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竖向受荷桩极限承载力计算的可靠性分析

铁道科学与工程学报 2024年

作者：肖建勇饶有权冷伍明湖南中大设计院有限公司中南大学土木工程学院

为深入探究竖向受荷桩极限承载力3种典型计算模型（双曲线模型、指数曲线模型和灰色理论模型）的可靠性，基于具有极限承载力的95根试桩数据，详细分析3种单桩竖向极限承载力计算模型预测行为的不确定性。研究发现3种计算模型均可基于... 详细信息

为深入探究竖向受荷桩极限承载力3种典型计算模型（双曲线模型、指数曲线模型和灰色理论模型）的可靠性，基于具有极限承载力的95根试桩数据，详细分析3种单桩竖向极限承载力计算模型预测行为的不确定性。研究发现3种计算模型均可基于未达到破坏状态单桩的荷载-沉降数据序列预测其极限承载力，但具有一定的不确定性。编制的计算程序SIMUPU有效提高了单桩极限承载力的计算效率，具有良好的实用性。结合程序分析结果，提出单桩竖向承载力计算模型不确定性的分析方法，阐明了计算模型不确定性的统计特征，发现计算模型的不确定性系数统计均值可用于修正并提高模型预测单桩极限承载力的可靠性。基于双曲线模型极值点法预测的单桩极限承载力普遍偏大，且离散性较大，偏于不安全；采用双曲线模型最大曲率点法确定单桩极限承载力的不确定性系数均值虽接近1.0，但其预测结果的可靠性略有降低。指数曲线模型和灰色理论模型的预测结果整体略偏小，且二者预测结果较为接近，预测所得单桩极限承载力的可靠性优于双曲线模型。基于工程试验桩的应用分析表明，单一计算模型可能产生较大误差，基于本文可靠性分析方法，同时采用3种计算模型进行预测、修正、取均值，可获得更为可靠的单桩极限承载力。以上研究成果可为单桩极限承载力的分析和获取提供参考和依据。

关键词：竖向受荷桩极限承载力计算模型可靠性不确定性

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双线重载铁路路基动力响应规律研究

铁道学报 2024年第1期46卷 145-155页

作者：董俊利冷伍明徐方张期树杨奇刘思慧中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

建立双线重载线路的轨枕-路基-地基三维有限元仿真模型,分析双线重载路基的动力响应规律。研究发现,列车于本侧轨道下方路基面引起的动应力沿横向均呈“马鞍形”分布。上行线列车通过时,本侧线路钢轨下方路基动应力均随深度的增加而减小... 详细信息

建立双线重载线路的轨枕-路基-地基三维有限元仿真模型,分析双线重载路基的动力响应规律。研究发现,列车于本侧轨道下方路基面引起的动应力沿横向均呈“马鞍形”分布。上行线列车通过时,本侧线路钢轨下方路基动应力均随深度的增加而减小;不同运行模式下,路基中心处动应力则均随深度的增加先增大后减小。路基面竖向动位移沿横向呈现明显的凹形分布特性,满载列车单向运行引起的动位移峰值可达到空载列车单向运行的5.36倍。列车轴重对路基速度响应的影响相对较小;轴重由25 t增至30 t时,本侧线路钢轨下方路基面处加速度峰值增加约10%。双线列车运行引起的路基动力响应水平大于单向列车运行的工况;上行线满载列车在下行线钢轨下方路基面引起的加速度、速度和动位移峰值均大于空载列车单向运行于下行线的工况。

关键词：双线重载铁路路基有限元分析动力响应

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新型预应力路基的静动载试验系统及应用分析

铁道科学与工程学报 2024年

作者：徐方吴其长董俊利冷伍明张期树杨奇中南大学土木工程学院中南林业科技大学土木工程学院中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室

为深入研究静力加载与列车循环动荷载作用下新型预应力路基的工作性状，研制缩尺预应力路基模型试验系统（包括相似设计、模型箱构建、路基模型填筑、轨道结构设计、预应力施加方法、静力加载系统和列车动荷载模拟），开展了不同预应力... 详细信息

为深入研究静力加载与列车循环动荷载作用下新型预应力路基的工作性状，研制缩尺预应力路基模型试验系统（包括相似设计、模型箱构建、路基模型填筑、轨道结构设计、预应力施加方法、静力加载系统和列车动荷载模拟），开展了不同预应力和列车轴重下的静动力模型试验，通过监测路基各测点处的竖向和侧向变形、加速度和动位移，量化分析施加水平预应力对路基性能的改善规律，深入分析预应力构件与路基结构的协同工作机理。研制的预应力路基静动载模型试验系统，为揭示水平预应力对路基静动力性能的强化机制提供了切实可行的物理和试验技术平台。研究结果表明，施加的预应力经扩散后可引起路基面产生隆起变形，当单排侧压力板施加100 kPa预压应力后，路基面最大隆起量为0.062 mm；荷载板试验中，相较于无预应力工况，预应力100 kPa下各测点处的沉降量下降了9.93%～15.77%。此外，预应力可限制荷载作用下路基坡面的外挤变形；列车动荷载试验下，各测点处的加速度和动位移均随预应力的增加而减小；预应力100 kPa下测点处的动位移幅值为无预应力工况下的82.97%～91.63%，说明施加预应力对路基的动力变形存在切实的抑制效应。研制的试验系统及获得的分析结果对明晰预应力加固对铁路路基服役性能的影响规律具有指导价值和意义。

关键词：预应力路基试验系统静动载变形加固性能

分级变围压条件下粉土路基填料回弹模量试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：陈有为冷伍明徐方张期树董俊利聂如松杨奇中南大学土木工程学院中南林业科技大学土木工程学院

新型预应力路基通过施加水平预应力，改善路基土的围压状态，可达到路基加固或路基病害整治的目的。为探究水平预应力对粉土路基填料回弹特性的影响，开展同一试样分级变围压的系列循环动三轴试验，研究该条件下粉土填料回弹模量的变化... 详细信息

新型预应力路基通过施加水平预应力，改善路基土的围压状态，可达到路基加固或路基病害整治的目的。为探究水平预应力对粉土路基填料回弹特性的影响，开展同一试样分级变围压的系列循环动三轴试验，研究该条件下粉土填料回弹模量的变化规律，并提出了相应的回弹模量经验预测模型。试验结果表明：分级增大围压不仅可提高粉土填料的回弹模量，还可改善试样的应力状态，使原本常围压下呈塑性破坏的试样最终转变为弹性稳定状态。每次分级增长围压均会引起试样回弹模量的瞬时骤增，而后其值随动荷载作用振次逐步趋于稳定。分级变围压的振次间隔会影响试样回弹模量的稳定值，且振次间隔越小，试样回弹模量的稳定值越高。就稳定型试样而言，低动应力水平下增大围压引起的试样回弹模量增幅大于高动应力水平的试验工况。分级增大围压对试样回弹模量的增益效应并不能补偿含水率增加带来的负面影响。基于试验结果，改进现有回弹模量预测模型，提出了综合考虑路基土动应力状态和应力历史的回弹模量预测模型，并对分级变围压加载下稳定试样的回弹模量进行预测，取得了良好的预测效果。研究结果可为进一步揭示水平预应力加固路基的效果和机制提供参考，同时对预应力路基的设计具有重要指导意义。

关键词：粉土路基填料回弹模量分阶段变围压动三轴试验影响因素

降雨对江底凹形纵坡隧道排水池区段的影响及排水报警方法

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：袁立刚冷伍明姜涌朱铁环安永林岳健中南大学土木工程学院中国建筑一局(集团)有限公司湖南科技大学土木工程学院

内陆地区的城市越江道路隧道如果采用凹形大纵坡，又未在两洞之间设置联络通道时，排走洞内积水依赖于设在凹形纵坡最低处衬砌环内的行车道板之下的排水池。为了探明降雨对江底隧道排水池区段结构的影响规律以及预防事故的发生，首先，... 详细信息

内陆地区的城市越江道路隧道如果采用凹形大纵坡，又未在两洞之间设置联络通道时，排走洞内积水依赖于设在凹形纵坡最低处衬砌环内的行车道板之下的排水池。为了探明降雨对江底隧道排水池区段结构的影响规律以及预防事故的发生，首先，针对所研究隧道进行了5年的现场调查研究，获得了降雨影响下的隧道上方江水位的变化特性。然后，基于现场调查研究成果建立了三维数值模型，通过数值模拟，研究了降雨对江底凹形纵坡隧道排水池区段的衬砌结构与内置排水池结构的受力性状的影响。最后，在现场调查与数值模拟的基础上，通过编制程序与模型试验研究了相应的排水报警方法。研究结果表明：降雨导致江水位上涨使排水池池壁沿纵向的轴力增大，主要是因为凹形纵坡最低处的排水池池壁受到了两边斜坡段结构的偏心夹持；如果降雨导致衬砌结构漏水，会牵连影响到内置的排水池结构，使排水池池壁局部的内力明显增大；如果降雨导致排水池充满水，虽然会使衬砌环的最大压应力有所减小，但会使排水池池壁顶部的弯矩明显增大；在排水池内安装水位自动传感器，当排水池内的水位达到低水位报警水位、高水位报警水位、关闭隧道报警水位时都能够自动报警，编制了相应的PLC（可编程逻辑控制器）程序以实现上述功能；并通过排水报警模型试验，验证了所编制的PLC程序是有效的。研究成果可为隧道的健康服役及其雨灾智能防控利用和参考。

关键词：降雨江底隧道凹形纵坡排水池区段力学影响排水报警方法

粗糙度对单桩竖向承载变形特性影响的试验研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1597-1607页

作者：冷伍明丁荣锋杨奇陈琛邓煜晨徐方阮波中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 湖南铁院土木工程检测有限公司湖南长沙410075

为探究桩侧粗糙度对单桩承载变形特性的影响规律,自主研发了多功能桩基静动力模型试验系统,构建了光滑、随机型及带肋规则型桩侧界面的模型单桩,通过3D形态扫描计算获得了桩侧表面粗糙度Rn,基于此开展了饱和砂土中单桩静载模型试验。试... 详细信息

为探究桩侧粗糙度对单桩承载变形特性的影响规律,自主研发了多功能桩基静动力模型试验系统,构建了光滑、随机型及带肋规则型桩侧界面的模型单桩,通过3D形态扫描计算获得了桩侧表面粗糙度Rn,基于此开展了饱和砂土中单桩静载模型试验。试验结果表明:(1)粗糙度越大,单桩极限承载力和桩的割线刚度越大,桩顶沉降及其卸载回弹量越小,带肋桩能够有效提高桩基承载力并控制桩顶变形。(2)粗糙度越大,桩侧阻力越大,桩端附近侧阻力的强化效应越明显,桩侧阻力的分布模式随桩顶荷载增大由“单驼峰”到“锥顶柱”再至“斜坡”依次演变。(3)β值(β法中参数)随桩侧粗糙度的增大而增加,随深度增加而衰减。带肋桩的极限侧阻力及β值远大于砂纸和光滑桩,揭示了埋深和粗糙度对β值影响规律的机制。(4)桩侧粗糙度会影响砂土地基中桩端荷载传递函数类型,光滑桩、砂纸桩桩端荷载传递函数呈双曲线型,带肋桩呈直线型。上述研究结果对深刻认识桩侧粗糙度对单桩承载变形特性影响规律和机制具有重要参考价值。

关键词：桩侧粗糙度模型试验饱和砂土桩侧阻力桩端阻力

新线、帮宽及既有高铁路基系统的沉降及稳定性研究

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铁道标准设计 2024年第6期68卷 58-64,71页

作者：吴竞一汪春亮徐方李旭阳彭扬发杨奇冷伍明中铁四局集团有限公司合肥230023 中南大学土木工程学院长沙410075

为指导路基拓宽建设形成新旧路基相互作用系统的设计、分析及评价,以杭台铁路浙江省温岭段新线路基、泡沫混凝土帮宽路基和既有路基系统为工程背景,采用现场监测和有限元仿真相结合的方法,研究该复杂系统的沉降、不均匀沉降和稳定特性... 详细信息

为指导路基拓宽建设形成新旧路基相互作用系统的设计、分析及评价,以杭台铁路浙江省温岭段新线路基、泡沫混凝土帮宽路基和既有路基系统为工程背景,采用现场监测和有限元仿真相结合的方法,研究该复杂系统的沉降、不均匀沉降和稳定特性。监测表明,新线路基填筑初期,其地基沉降受施工荷载的影响较大,呈现出一定的局部回弹和波动现象;随路基填土厚度增加,该回弹波动逐步减小,仿真沉降与实测沉降最终偏差小于5%。轻质泡沫混凝土帮宽施工期间,既有路基的最大沉降位置逐渐由其路基面中心位置过渡至既有路基与帮宽路基的交接处,且帮宽施工期间既有路基的沉降不足2 mm,其沉降量和沉降速率均远小于报警值。帮宽施工完成后,由于软土层的固结效应,既有路基会经历较长的固结沉降过程,其后续固结沉降占最终沉降的比例可达71.4%。泡沫混凝土帮宽会引起既有路基和帮宽路基产生微量倾斜(倾斜率不足0.05%),不影响既有路基线路和帮宽路基线路的平稳运行及正常排水性能。既有路基和泡沫混凝土帮宽路基的反压护道效应,促使整个路基系统的潜在危险滑动面出现在新线路基的远侧边坡位置。

关键词：高速铁路路基帮宽建设沉降不均匀沉降稳定性

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新型预应力路堤侧压力板设计间距研究

中南大学学报（自然科学版） 2023年第4期54卷 1379-1392页

作者：冷伍明董俊利艾希徐方张期树中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075 中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063

基于Boussinesq和Cerruti公式推导的水平附加应力计算公式,提出新型预应力路堤加固薄弱点O处的附加应力分析方法。通过大量工况计算获得多块侧压力板联合作用下预应力路堤薄弱区域内薄弱点O处水平附加应力的扩散规律,并以该点处附加应... 详细信息

基于Boussinesq和Cerruti公式推导的水平附加应力计算公式,提出新型预应力路堤加固薄弱点O处的附加应力分析方法。通过大量工况计算获得多块侧压力板联合作用下预应力路堤薄弱区域内薄弱点O处水平附加应力的扩散规律,并以该点处附加应力作为预应力加固的控制下限,探索侧压力板布置间距的设计方法。研究研究表明:1)单块侧压力板上、下板角不同外延面内的水平附加应力系数K均随水平深度系数hc的增加先增大后减小;2)加固薄弱点O处的附加应力系数KO可根据相邻4块侧压力板的附加应力扩散效应叠加求得,且在不同侧压力板间距下,KO均随hc的增加先增大后减小,即KO与hc的关系曲线均存在峰值点;3)定义侧压力板沿路堤坡向和纵向的净间距与板宽之比分别为净间距系数a和b,发现在不同路堤坡率及加固系数KP下,薄弱点O处的水平附加应力有效扩散深度系数hcp均分别随b和a的增大呈线性递减和线性递增关系,同时b和a呈指数型负相关关系;4)通过多元拟合分别建立了hcp与b(或a)以及b与a的函数关系式,可依据拟合关系设计侧压力板的布置间距。

关键词：预应力路堤侧压力板板间距水平附加应力设计方法

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新型预应力路基静力加固性能与机理研究

铁道科学与工程学报 2023年第7期20卷 2488-2499页

作者：张期树冷伍明徐方阮波董俊利中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 湖南铁院土木工程检测有限公司湖南长沙410075

预应力路基作为一种新型铁路路基结构形式和路堤快速加固技术,其实际加固性能与机理方面的研究还相对滞后。以重载路基为背景,通过填筑室内大比尺物理路基模型,对其开展条形荷载板试验,主要测试分析路基在3种不同加固状态下路基面沉降... 详细信息

预应力路基作为一种新型铁路路基结构形式和路堤快速加固技术,其实际加固性能与机理方面的研究还相对滞后。以重载路基为背景,通过填筑室内大比尺物理路基模型,对其开展条形荷载板试验,主要测试分析路基在3种不同加固状态下路基面沉降、边坡侧向变形的变化规律。此外,为进一步探究预应力差异化加固模式对路基承载变形特性的影响,建立与条形荷载板试验相匹配的三维有限元模型,开展多工况数值仿真对比计算,重点探究加固结构布设位置、排数以及不同预应力大小对路基体受荷变形规律的影响。研究结果表明:预应力路基在控制路基面沉降和坡面侧向变形方面较普通路基存在显著优势,预应力加固结构可有效提升路基的弹性工作区间,延缓路基进入塑性发展阶段,且其加固效果随分级荷载的增大得以逐步显现。在控制路基边坡侧向变形方面,增加加固排数是最有效的加固途径。在排数限定时,考虑在坡面侧向变形最大区域布置加固结构对约束边坡整体变形最有利,提高预应力也可进一步限制边坡侧向变形。因预应力钢筋具有较高的抗拉强度,可与路基体协同承载抗变形。研究结果论证了预应力路基的加固效果,并初步揭示了其作用机理。

关键词：预应力路基加固性能与机理荷载板试验数值仿真差异化加固