基于行车试验的高铁路基面动应力幅值概率分布规律及设计值研究

高速列车荷载作用下路基动应力的大小直接影响到路基沉降变形及长期动力稳定性,现很多高铁线路路基动力响应数据仍处于“信息孤岛”状态,信息共享不充分和综合再分析不够,较难获得更具普遍意义和价值的路基动应力响应规律。鉴于此,采用现场实测、调研收集和数理统计分析的方法研究高速列车荷载作用下路基面动应力大小及概率分布规律,探讨《高速铁路设计规范》中路基面设计动应力幅值计算公式的适应性,并提出高铁路基面设计动应力幅值的计算公式。主要结论如下：①高铁无砟、有砟轨道路基面动应力幅值均服从正态分布,并统计获得了其特征值(均值μ、标准差δ,“3δ规则”的上下限值);②路基面动应力幅值与列车速度的关系：对于高铁无砟轨道,当v≥150km/h,路基面动应力幅值基本保持不变;当v≥150km/h时,动应力幅值随速度线性增加。对于高铁有砟轨道,动应力幅值随速度增大而线性增加。高速无砟、有砟轨道路基面动应力幅值的速度影响系数α分别为0.0015和0.0012;高铁无砟铁路轴重系数β=0.074,约为普通和高速有砟铁路β值的1/3～1/2;③提出高铁无砟、有砟轨道路基面设计动应力幅值计算公式分别为σdl=0.119P,v<150km/h,σdl=0.119P［(1+0.0015(v-150)］,v≥150km/h(无砟)和σdl=0.27P(1+0.0012v) (有砟)。研究成果可为高铁路基设计参数取值提供参考及其设计动应力幅值计算公式的修订提供依据。     

砂土路用动态特性试验研究

为研究砂土在重复荷载作用下的路用动态特性,开展系列动三轴试验。根据累积塑性应变随加载次数的变化规律,获得不同含水量、压实度下砂土的临界动应力。研究结果表明,砂土动态回弹模量随围压、压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小。采用偏应力和体应力为变量的动态回弹模量本构模型对试验数据进行回归分析,结果表明所选模型具有较高的决定系数,证明所选模型具有较高的合理性与可靠性,可为基于动力学的路面结构设计提供参数。为运用上述动态特性评价公路路基填料,提出基于动力特性的公路路基设计思路。     

黏土-水泥土接触面剪切特性试验研究

掌握黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。本文基于系列直剪试验研究黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性,以探究黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明：黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则,接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大,但增长速率逐渐减缓,而接触面粘聚力与黏土粘聚力大小相当;黏土–水泥土接触面的法向应变与剪切位移曲线整体表现为剪缩型,且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大,且当粗糙度R超过1.0 mm后,Es大于1.0,说明由于“被动阻力”的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升,从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力作用下,各接触面剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布,据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和粘聚力关系的复合指数模型,该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外,随着剪切过程的持续进行,剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。     

水泥搅拌桩处理软土路基中的应用

结合工程实例,介绍了水泥土搅拌桩处理软土地基的施工方法,提出了施工中应注意的事项,对施工中和施工后的质量问题进行了分析,并通过载荷试验,证明了其承载力均达到了设计要求,供类似工程参考借鉴。     

桩基参数对单桩横向刚度和桥墩自振频率影响分析

利用群桩基础三维计算程序,分析了桩基参数对群桩基础单桩横向单桩横向刚度影响,并进一步得到了单桩横向刚度与桥墩自振频率的关系,使人们在利用桥墩自振特性对桥墩刚度进行评价时,能注意到桩基参数的影响,从而经济有效地设计或加固桥墩基础。     

某地铁深基坑支护体系内力与变形监测结果分析

对某地铁深基坑支护结构内力与变形监测结果进行了分析。监测结果表明 ,施加的锚杆预应力有 10 %～ 2 5 %的损失 ,在开挖过程中锚杆轴力有一定程度的增加 (约 10 %左右 )。钢支撑的轴力随开挖深度的增加而增加 ,轴力大小变化与基坑开挖方式、速度及下层支撑的逐一拆除有关。支护桩体的变形随桩深、支撑条件变化而变化。基坑顶部的水平位移以坑壁中央最大 ,靠端部位移较小。     

重载列车作用下桥墩-桩基竖向动荷载特性试验研究

为探明大轴重、长编组和高密度重载列车作用下桥墩和桩基承台顶的动荷载特性,开展不同车速和轴重条件下的桥墩-桩基体系竖向动荷载响应现场试验。分析桥墩动荷载曲线的时域、频域特征,采用Kolmogorov法对动荷载幅值进行正态性检验,建立列车参数与动荷载频域特征的联系;基于3σ原则对不同敞车作用下的动荷载特征值(均值、均幅值和均峰值)进行统计,结合实测数据建立重载列车作用下的墩顶动力系数计算公式,并提出墩顶和桩基承台顶的荷载谱公式及其参数取值。结果表明:动荷载响应在时域上可分为快速增加,周期波动和快速衰减3个阶段,在频域上服从倍频规律和幅值调制效应,0～5Hz频段激振对动荷载起控制作用;动荷载幅值服从正态分布,动荷载均峰值和振动能量沿墩身衰减明显,动荷载均值和均峰值随轴重增大而增大,均幅值随轴重的增加而减小;建议采用φ=1+0.0045v计算墩顶动力系数,采用三角级数式拟合桥墩荷载谱效果显著。研究成果可为重载列车作用下桩基的长期承载变形性状及环境振动评估的研究提供关键参数和可靠检验样本。     

预应力锚索桩板墙变形特性研究

为了掌握预应力锚索桩板墙的变形规律,查明其影响变形的参数,通过现场实测与数值计算方法对预应力锚索桩板墙的变形进行了研究。实测结果表明,预应力锚索桩板墙在施工阶段最大变形发生在墙的中部,施工完成后,由于锚索的预应力损失、岩土体蠕变以及车辆荷载的作用等原因,变形最大位置逐渐转移到了墙的上部;计算结果表明,墙后填料强度、墙背粗糙度、桩板的柔度、锚索预应力和位置等都对挡墙的水平位移影响显著。为控制挡墙的最大变形,在填料选择方面,要采用变形模量较大,摩擦角较大的填料进行填筑,填料摩擦角以不能低于20°为宜;在桩板的选择方面,要保证桩板粗糙度较大,桩板柔度较小的桩体,桩板的柔度系数宜控制在0.25～0.5范围内;在锚索预应力的大小与作用点位置选择方面,锚索预应力不宜超过600 kN,单排锚索宜作用在0.2H～0.3H高度位置。     

粗糙度对混凝土–砂土接触面力学特性的影响试验研究

为探究粗糙度对混凝土–砂土接触面力学特性的影响规律,开展不同粗糙度条件下的混凝土–砂土接触面大型直剪试验。根据钻孔灌注桩成孔后的孔径–深度曲线,采用概率统计分析的方法获得混凝土结构凸出尺寸的分布频率。基于此,分别构建表面"光滑"和"规则型"凹槽的混凝土板用于模拟实际工程中混凝土结构表面的粗糙度。提出可考虑凹槽几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度(R)计算方法。试验研究结论如下:(1)对于平均粒径D500.7 mm的粗砂和细砾,其剪切带厚度约为5D50;(2)对于"规则型"凹槽的混凝土–砂土接触面,其峰值应力比随lgR近似呈线性增长;峰值、残余应力比均随法向应力的增加而减少。(3)接触面剪胀角随粗糙度的增加而增大,随法向应力的增加而递减。高法向应力抑制剪胀,并弱化粗糙度对剪胀的影响。(4)归一化接触面峰值摩擦因数Ep随lgR的增加而线性递增,当R增至0.70 mm时,Ep1,说明由于"被动阻力"的存在,砂土的自身切剪强度不是"规则型"混凝土–砂土接触面剪切强度的上限。     

软土地基极限承载力的灰色预测

本文论述并举例说明了灰色系统理论预测软土地基极限承载力的方法与步骤。预测结果表明 ,灰色理论预测值能较好地作为软土地基承载力极限值 ,特别是对不完整荷载试验更有意义。预测值常常大于用常规荷载试验确定方法所得出的极限承载力值 ,但这种误差一般在 10 %以内。