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铁路路基粗粒土填料变形及颗粒破碎演化特性研究

魏心星  
【摘要】:铁路路基承受填土自重、轨道结构静力荷载和列车循环动力荷载的作用,其变形包括动力累积及蠕变变形,本质原因是路基填料的粗颗粒破碎与细颗粒迁移。粗粒土是由不同粒组的颗粒组成,其变形特性异常复杂,同时受到实验条件的限制,有关粗粒土填料变形方面的研究不够深入,因此有必要对其动力累积变形和蠕变特性进行研究,从颗粒破碎角度揭示粗粒土路基的变形机理。为此,本文构建粗粒土模型试验系统,开展动力循环加载试验及静力蠕变试验,探索粗粒土填料动静变形特性,分析颗粒破碎演化特性,具体研究内容及结论如下:(1)为描述粗粒土的级配特征,采用二次函数建立了颗粒含量P与相对粒径x自然对数的非线性关系,在颗粒含量与相对粒径坐标系中提出一种描述连续级配粗粒土的级配方程,将非连续级配粗粒土级配曲线离散为局部连续级配曲线,通过坐标变换,在连续级配方程基础上构建非连续级配粗粒土的级配方程,并且使用试验数据对级配方程的一致性进行了验证。(2)为揭示高速列车长期往复荷载作用下路基粗粒土填料动力累积变形特性,构建了粗粒土填料动力循环加载模型试验系统,利用MTS模拟不同频率、不同动应力幅值的列车动力荷载,开展5万次循环加载试验,获得粗粒土填料动力累积应变与加载次数的关系曲线,分析加载频率、动应力幅值、降雨入渗强度等因素对累积应变的影响规律,提出粗粒土填料动力累积应变与加载次数的指数双曲函数预测模型,建立模型参数与加载频率、动应力幅值及降雨入渗量的函数关系,并利用试验数据验证模型的合理性。(3)为揭示路基粗粒土填料蠕变特性,构建粗粒土蠕变模型试验系统,开展了一系列蠕变试验,探讨了静压荷载、降雨入渗强度、压实度、侧向刚度等因素的影响,结果表明:静压变形随着荷载的增加基本呈线性增加的趋势,蠕变变形与时间呈指数增加的趋势,增加速率逐步降低直至趋向于稳定。静压最终变形随降雨入渗量增加变化较小,随着侧向刚度、压实度的提高而逐渐降低。蠕变变形在加载48小时后基本趋于稳定,其最终变形随降雨入渗量增加而增大,随侧向刚度、压实度的提高而减小。(4)为揭示粗粒土路基变形机理,对粗粒土试验前后颗粒级配进行分析,探讨了荷载作用下粗粒土填料的颗粒破碎特性。结果表明:随着动应力幅值、加载频率以及降雨入渗量的增大,大颗粒破裂及小颗粒研磨效应增加明显;随着压实度及侧向刚度的提高,颗粒破碎的效果更加显著。利用颗粒破碎度量指标、分形理论、曲率系数C_c及不均匀系数C_u进行分析,结果表明粗粒土填料破碎后粒径分布具有良好的分形特性,且分形维数D与颗粒破碎指标B_g存在良好的线性相关性。


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