影响因素分析,揭示加筋减小路基土残余变形的机理。分析结果表明:对于级配碎石基层沥青混凝土路面,加筋改善路基表面的压应力分布,减小传递到路基表面的剪应力,加筋后路基土上部80cm范围内动偏应力大大减小,而动偏应力是引起路基残余变形的重要因素之一;另一方面,交通荷载作用下,路基土的累积塑性变形主要发生在路基上部100cm范围内。因此,加筋后路基土累积塑性变形的减小,主要是由于加筋减小交通荷载作用下路基土上部的动偏应力;土工格栅刚度越大,动偏应力减小越显著。