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红砂岩粗粒土破碎性质及累积变形模型研究

振动与冲击 2024年第2期43卷 97-104,333页

作者：龙尧张同文李建平张家生肖源杰湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院湖南衡阳421002 高铁及轨道交通智慧运维湖南省工程研究中心湖南衡阳421002 中南大学土木工程学院长沙410075

红砂岩粗粒土具有易破碎性,在动力荷载反复作用下会发生颗粒破碎,导致路基产生明显的工后沉降。针对红砂岩粗粒土颗粒破碎的特点,采用室内动三轴试验仪进行了不同工况下的动力荷载试验,研究了动弹性模量、动弹性应变与粒径大小之间的关... 详细信息

红砂岩粗粒土具有易破碎性,在动力荷载反复作用下会发生颗粒破碎,导致路基产生明显的工后沉降。针对红砂岩粗粒土颗粒破碎的特点,采用室内动三轴试验仪进行了不同工况下的动力荷载试验,研究了动弹性模量、动弹性应变与粒径大小之间的关系,以及颗粒破碎率与颗粒形状系数变化率的关系。根据试验材料的动力破碎特性,构建了考虑颗粒破碎的累积变形模型,并对模型进行了修正。研究结果表明:颗粒粒径越大,动弹性应变越大,动弹性模量越小;动弹性应变先快速增大后逐渐趋于稳定,动弹性模量随着加载次数的增加不断减小,土体出现应变软化现象。颗粒形状系数变化率变化趋势与颗粒破碎率变化趋势相似,随着加载次数的增加,形状系数值趋近于1。此外,所构建的累积变形模型包含了应力状态参数、物理状态参数和拟合参数,能够较好地描述颗粒破碎状态下的红砂岩粗粒土的累积变形趋势。根据试验数据的反算结果,对累积变形模型的拟合参数进行了确定,便于在实际工程应用中对路基变形进行计算。由于室内试验与工程实践现场工况有一定区别,提出了模型修正系数ψ,提高了模型的预测精度。该研究结果可为红砂岩粗粒土路基设计、施工及运营提供理论依据和工程应用基础。

关键词：红砂岩粗粒土铁路路基颗粒破碎累积变形模型

重载铁路基床级配碎石动弹性模量及颗粒破碎试验研究

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自然灾害学报 2024年第3期33卷 226-234页

作者：龙尧张同文肖源杰张家生湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院湖南衡阳421002 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

针对级配碎石的动力特性以及颗粒破碎性质,采用室内动三轴试验,研究其在循环荷载作用下循环应力比(cyclic stress ratio,CSR)、围压以及加载次数对累积动应变、动弹性模量、颗粒形状系数和颗粒破碎的影响。研究结果表明,不同CSR条件下,... 详细信息

针对级配碎石的动力特性以及颗粒破碎性质,采用室内动三轴试验,研究其在循环荷载作用下循环应力比(cyclic stress ratio,CSR)、围压以及加载次数对累积动应变、动弹性模量、颗粒形状系数和颗粒破碎的影响。研究结果表明,不同CSR条件下,加载次数达到10000次时,累积动应变基本完成。随着加载次数的增加,不同CSR下的动弹性模量逐渐减小,滞回圈面积逐渐增加后保持稳定。低围压下,CSR对动弹性模量影响不显著,动弹性模量增加幅度较少;高围压下,动弹性模量随着CSR的增加而增长较大。循环荷载作用下,颗粒破碎方式主要为研磨;颗粒粒径越大,试验后的颗粒形状系数球度越大,颗粒越靠近球形,其轮廓线越圆滑。当CSR小于0.3时,影响颗粒破碎的主要因素为动应力大小,而围压影响不显著;当CSR大于0.3时,颗粒破碎主要因素受动应力和围压共同影响。

关键词：级配碎石动弹性模量循环应力比颗粒破碎形状系数

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循环加载下碎石层细观孔隙结构演化分析

哈尔滨工业大学学报 2024年第6期56卷 116-123页

作者：贾羽丁瑜王晅张家生闫宏业张宇陈晓斌中南大学土木工程学院长沙410083 江苏海洋大学土木与港海工程学院江苏连云港222005 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心长沙410083 中国铁道科学研究院集团有限公司北京100081

列车荷载作用下路基翻浆冒泥的实质是路基土体细颗粒迁移,细颗粒迁移会改变路基上覆碎石层孔隙结构,影响上覆碎石层力学及水力学性质。为此,采用自主研发的路基翻浆冒泥试验模型进行试验,结合X射线计算机断层(computed tomography, CT)... 详细信息

列车荷载作用下路基翻浆冒泥的实质是路基土体细颗粒迁移,细颗粒迁移会改变路基上覆碎石层孔隙结构,影响上覆碎石层力学及水力学性质。为此,采用自主研发的路基翻浆冒泥试验模型进行试验,结合X射线计算机断层(computed tomography, CT)扫描技术,分析循环荷载作用下路基土体细颗粒迁移对上覆碎石层细观孔隙结构的影响。结果表明:循环荷载作用下,碎石层孔隙的压缩作用及路基土体细颗粒迁移至碎石层的堵塞作用,不仅改变碎石层面孔隙率的分布特性,还减小碎石层孔隙率及孔隙连通度;孔隙尺寸分布特性不受加载影响,加载前后,碎石孔隙均呈现小孔隙多、大孔隙少的特点,孔隙分布特征曲线满足对数正态分布,但随着循环荷载的施加,碎石层内孔隙总数量减小;孔隙的形状参数(细长比和扁平度)均呈正态分布,细长比随循环荷载作用次数无明显变化规律,而加载后碎石层孔隙扁平度的分布更加均匀;碎石层孔隙具有明显的分形特性,加载前孔隙三维分形维数为2.40~2.50,随着循环荷载的施加,孔隙三维分形维数逐渐减小。

关键词： CT扫描技术循环荷载细颗粒迁移细观孔隙结构

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红砂岩粗粒土动力试验及颗粒破碎模型研究

振动与冲击 2023年第4期42卷 270-279页

作者：龙尧张同文张家生肖源杰湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院湖南衡阳421002 中南大学土木工程学院长沙410075

铁路路基建设需要经过泛红砂岩地区,红砂岩路基的稳定性对列车安全起到至关重要的作用。为研究列车荷载对红砂岩粗粒土动力特性以及颗粒破碎的影响,采用室内大型动静三轴试验系统,开展动力荷载下的红砂岩试样动力响应测试,分析了粒径大... 详细信息

铁路路基建设需要经过泛红砂岩地区,红砂岩路基的稳定性对列车安全起到至关重要的作用。为研究列车荷载对红砂岩粗粒土动力特性以及颗粒破碎的影响,采用室内大型动静三轴试验系统,开展动力荷载下的红砂岩试样动力响应测试,分析了粒径大小、加载次数对轴向应变、动力软化以及颗粒破碎的影响。根据动力破碎三轴试验结果,构建了动力作用下的颗粒破碎模型,并对模型进行了验证。研究结果表明:在加载次数一定的条件下,颗粒粒径越大对应的轴向应变越大;颗粒粒径越小,越早完成颗粒破碎及土体结构调整。粗粒土软化曲线呈半对数关系,颗粒粒径越大,软化系数越小。动力荷载下,大粒径颗粒主要演化为下一级粒径颗粒和细小粒径颗粒,破碎形式为研磨,存在一个极限破碎级配。根据动力破碎试验建立了动力破碎的概率密度函数f,构建了动力条件下的颗粒破碎模型。该模型能够较好的模拟动力作用下的颗粒破碎过程。Marsal颗粒破碎率Br与颗粒破碎模型中的死亡率Ps-t呈线性关系。研究结果能为铁路路基工程相关设计提供一定的理论参考价值。

关键词：红砂岩粗粒土铁路工程动力试验颗粒破碎模型

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颗粒形状对砂土力学特性的影响研究

铁道科学与工程学报 2022年第11期19卷 3256-3265页

作者：张宇王晅张家生丁瑜闫鹏李度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研究中心湖南长沙410075 山东省公路工程技术研究中心有限公司山东济南250220

为了探讨砂土不同颗粒的形状特征对砂土力学特性的影响规律,建立考虑砂土颗粒形状影响的砂土强度计算公式模型。依据已有研究,选取3个描述砂土颗粒形状特征的参数(球度S,长宽比AR和凸度C),运用Image-pro plus软件对砂土和玻璃珠的形状... 详细信息

为了探讨砂土不同颗粒的形状特征对砂土力学特性的影响规律,建立考虑砂土颗粒形状影响的砂土强度计算公式模型。依据已有研究,选取3个描述砂土颗粒形状特征的参数(球度S,长宽比AR和凸度C),运用Image-pro plus软件对砂土和玻璃珠的形状轮廓进行二值化处理,得到标准砂和玻璃珠的颗粒形状量化结果,之后,通过引入整体颗粒形状参数O对从不同角度描述颗粒形状特征的3个参数进行整合表示,并配置5种具有不同整体颗粒形状参数的砂土试样进行不同围压条件下的常规三轴压缩试验。试验结果表明:颗粒形状特征的差异对砂土力学特性会产生较大的影响,具体表现在随着砂土整体颗粒形状参数O的增大,其内摩擦角不断减少;此外,随着整体颗粒形状参数O的减少,砂土的剪切软化程度逐渐降低,达到峰值强度后下降速率变慢;同时,基于砂土试样三轴压缩试验结果,并结合现有关于砂土峰值内摩擦角理论计算模型的研究成果,通过引入整体颗粒形状参数O,建立考虑整体颗粒形状参数O影响的砂土峰值内摩擦角计算公式。最后,配置2种不同整体颗粒形状参数的试验砂土,并在与之前砂土试样同样的试验条件下进行常规三轴压缩试验,并运用本文所建模型对试验结果进行预测,结果表明本文所建模型具有良好的适用性。

关键词：颗粒形状参数砂土力学特性内摩擦角

铁路路基降雨入渗过程中水-气两相渗流特性研究

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铁道科学与工程学报 2022年第11期19卷 3225-3234页

作者：贾羽王晅丁瑜张家生陈晓斌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研究中心湖南长沙410075

降雨入渗过程中铁路路基填料内水、气两相渗流特性对路基填料的服役性能具有显著影响。在以往的研究中,通常假定孔隙气压力恒等于大气压力,而忽略了孔隙气压力变化对水流运动的影响。本文基于水-气两相渗流理论,考虑孔隙气压力的影响,... 详细信息

降雨入渗过程中铁路路基填料内水、气两相渗流特性对路基填料的服役性能具有显著影响。在以往的研究中,通常假定孔隙气压力恒等于大气压力,而忽略了孔隙气压力变化对水流运动的影响。本文基于水-气两相渗流理论,考虑孔隙气压力的影响,建立路基降雨入渗过程中的水-气两相渗流数学模型。参照高速铁路典型路基横断面结构,针对路基各层填料水力特性,利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics~?中的PDE模块对上述数学模型进行求解计算,结果表明:降雨入渗的主要影响区域是基床表层,特大暴雨持续9 h左右,基床表层基本全部处于饱和状态;而基床底层、路基本体、地基层填料由于渗透性较小,降雨过程中水分很难直接迅速地渗入,通常在基床表层与基床底层交界面处产生水分淤积。此时,若列车荷载反复作用,基床表层与基床底层交界面处填料中细颗粒易软化形成泥浆,产生翻浆冒泥病害。降雨入渗初期,由于渗入路基内部的水对原孔隙内气体的挤压作用,使得孔隙气压力逐渐增大,随着降雨时间的增加,受挤压的气体逐渐向下消散,孔隙气压力逐渐减小至接近大气压力值。孔隙气压力的增加会对路基内水流的运动产生阻滞作用,使得路基内孔隙水压力的增长变缓甚至孔隙水压力略有减小,因此,在求解路基降雨入渗的问题时,不能忽略土体内受压空气对水流运动的阻滞作用。

关键词：铁路路基降雨入渗水-气两相渗流数值计算

颗粒级配及初始干密度对路基翻浆冒泥特性的影响

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岩土力学 2022年第9期43卷 2539-2549页

作者：丁瑜贾羽王晅张家生陈晓斌罗昊张宇中南大学土木工程学院湖南长沙410083 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410083

重载铁路路基翻浆冒泥病害广泛存在且危害性极大,严重影响了轨道的稳定性和列车运行的安全性。铁路路基土体性质,如颗粒级配、孔隙比等对列车荷载作用下路基翻浆冒泥特性有显著的影响。利用自主研发的试验模型对粉质黏土与不同含量高岭... 详细信息

重载铁路路基翻浆冒泥病害广泛存在且危害性极大,严重影响了轨道的稳定性和列车运行的安全性。铁路路基土体性质,如颗粒级配、孔隙比等对列车荷载作用下路基翻浆冒泥特性有显著的影响。利用自主研发的试验模型对粉质黏土与不同含量高岭土重塑试样进行翻浆冒泥试验,研究了不同颗粒级配(高岭土含量)、不同初始干密度(孔隙比)对循环荷载作用下试样的轴向应变、超孔隙水压力以及细颗粒迁移特性的影响。研究结果表明:随着高岭土含量以及初始干密度的增加,动荷载作用下试样产生的轴向应变、超孔隙水压力均减小,细颗粒迁移的平均高度降低,路基翻浆冒泥的程度减轻。通过试验发现,动荷载作用下试样内部的超孔隙水压力梯度是驱动路基土体细颗粒迁移的主导因素,试样产生的夹层对路基翻浆冒泥病害的发展具有一定的促进作用。

关键词：翻浆冒泥颗粒级配初始干密度轴向应变超孔隙水压力细颗粒迁移

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玄武岩纤维加筋粉质黏土力学特性的试验研究

Journal of Central South University 2022年第6期29卷 1945-1956页

作者：贾羽张家生王晅丁瑜陈晓斌柳涛 Geotechnical Engineering School of Civil EngineeringCentral South UniversityChangsha 410083China National Engineering Research Center of High-Speed Railway Construction Technology Central South UniversityChangsha 410083China China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd.Wuhan 430060China

纤维加筋技术可以显著改善土体的力学性能,在岩土工程领域得到广泛的应用。玄武岩纤维作为一种新型环保的加筋材料,其与土体的力学性能得到越来越多的关注。本文通过三轴压缩试验以及动三轴试验研究了纤维含量、含水率以及围压等因素对... 详细信息

纤维加筋技术可以显著改善土体的力学性能,在岩土工程领域得到广泛的应用。玄武岩纤维作为一种新型环保的加筋材料,其与土体的力学性能得到越来越多的关注。本文通过三轴压缩试验以及动三轴试验研究了纤维含量、含水率以及围压等因素对玄武岩纤维加筋粉质黏土剪切特性、动弹性模量以及阻尼比的影响。试验结果表明:玄武岩纤维可以通过提高黏聚力来提高粉质黏土的剪切强度,当纤维含量为0.2%、含水率为18.5%(最优含水率)时,纤维加筋粉质黏土的剪切强度最大。随着纤维含量以及含水率的增加,相同动应变对应的动弹性模量呈现先增大后减小的变化趋势,当土体的纤维含量为0.2%、含水率为18.5%时,其动弹性模量最大;动弹性模量与围压呈现正相关关系。土体阻尼比随着纤维含量以及含水率的增加先减小后增大,随着围压的增加而减小。综合分析表明,本文所采用的玄武岩纤维最优含量在0.2%左右。纤维加筋粉质黏土的扫描电镜(SEM)结果表明:单根纤维与土体间的握裹作用以及纤维网间的约束作用是加筋土强度增强的主要机理。

关键词：玄武岩纤维加筋粉质黏土剪切行为动弹性模量阻尼比最优纤维含量

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红层泥质胶结物干缩裂缝深度与间距预测模型

岩土力学 2022年第4期43卷 868-878页

作者：陈晓斌喻昭晟周雨晴张家生钱于中南大学土木工程学院湖南长沙410083 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 南卡罗来纳大学土木与环境工程系美国哥伦比亚29208

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理... 详细信息

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理论研究具有重要意义。基于线弹性断裂力学及非饱和土力学,建立了考虑含水率变化的红层泥质胶结物裂缝深度及间距计算公式,并对公式参数敏感性进行了分析。应用CT试验数据对PFC2D数值模型进行了校准,并基于干缩开裂数值试验结果,对裂缝深度及间距计算公式进行了对比验证。结果表明:提出的计算公式能较好地预测红层泥质胶结物的开裂深度及间距,裂缝深度随含水率减小呈先快速增加再缓慢增长的特点。研究成果有助于加深对红层泥岩崩解的量化理论分析,并为预测工程中红层泥岩的开裂程度提供参考。

关键词：红层泥质胶结物干缩开裂断裂力学裂缝深度裂缝间距