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循环荷载下重载铁路道砟磨耗破碎及力学特性试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年第1期21卷 125-137页

作者：肖源杰张冲冲王萌华文俊中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学) 湖南长沙410075

为深入研究重载列车循环动载作用下散粒体道砟的颗粒磨耗破碎和力学行为劣化等特征,开展3种不同动应力幅值下的室内大型动三轴试验。通过对染色道砟颗粒进行激光扫描和三维重构,量化分析不同循环加载应力状态下不同粒径道砟颗粒的磨耗... 详细信息

为深入研究重载列车循环动载作用下散粒体道砟的颗粒磨耗破碎和力学行为劣化等特征,开展3种不同动应力幅值下的室内大型动三轴试验。通过对染色道砟颗粒进行激光扫描和三维重构,量化分析不同循环加载应力状态下不同粒径道砟颗粒的磨耗破碎特征,深入分析循环加载下试样的宏观力学特性和力学行为劣化等。研究结果表明,循环加载后道砟颗粒普遍从原始粒径破碎至相邻粒径,偶尔出现破碎至相隔粒径的现象,另有质量占比1%左右的少量道砟颗粒破碎至最小粒径4.75~22.4 mm;在相同的循环加载动应力幅值下,随粒径的增大,道砟颗粒破碎至相邻粒径的质量占比总体呈增大趋势;循环加载过程中颗粒磨耗存在尖角磨损、棱边磨耗与表面纹理改变等3种典型类型,动应力幅值230 kPa下颗粒最大磨耗深度为0.36~5.2 mm,平均磨耗深度为0.03~0.62 mm,颗粒磨耗程度随粒径的增大而逐渐加剧,尖角磨损出现的数量更多且概率更大,其次为棱边磨耗;循环加载三轴试验前后各粒组颗粒含量变化幅度与级配曲线偏移距离随动应力幅值的增大而增大,Bg、Br与BBI 3种颗粒破碎指标均随动应力幅值的增大而增大,Br与BBI两者对动应力幅值的变化反应程度一致,并且更为灵敏;试样轴向累积塑性应变、阻尼比与回弹模量均随动应力幅值的增大而增大。研究结果可为重载铁路散粒体有砟道床长期服役性能劣化评估及其养护维修提供理论依据和技术参考。

关键词：道砟循环加载三轴试验三维激光扫描颗粒破碎磨耗深度

高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1433-1446页

作者：李梓焜张学民武朝光陈治亚乔世范王树英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 中南大学交通运输学院湖南长沙410075

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试... 详细信息

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成“类爆炸坑”,产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4.5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63.31 MPa降低至42.36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4.5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95.03%,比能增加15.3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

关键词：隧道工程激光破岩成孔特性热裂特性成孔能效

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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

基于压电效应的高速铁路路基压电俘能方法研究

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铁道科学与工程学报 2024年第8期21卷 3001-3014页

作者：陈晓斌金伟涛谢康吕金熊家坤吕鑫龙中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题,将压电技术应用于铁路工程中,而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰,缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求,导致路基内的振动能以热量的... 详细信息

为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题,将压电技术应用于铁路工程中,而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰,缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求,导致路基内的振动能以热量的形式消散。针对这一问题,首先,基于压电效应理论,结合高速铁路路基动力响应特点设计出压电俘能装置HRS-PEH(High-speed Railway Piezoelectric Energy Harvester),建立高速铁路路基压电俘能新方法;其次,通过室内列车荷载模拟试验,探究动载振幅、频率和外接电阻等关键参数对HRS-PEH发电量的影响;最后开展现场行车试验,进一步验证HRS-PEH装置的适用性。研究结果表明:1) HRS-PEH的开路电压随动载振幅的增大而增大,且与频率无明显关系,而负载电压随动载频率和振幅的增加,均呈现线性增大的趋势。故可在工程应用中将HRS-PEH布置在基床表层顶面、钢轨正下方,即可获得最大发电量。2) HRS-PEH的输出功率整体上随外接电阻的增加,呈现出先增大后减小趋势,故存在最优外接电阻使得HRS-PEH发电量最大。3)行车试验发现,若将HRS-PEH布置于高铁路基基床表层,当CRH5型高速列车仅以55 km/h低速运行时,HRS-PEH就可收获0.71 J电能,可以满足路基健康监控设备的正常工作需求。研究成果可高效利用列车振动能量转换为无污染电能,推动铁路“双碳”战略目标的实现。

关键词：高铁路基压电理论室内试验行车测试 “双碳”目标

基于离散元-有限差分耦合的摩擦型轨枕底部凹槽形状对有砟道床横向阻力的影响机理

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中南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：沈泽涵肖源杰谭攀姜钰王萌华文俊张冲冲中南大学土木工程学院重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学)

摩擦型轨枕可有效增强有砟道床横向阻力，但目前没有相关设计规范，摩擦型轨枕底部凹槽对横向阻力的增加机制尚不清晰。为深入分析不同凹槽形状对道床横向阻力的影响并揭示横向阻力的增强机理，基于横向阻力现场测试和离散元-有限差分... 详细信息

摩擦型轨枕可有效增强有砟道床横向阻力，但目前没有相关设计规范，摩擦型轨枕底部凹槽对横向阻力的增加机制尚不清晰。为深入分析不同凹槽形状对道床横向阻力的影响并揭示横向阻力的增强机理，基于横向阻力现场测试和离散元-有限差分耦合方法建立三维轨枕-有砟道床-路基数值模型，从宏、细观层面研究5种不同轨枕底部凹槽形状对横向阻力的影响。研究结果表明：与普通型轨枕相比，不同摩擦型轨枕的横向阻力增幅存在较大差异，范围为35.1%～80.2%不等，且横向阻力随凹槽侧面积的增加而呈对数增加；由于底部凹槽对道砟颗粒的约束作用，轨枕底部与道砟颗粒的接触数增加，凹槽附近的接触力增大，接触力链分布更密集；摩擦型轨枕周围颗粒的位移和旋转受到更强的约束；摩擦型轨枕各向异性在轨枕出现位移后向水平面转变，这是增强横向阻力的主要细观因素。建议在有砟轨道的设计中，采用具有不连续槽的摩擦轨枕，并考虑以最大化凹槽侧面积为目标进行设计。

关键词：有砟道床横向阻力摩擦型轨枕轨枕形状离散元-有限差分耦合

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多点接触对单颗粒破碎影响的离散元研究

中南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：谭攀肖源杰王萌华文俊王小明彭友全中南大学土木工程学院重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学)

道砟颗粒破碎是铁路工程稳定性研究中的重要问题之一，现有关于颗粒破碎的研究大都基于2个接触点的单颗粒破碎实验，实际上颗粒同时受多个接触点作用，颗粒的破碎特性在很大程度上取决于其接触点（配位数）的数量，而目前对多接触条件... 详细信息

道砟颗粒破碎是铁路工程稳定性研究中的重要问题之一，现有关于颗粒破碎的研究大都基于2个接触点的单颗粒破碎实验，实际上颗粒同时受多个接触点作用，颗粒的破碎特性在很大程度上取决于其接触点（配位数）的数量，而目前对多接触条件下颗粒破碎的准则和模式尚不完全了解。为此，开展道砟单颗粒压缩试验获取单颗粒破碎强度和能量，采用离散元法建立黏结多面体单颗粒数值模型，通过单颗粒破碎试验结果对数值模型细观参数进行标定。在颗粒表面安装刚性屏蔽墙来研究相邻晶粒的力学约束效应，基于标定的数值模型研究不同粒径颗粒下配位数对破碎强度、接触力链、破碎模式和破碎准则的影响。研究结果表明：颗粒破碎强度随配位数增加而增加，粒径越小，增幅越大；当配位数较低时，颗粒倾向于破碎成几块，随着配位数增加，颗粒倾向于粉碎性破坏，子颗粒体积分布由正态分布向Gamma分布转变，接触力链向逐渐向屏蔽墙延伸；当配位数大于10时，基于应力张量的颗粒破碎准则（最大主应力准则σ1、八面体剪应力准则q、平均应力准则p）和局部接触力的颗粒破碎准则(最大接触力准则Fmax)不再适用。所得结论对工程实践和进一步采用离散元法研究可破碎颗粒材料具有一定的参考价值。

关键词：离散元法颗粒破碎配位数道砟破碎准则

考虑水土参数变异性的盾构隧道开挖面支护力设计方法

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：胡子威雷明锋张运波肖凤龙杨鹏亮贾朝军重载铁路工程结构教育部重点实验室中南大学土木工程学院

随着隧道工程技术的发展，稳健性设计已成为确保工程安全与效率的关键。为解决传统的确定性计算无法充分考虑地层和水力参数空间变异性对盾构隧道开挖面稳定性的影响的问题。采用随机场理论，考虑了地层参数的空间变异性及其自相关性的... 详细信息

随着隧道工程技术的发展，稳健性设计已成为确保工程安全与效率的关键。为解决传统的确定性计算无法充分考虑地层和水力参数空间变异性对盾构隧道开挖面稳定性的影响的问题。采用随机场理论，考虑了地层参数的空间变异性及其自相关性的影响。基于极限上限分析定理，采用三维空间离散技术，构建了不确定性条件下盾构隧道开挖面三维螺旋破坏机构模型。在此基础上，通过结合三维离散破坏机构的速度场和功率平衡方程，建立了不确定性条件下盾构隧道开挖面支护力的计算方法，并与相关研究进行了对比验证。之后，开展了地层和水力参数不确定性对隧道开挖面失效概率的影响分析。在此基础上，提出了适用于工程的盾构隧道开挖面支护力稳健性设计方法，并基于Matlab平台开发了快速实现计算的程序。最后结合具体盾构施工案例，应用所提出设计方法进行了分析设计，并与工程实践进行了对比。研究结果表明：经验证，不确定性条件下盾构隧道开挖面支护力计算方法在确定性与不确定分析中均可靠；孔隙水压力系数变异性的影响较摩擦角和黏聚力的变异系数更大；变异系数和自相关距离的增大使随机计算的支护力分布更离散。提出的盾构隧道开挖面支护力稳健性设计方法和工程实测结果吻合较好，可为相关工程施工与设计提供指导。

关键词：随机场理论开挖面稳定性三维上限分析稳健性设计

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道砟嵌入路基土三轴试验及离散元模拟研究

岩土力学 2024年第6期45卷 1720-1730页

作者：张杰聂如松黄茂桐谭永长李亚峰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 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特... 详细信息

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特征。研究结果表明:在动荷载作用下,道砟与路基土之间仅通过接触面上有限数量的离散接触传递应力,随动应力幅值增加,道砟嵌入深度也不断增加,嵌入深度与动应力呈指数函数变化。道砟嵌入路基土变形过程分为局部挤压阶段、剪切带形成阶段及剪切带发展阶段,道砟嵌入会使得道砟−路基土接触界面的土样孔隙率显著增加,同时也会使得接触界面发生显著的侧向变形。孔隙率较高的饱和试样在较低的动应力作用下会发生翻浆冒泥现象,道砟嵌入导致的路基面孔隙率升高是既有路线发生翻浆冒泥的重要原因,防治翻浆冒泥需重点防止道砟嵌入导致的土样局部孔隙率升高。该研究成果可加深对道砟嵌入现象以及由此引发的路基表层变形行为的认识。

关键词：有砟轨道道砟嵌入变形特征动三轴试验离散元模拟

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

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应用基础与工程科学学报 2024年第1期32卷 208-222页

作者：张杰聂如松李列列李亚峰杜炜黄茂桐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 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏... 详细信息

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明:非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.

关键词：非饱和土粒间吸引力三轴试验剪切带柔性边界离散元分析