低黏土矿物含量泥岩浸水膨胀变形的试验研究

针对兰新二线地基中低黏土矿物泥岩分别进行了现场原位和室内原状及重塑样的浸水-加荷膨胀变形试验,得到了现场0.7 m浸水深度下上覆荷载与膨胀变形的关系以及室内不同上覆荷载下泥岩原状和重塑试样的膨胀变形特性。试验及分析结果表明:此处地基泥岩虽无蒙脱石,但具膨胀性;在不同上覆荷载(9.75,38.99,58.49,77.99 k Pa)下的现场原位泥岩浸水试验过程中,泥岩地基的膨胀变形表现出二次曲线特性;上覆荷载为9.75 k Pa时,地基膨胀变形量最大为40.94 mm。在不同上覆荷载情况下的室内泥岩浸水试验中,室内原状土样膨胀变形规律也近似为二次曲线;在无上覆荷载情况下,原状土样最大膨胀变形值为1.98 mm。由于土样内部结构受到扰动,重塑土变形特性与原状土差异很大;在无上覆荷载情况下,重塑土随着干密度增大,膨胀变形增大;随着含水率减小,膨胀变形增大;在无上覆荷载时,含水率为8%、干密度为1.7 g/cm3时的最大膨胀变形值最大,为1.37 mm;在一定荷载情况下,重塑土直接表现出压缩固结的变形特性。     

客运专线无碴轨道泥岩地基原位浸水膨胀变形试验

 在兰新铁路第二双线一处典型泥岩地基工点处,采用开挖不同深度浸水孔并施加上部荷载方法,进行3个试验基坑的泥岩地基原位浸水膨胀变形试验,分别研究在9.75,21.44,38.99,58.48,65.31,77.99 kPa六种上覆荷载情况下,以及0.7,1.1,1.5 m三种浸水深度情况下,泥岩地基的膨胀变形特性。结果表明：泥岩浸水膨胀变形表现为短暂软化沉降、膨胀骤增、膨胀减缓、膨胀平衡稳定4个阶段;得出不同浸水深度与膨胀变形值为非线性关系;在浸水孔深度1.5 m,上部荷载9.75 kPa时,地基最大膨胀量约41 mm;在上覆荷载值一定的情况下,浸水后地基泥岩含水率会达到最大限值,约14%,且浸水量不会随着外界水分补给而增大;当泥岩内部含水率在限值范围内增大时,会储存有膨胀能,在上覆荷载减小或浸水深度增大的情况下,泥岩地基以稍滞后的膨胀变形体现出其膨胀能;拟合得出泥岩地基膨胀量与上覆荷载的非线性关系曲线及关系式;总结泥岩加荷–浸水膨胀以塑性变形为主,卸载情况下泥岩的回弹量值占总变形量的6.39%～7.00%。     

初始干密度对风化砂改良膨胀土有荷膨胀试验研究

本文以宜昌某一级公路改建项目路段的膨胀土为研究对象,利用普通杠杆式固结仪,通过对上覆荷载分别为25kPa和50kPa下不同初始干密度对风化砂改良膨胀土膨胀变形的系统研究,得出了不同初始干密度和掺砂比例对有荷膨胀量的影响结果。研究表明:在上覆荷载和掺砂比例一定时,改良膨胀土的有荷膨胀量随着初始干密度的增加迅速增大;在上覆荷载和初始干密度一定时,改良膨胀土的有荷膨胀量随着掺砂比例的增加先增大后减小,总体上显著增大;同时,上覆荷载为25kPa时的膨胀量与初始干密度成很好的对数关系,在路基的填筑过程中,增大上覆荷载和控制好压实度可以有效抑制膨胀土的膨胀变形。     

川中红层泥岩时效膨胀变形特性试验研究

四川盆地及周边山地广泛分布俗称为"川中红层"的侏罗系泥岩,是一种典型的软岩,其强度低,易风化崩解,流变特性显著,具有一定的膨胀特性,是引起该地区多处高速铁路路基长期持续性上拱变形的一个重要因素。为揭示红层泥岩在浸水条件下的时效变形特性,以川中红层典型泥岩为对象,在室内开展原状岩样浸水物化膨胀性试验,分析红层泥岩的吸水膨胀变形随时间的变化规律及其影响因素。试验结果表明,常规膨胀性指标显示川中红层泥岩为非膨胀岩,或仅具有弱膨胀性,原状岩样吸水膨胀率较小,但具有显著的时间效应;采用类Kelvin体建立红层泥岩膨胀蠕变模型,模型参数K和η可有效度量膨胀蠕变的极限应变及黏滞特性;原状岩样的结构性是影响其吸水率的重要因素,通过岩屑筛分试验获得最大含量粒组颗粒粒径dmax、细粒和微粒质量占比ω1.0和有效粒径d10三个参数,可以定量判断泥岩的吸水特性和膨胀特性,dmax越小、d10越小、ω1.0越大,则泥岩的吸水率越大,膨胀性越强。研究成果对川中红层泥岩地层高速铁路路基长期持续性上拱变形的机制认识及治理方案论证具有参考作用,并为红层泥岩物理、水理及力学特性及其相互关系的定量研究提供基础。     

高铁地基低黏土矿物泥岩微膨胀性定量评定研究

微膨胀性地基红层泥岩遇水引起的高速铁路无砟轨道路基上拱,已成为当前阻碍中国高速铁路发展又一关键因素,合理评定低黏土矿物泥岩微膨胀性对高速铁路设计和施工具有重要意义。以兰新高速铁路为依托选取等效蒙脱石含量、阳离子交换量、自由膨胀率和液限为微膨胀性判别指标,通过大量现场地基泥岩钻孔实测资料,提出了地基泥岩微膨胀潜势分级标准,采用改进层次分析法、基尼系数法和相对熵理论确定了判别指标组合权重,基于线性综合评定法建立了泥岩微膨胀性定量评价模型。结果表明:判别指标间有一定线性关系,其作为泥岩判别与分级指标具有较好分类特性;泥岩微膨胀潜势分级标准可实现94%样本的3项指标一致性;线性综合评价法克服了同一试样不同指标属于不同等级判别缺陷,可使泥岩微膨胀性进行量化,并得出了泥岩微膨胀潜势定量分级标准;通过室内膨胀力试验验证了泥岩微膨胀性定量评定及分级方法对兰新高铁适用性。研究成果对类似地质条件高速铁路路基长期持续上拱变形的工程控制措施提供理论依据。     

红层地区高铁路堑基底上拱等级预测研究

轨面平顺性是高速铁路安全运行的重要保证。近年来,四川红层部分高速铁路(客运专线)出现路基上拱病害,致使轨面不平顺并影响高铁正常运营。对于高速铁路无砟轨道线路,基底上拱整治十分困难,如能在铺轨前进行上拱预测,就可采取相应措施以减缓路基上拱,因此高铁路基上拱预测研究势在必行。以成渝客运专线为研究对象,在综合分析路基上拱主要影响因素的基础上,选取路基中心开挖深度、岩层倾角、砂泥岩互层关系、泥岩饱和单轴抗压强度、泥岩膨胀性5个评价指标,采用熵权法确定各指标权重,运用功效系数法建立高铁红层路基上拱等级预测模型。将该模型应用于成渝客专和沪渝蓉高铁建设前期主要上拱段及上拱等级预测,验证了该模型的可行性与实用性。     

红层泥质岩干湿循环下的变形特性试验研究

泥质岩地区高速铁路开挖的路堑和隧道底部路基,许多出现了长时间持续性上拱变形现象,致使高速铁路降速运行。为研究泥质岩路基持续性上拱变形的原因,文章以成都至重庆高速铁路客运专线某中间站开挖路基持续变形现象为典型,对四川红层泥质岩原状样在侧限约束条件下的浸水膨胀与失水收缩构成的胀缩变形特性进行了室内干湿循环试验。试验结果表明:红层泥质岩在干湿循环条件下具有浸水膨胀失水收缩变形特性,循环胀缩变形量值不同,逐次产生了不可逆的变形累积,致使泥质岩在干湿循环过程最终产生了较大的净膨胀变形量;在每个浸水膨胀变形与失水收缩变形循环初期,泥质岩变形速率均是由大逐渐减小最后向零趋近,各单循环累积变形量先增加最后趋于稳定;泥质岩干湿循环中产生的累积变形量均随浸水与失水循环次数的增加而增大;累积变形量与泥质岩初始含水率相关,随着初始含水率的增加而增大。     

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。     

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。     

红山窑膨胀红砂岩地基处理方案研究

经野外地质勘探,红山窑风化红砂岩初判为膨胀岩,为寻求技术上安全可靠而又经济合理的设计施工方案,对该膨胀岩进行了膨胀变形特性和力学性质试验,研究其随含水量变化时的膨胀变形特性和力学性质指标。试验结果表明：膨胀应变在较短时间内完成总膨胀量的90%左右,随着时间的增长,最终趋于稳定;在不同初始含水率至吸水饱和时,初始含水率越低,吸水达到饱和时产生的膨胀力越大,初始含水率越高,吸水达到饱和时产生的膨胀力越小。且含水率ω∈[0%,6%]至饱和是该膨胀岩膨胀力的显著增长点。根据试验结果提出如下地基处理方案：对位于中风化层的红砂岩地基,只采用控制含水率（不低于6%）,限制膨胀力（小于40kPa）的方法;对部分位于全风化岩层上的地基可采取换填土处理。     

高铁无碴轨道路堑基床换填厚度与动力稳定

 针对武广高速铁路无碴轨道红黏土路堑基床换填厚度的确定问题,基于室内动力试验与现场动力响应测试成果,分别采用临界动应力法、动剪应变法初步评价红黏土路堑基床的长期动力稳定性,给出同时满足动强度和动变形条件的基床最小换填厚度理论值。在此基础上,综合考虑铁路路基构造要求、实测路基动响应影响深度、红黏土的特殊工程性质、安全储备等因素,给出便于工程应用的红黏土路堑基床最小换填厚度建议值。含水比、围压对基床换填厚度的影响表现为：换填厚度随含水比的增大而增大,随围压的增大而减小。对比分析表明：如果高铁无碴轨道路基满足动变形条件,则动强度条件就自动满足;动变形是高铁无碴轨道路基长期动力稳定的控制因素;动剪应变法是一种优于临界动应力法的高铁无碴轨道路基长期动力稳定性评价方法。研究成果为高速铁路无碴轨道路堑基床换填厚度的确定提供新的思路。     

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。     

红岩寺隧道双块式无砟轨道整体道床施工技术

以宜(宜昌)万(万州)铁路红岩寺隧道双块式无砟轨道整体道床为工程实例,重点阐述了组合式轨道排架法在单线铁路隧道双块式无砟轨道整体道床施工中的应用,指出本方法适合于长大隧道无砟道床施工,对于桥梁、大型车站以及基础稳定的路基、路堑地段也有一定的指导意义。     

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基动力性态的全比尺物理模型试验

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基的振动特性和动力荷载传递规律对高速铁路的设计和运行维护十分重要。介绍了一种全比尺的高速铁路板式轨道路基模型和可模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统,最高模拟列车速度可达360 km/h。基于该模型试验平台,对中国高速列车以不同速度运行下板式轨道路基的振动和动应力特性进行了试验研究。结果表明轨道结构的振动随着车速的提高近似呈线性增加的趋势;路基结构的振动存在阶段性,列车速度低于180 km/h时振动速度增长缓慢,而后随着速度的增加迅速增大;基床表层的碎石层对振动在路基中的传播有很好的吸收作用。试验发现,尽管无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道,但无砟轨道路基动应力沿深度的衰减速度要缓于有砟轨道。试验进一步发现,无砟轨道路基动应力的增长模式与列车速度和土体所处深度均有关,基于试验结果提出了用于预测高速铁路路基动应力的经验表达式。     

无砟轨道X形桩–筏复合地基动土压力分布规律试验研究

基于1∶5的轨道–路基–桩筏复合地基模型,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下无砟轨道X形桩–筏复合地基的动力特性模型试验,研究不同激振频率引起的轨道–路基–桩筏复合地基中的速度和动土压力,测得了速度响应、动土压力随深度和激振频率的变化规律。研究结果表明:在路堤横截面方向上,振动响应主要集中在轨道–路基结构中,基床表层中的动土压力在路堤横截面方向呈"W"形分布,地基表面的动土压力呈"U"形分布。基床表层中的动土压力荷载放大系数随激振频率的增加而逐渐增加。相关研究成果可为无砟轨道X形桩–筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

Field study on swelling-shrinkage response of an expansive soil foundation under high-speed railway embankment loads

This paper presents a comprehensive field investigation of the swelling-shrinkage behavior of an expansive soil ground under high-speed railway embankment loads. In this study, a test site close to the Kunming-Nanning high-speed railway (KNHR) was chosen for the construction of four full-scale field test facilities for artificially soaking the expansive soil ground. Three of the facilities consist of embankments of three different heights, while the fourth facility is for a series of plate load swelling tests. All the test embankments were fully instrumented to monitor the ground deformation and the changes in volumetric water content profiles of the foundations. The full-scale field tests were complemented by a detailed site investigation comprised of cone penetration tests (CPTs), standard penetration tests (SPTs) and a comprehensive laboratory characterization of intact expansive soil samples retrieved from the test site. The results obtained from the laboratory and field tests show that the swelling behavior of the expansive soil ground mainly depends on the embankment load. By properly designing the embankment height and considering the maximum swelling pressure the expansive ground could induce, the heave of the embankment could be controlled efficiently. The measured displacements at the ground surface are well correlated with the evolution of measured volumetric water contents within a ground depth of around 4.5?m. The majority of these displacements occurred when the ground was approaching saturation along both wetting and drying paths. Finally, a simple method based on one-dimensional test results was proposed, and a good performance was shown in predicting the heave or settlement of embankments over an expansive soil ground upon wetting and drying.     

脱湿状态对膨胀土膨胀变形和强度特性的影响

非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。     

空军汉口新机场试验路段石灰改性膨胀土试验研究

空军汉口新机场试验路段石灰改性膨胀土（简称灰土）试验研究包括室内和现场试验研究。室内试验研究包括：天然膨胀土与击实膨胀土的基本物理特性和胀缩特性试验、灰土击实试验以及膨胀土掺石灰改性试验等。室内试验结果表明：击实膨胀土比天然膨胀土的膨胀潜势更大；在道面下一定范围内，填料不能采用膨胀土，而必须用灰土；石灰能有效地对场区内的膨胀土进行改性，最优石灰掺合比为6％～8％：不同灰土层的最大干密度与最佳含水量差异较大，现场施工填料不能混填。现场试验包括：碾压试验、压实灰土基本物理特性和胀缩特性试验、浸水载荷试验、测定路基回弹模量和回弹弯沉试验等。现场试验结果表明：在有效控制灰土的石灰掺量和含水量情况下，采用激振力为450kN的碾压机对松铺厚度为50和30cm的灰土进行碾压，分别需碾压8和6遍，路基压路度才能达到95％，表面沉降才趋于稳定；现场压实灰土的膨胀潜势很低，仍有明显失水收缩特性，在施工时应注意采取保水措施；压实灰土具有较高承载能力、强度特性和吸水稳定性。     

大别山隧道内双块式无砟轨道施工技术研究

双块式无砟轨道是一种适用于高速铁路的新型轨道结构,结合双块式无砟轨道结构形式,详细介绍了应用于大别山隧道双块式无砟轨道的施工工艺流程以及质量控制要点,为高速铁路隧道内双块式无砟轨道施工提供借鉴。