高速铁路路堤传递地基差异沉降特性及控制限值研究

为研究高速铁路地基差异沉降在路堤中的传递扩散特性,运用有限元方法,分析了路基在小变形条件下地基差异沉降与路基面不均匀变形的映射关系,并在得到土工离心模型试验校正的基础上,讨论了地基差异沉降模式、路堤高度等因素对路基面不均匀变形的影响规律.研究表明:地基差异沉降在路堤中的扩散程度随地基差异沉降渐变段长度与路堤高度比值的增大而减小,比值大于3~5以后,地基差异沉降与路基面不均匀变形具有良好的一致性;路基面不均匀变形与地基差异沉降呈正相关性,并随路堤高度、地基差异沉降渐变段长度的增加而减小;基于路基面不均匀变形限值提出了地基差异沉降控制标准,丰富了高速铁路路基沉降变形控制技术指标体系.     

基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法

实现长期循环荷载作用下基床结构累积变形有效控制是建造高速铁路的技术难点之一.基于高速铁路无砟与有砟轨道路基承受列车动荷载特征,提出和完善了用于基床结构设计的荷载作用模式;根据循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的分类及阈值判别准则,结合室内单元结构填土模型试验,获得了级配碎石基床填料变形状态演化的阈值参数.以设计荷载条件和填料设计参数为基础,针对无砟与有砟轨道对基床变形状态控制的不同要求,采用结构分析原理,构建了基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法,确定了无砟与有砟轨道基床结构累积变形分别满足快速稳定和缓慢稳定的状态控制要求,以地基系数K30值表征的关键参数指标.研究成果为实现高速铁路基床结构由构造设计向状态控制定值分析转变奠定了基础.     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

塑料排水板堆载预压软基处理变形观察分析

采用塑料排水板堆载预压法对某软土路基工程进行处理,对路基变形及孔隙水压力等进行了严密观测;同时采取浅层沉降监测、深层沉降监测、孔隙水压力监测、地下水位观测等手段,以及地表沉降、孔隙水压力等变化规律,推算出预压荷载下的最终沉降量和固结度,深入分析塑料排水板堆载预压软土地基处理方法的加固效果。分析结果表明,该方法能有效地加快软基的固结沉降,提高地基土的稳定性和承载力,可供软土地基处理设计与施工参考。     

列车振动荷载作用下黄土动力特性分析

利用GDS动三轴仪,根据列车振动荷载"长持时,小振幅"的特点探究黄土动力特性。试验结果表明:在动应力过程中,动孔压波动变化且单调增长;土的动应变随着振次的增加而明显变大,且动应变相对动应力作用滞后,说明黄土的滞后性;试样的原有强度逐渐减小,最后剩余强度大幅度丧失。试样在3700次左右发生破坏。由此可见,在列车循环荷载作用下的黄土路基容易产生较大沉降,需合理预测和控制黄土在振动作用下的沉降。     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

离子交换膜厚度对钒电池性能的影响

电解液穿过离子交换膜的传质现象会导致全钒液流电池性能和寿命降低.作为重要设计参数,膜厚度是影响膜内离子传输的主要因素.本文使用结合了Donnan效应的钒电池一维传质模型,通过数值模拟方法考察离子交换膜厚度对膜内传质控制作用的影响,并得到电池性能的变化规律.结果显示:电池库伦效率随膜厚度变化呈三个阶段.膜厚度较小时,库伦效率恶化严重;膜厚度适中时,库伦效率随膜厚度增加而明显提升;膜厚度较大时,库伦效率随膜厚度增加趋缓.研究发现,随电池运行膜两侧溶液电势差逐渐达到稳定状态,这一过程受初始膜两侧氢离子浓度差和膜厚度控制.此外,膜厚度越小,膜内钒离子流量越大,其作用机制转为扩散主导;随充放电进行,迁移作用受膜两侧浓差平衡电势差影响.     

渤海海冰孔隙率对单轴压缩强度影响的实验研究

针对2009～2010年冬季渤海出现的异常冰情,在辽东湾东岸某港区外潮沟采集海冰,加工成冰样;在控温精度0.1℃的条件下,对117个柱状冰冰样沿平行冰面方向加载,测试冰样的单轴压缩强度、密度、盐度.试验温度分别是？4℃,？7℃,？10℃,？13℃和？16℃,加载应变速率在10？6～10？2s？1,覆盖了冰的韧性破坏、韧脆过渡和脆性破坏区域.试验结果支持宽应变率范围内单轴压缩强度随孔隙率的变化曲面.由此得到冰力学行为转折点随孔隙率变化的定量表达;实现了描述单轴压缩强度在不同破坏行为下的统一数学表达式;此外,还推断出2009～2010年渤海异常冰情不会导致渤海海冰单轴压缩强度设计值的调整.     

爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究

地铁隧道盾构施工前,通常需要对风化层中的孤石进行爆破处理,爆破荷载不可避免地对周围土体产生扰动.为了调查爆破冲击荷载对花岗岩残积土力学行为的影响,开展了不同冲击速率、频率、振动峰值应力及有效围压作用下花岗岩残积土的冲击动力试验,分析冲击荷载引起的超静孔隙水压力和变形的发展规律与破坏模式.结果表明:高速冲击引起的颗粒重排会增大土的内摩擦角,但强度增大的同时也会破坏原生结构强度,土体产生更多裂缝;振动峰值应力与频率对残积土的影响均存在着临界值,振动峰值应力与频率超过临界值时,强度软化且变形量增大;低围压下残积土可能会出现剪胀与剪切带破坏;提出的3种爆破冲击破坏类型中,低频高振动峰值应力的冲击条件下易出现严重的冲击破坏,频率3 Hz、振动峰值应力400 kPa是厦门花岗岩残积土介于破坏型与亚稳定型的临界影响值,因此,工程实践中应关注低频、高振动峰值应力的爆破冲击对周围土体带来的危害.研究可为花岗岩风化层中爆破法处理孤石提供施工参数,也可为考虑爆破振动影响的土层的力学参数确定与评价提供技术支持.     

营口软土地区桩网复合地基沉降规律研究

为研究滨海软土地区高铁地基的沉降问题,以哈大高铁营口东站附近软土地基处理工程为研究对象,对路基填筑过程和工后长期地基沉降进行观测。利用有限元数值分析软件ADINA建立相应的数值计算模型,研究了地基表面沉降规律。研究表明：地基沉降主要发生在路基填筑施工期内,填筑期的沉降量占总沉降量的70％以上;路基填筑施工过程中,地基沉降曲线呈倒钟形,刺入现象明显,在CFG桩周沉降曲线呈“∩”形。基于现场实测数据,建立了工后长期地基沉降预测模型。对比分析结果表明,路基填筑完工三个月后（大约100d）预测公式精度较高,最终预测沉降量与观测值误差在0．21％～0．56％之间,可以满足工后长期沉降预测要求。上述研究成果将为处理滨海地区高速软土路基工程,预测和控制工后沉降提供了合理的依据。     

高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的基础科学问题

中国高速铁路已经由大规模建造进入长期安全稳定运营阶段,如何科学维护庞大规模的高速铁路运营线路,使高速铁路长期保持高安全、高稳定、高可靠的运营品质,是我国现阶段面临的重大课题.在分析总结中国高速铁路基础结构构造特点及其复杂运营环境特点的基础上,提出了高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的三个基础科学问题:环境与动载耦合重复作用下高速铁路基础结构关键工程材料与结构动态性能演变,高速铁路基础结构累积变形与轨面几何形态的映射关系,基础结构劣化与高速列车-基础结构耦合系统动态性能的相互影响及演化机制;回顾评述了国内外在此方面的研究现状与最新进展;指出了本领域今后的发展趋势以及需要重点关注和加强的基础研究工作.     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅰ):单元板式无砟轨道系统

在分析钢轨随桥墩沉降变形机制的基础上,从理论上推导了桥上铺设单元板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间的映射关系,给出了钢轨随桥墩沉降发生变形的解析表达式,与相应有限元模型的计算结果进行了对比,并分析了不同沉降量条件下的钢轨变形区域长度.研究结果显示解析模型和有限元模型得出的钢轨变形曲线十分吻合,表明两种模型均可用于求解单元板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;常用跨度桥梁结构的桥墩沉降会对高速行驶的列车产生低频激励,该激振频率与车体的垂向自振频率相近,将对车体振动产生较大影响.     

基于改良SPA算法的高速铁路桥梁疏散能力评价

根据高速铁路桥梁应急疏散的特点，建立了其疏散能力评价指标体系。对传统集对分析法进行了改良，提出了一种基于渐变理论的纂对联系度算法，并将其用于疏散能力评估。将高速铁路桥梁疏散过程划分成了三个部分——高铁线上行走过程、疏散通道穿行过程和避难场所等待过程。据此建立了高铁桥梁疏散能力评估的指标体系。然后将疏散能力划分成五个等级，拟定了各等级的分级论域。最后，以某高速铁路桥梁为例，评估了其疏散能力。结果表明：基于改良集对算法的高速铁路桥梁疏散能力评价模型具有较高的可靠性和实用性。     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅱ):纵连板式无砟轨道系统

分析了桥上铺设纵连板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降产生变形的机理,并与单元板式轨道条件下的钢轨变形机理进行了对比,在此基础上,推导了纵连板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间映射关系的解析表达式,计算了钢轨随桥墩沉降的变形曲线,与此同时采用有限元方法从桥梁结构受力与变形的角度分析了桥墩沉降引起的钢轨变形曲线,并与解析计算结果进行了对比,最后对纵连板式轨道和单元板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降的变形曲线进行了对比分析.研究结果表明解析模型和有限元模型均可用于求解纵连板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;相比于单元板式轨道,纵连板式轨道条件下的钢轨变形更缓和,列车高速通过其沉降区域时产生的激振频率也更低.     

混凝土材料三维弹塑性本构模型

非线性统一强度准则将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数.本文将非线性统一强度准则作为屈服函数,以塑性剪应变的函数作为硬化/软化参数,硬化/软化函数参考单轴压缩条件下的应力应变关系给出,建立了混凝土材料的非线性统一弹塑性本构模型.通过混凝土材料单轴、双轴和三轴试验结果对本构模型的验证,以及偏心受压构件试验结果对数值模拟结果的验证表明,所建立的非线性统一弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,并可反映应变软化特性,将模型用于数值计算时易于获得收敛解,且具有较高的精确度和计算效率.     

大面积吹填软土地基处理效果评价

介绍某造、修船基地软土地基处理工程情况,根据地层条件和使用功能等将地基分为A区和B区：A区采用真空预压法处理;B区采用真空预压和表层拌和换填法处理。按设计要求采用取土试验、十字板剪切试验和静载荷试验进行检测。结果表明：A区的含水量下降了31％左右,B区的含水量下降了39％左右;A区的承载力提高了47-78kPa,B区的承载力提高了160-223kPa,均能满足设计要求。