试验研究刚度软化地铁列车循环荷载下的土石混合回填

文摘

由于厚土层,回填时间短,和低固结度的土石混合回填在重庆城市,地铁隧道通过这种类型的地层中定居点较大容易操作,这将大大影响稳定的隧道和地铁的安全操作。为了应对这个问题,选取混合回填土的动三轴试验循环载荷作用下的动态特性进行了研究土石混合循环荷载下回填。初始固结度的影响,有效固结围压、内容和岩石的刚度软化土石混合回填土进行了分析。结果表明,初始固结度,有效固结围压、内容和岩石都是重要影响因素选取混合回填循环载荷作用下的刚度。随着周期的数量增加,较低的初始固结度和有效固结围压,软化指数衰减越快,幅度越大。随着岩石含量的增加,软化指数增加和回填的刚度软化和硬化改变。softening-hardening模型基于测试数据,建立了冲压的混合物,这是在良好的协议与现场试验结果。本研究可以为预测和控制提供一个参考的postconstruction解决地铁隧道在土石混合回填。

1。介绍

土石混合回填是一个非均匀松散土壤媒体系统与一个特定的岩石内容,由高强度岩石,毛孔细土,与一个特定的工程规模。山地城市建设初期,山是发掘和山谷都是形成大面积的土石混合回填区。的扩张和加速城市化、地铁列车将不可避免地通过选取混合回填。土石混合结构松散的典型特征,孔隙度大,弱胶结能力,稳定性差,强烈的渗透性。地铁隧道的建设和运营会受到各种安全隐患,包括大变形、不均匀沉降、崩溃,和水渗流岩溶洞穴。根据有效应力原理,土石混合的超孔隙压力的循环荷载下地铁列车将增加和有效应力降低。降低强度和稳定性的土石混合将导致大变形围岩的地铁隧道回填区域(1- - - - - -3]。

先前的研究主要集中在循环荷载下的土壤刚度软化特性。大多数的研究对象是沙质土壤,淤泥和粘土4- - - - - -8]。然而,很少有研究的刚度软化特征选取混合物。围压的影响,循环荷载振幅,排水条件下,饱和,和初始密实度累积应变,弹性的特点,分析了粗粒度的土壤和粒子破碎(9- - - - - -12]。楚et al。13)进行了数次的一系列不排水循环三轴试验,涉及不同的循环应力比、孔隙比、加载频率、和细粒子浓度。风扇等。14]利用离散单元法研究土石混合料的强度退化和失效机理在不同频率、动态应力振幅、持续时间。周et al。15)进行了不同围压下的三轴试验选取混合物在冻融循环。结果表明,岩石内容和固结度是关键影响因素选取混合物的弹性模量。

取得了一些成就的静态和动态特性的研究选取混合物(16- - - - - -20.]。然而,很少有研究土石混合的刚度变化规律的循环荷载下实际的地铁列车。Lekarp et al。21)得出的结论是,砾石材料的回弹模量随频率增大而减小地铁列车荷载下饱和不排水条件。太阳et al。22,23)选择地铁列车荷载5赫兹的频率为60 Hz和循环应力比为6到9 3 - 19所示。循环三轴试验的结果表明,加载频率影响路基填料的累积变形。大多数以前的研究只考虑的影响因素,如有效固结围压、固结比的OCR,循环动态应力比和振动频率的交变载荷。固结度的影响没有考虑选取混合物。此外,失败的测试进行了下一个更高的循环动态应力比是不符合实际的地铁列车荷载。因此,基于之前的研究,作者调查了刚度变化的实际地铁循环加载条件下土石混合。这些测试包括三个变量:初始固结度、有效围压,和岩石的内容。最后,土石混合的刚度软化模型建立了基于循环三轴试验数据和现场试验数据。研究结果可以提供一个参考的计算和控制工作后的结算SRM的地铁列车在回填区。

2。刚度软化试验

2.1。土石混合的物理特性,使标本

样本取自Shangwanlu黄山公园在铁路10在重庆渝北统景风景区乳峰山下的城市。根据岩土调查报告的部分Shangwanlu黄山公园在重庆轨道交通10号线,西)混合物的组成是粉质粘土和砂岩。基本物理参数如表所示1。

现场的回填土石混合包含重型和大型ultradiameter粒子(1米或更多)。传统的筛分设备不能进行测试。原样品已筛按比例缩小后的等效替代的方法。样本粒子的自然级配曲线如图1。的最大样本量dds - 70电磁振动三轴试验系统Φ50毫米×100毫米。样品的最大允许粒度直径50毫米是5毫米的中国标准(GB / T 50123 - 2019)。因此,本文选择2毫米的颗粒大小的选取阈值选取混合并认为完整的细土的级配。岩石的等级是2∼5毫米。三组的级配曲线选取不同岩石样品混合内容如图2。

进行了实验工作严格按照有关规定在中国标准(GB / T 50123 - 2019)。测试分为4步:样品制备、饱和度、整合和加载。

样品干燥后,权衡每个粒子群的细土和岩石根据级配曲线;添加水的自然含水量9.22%,搅拌均匀,让它站,和密封24小时;然后在5层夯实准备Φ50毫米×100毫米圆柱形样本压实度为0.97。样品与加强背压饱和。每一步是增加了30个kPa。后完成饱和饱和系数B值测量连续三步负荷达到0.95。示例如图3。

2.2。测试计划

图3显示了实验设备。系统由四部分组成:主机、电气控制系统、静态控制柜系统和微机系统。主机主要包括振动激励器和一个三轴室。

测试进行不排水条件下的均衡整合。整合完成的标志是,整合位移的变化在1 h不超过0.1厘米³。有效固结围压是作为100 kPa, 200 kPa,和400 kPa,分别。考虑固结度的影响,测试是由应用周围压力阶段。前的标本达到不同程度的整合应用循环荷载。整合的程度,分别是0.8,0.9和0.98。

Takemiya坚称(24Ledsgard]地铁列车运行监控网站,将测试结果与数值模拟相结合。发现地铁列车所产生的振动响应频率较低的速度(70公里/小时)的范围从0.5到1赫兹和2到2.5赫兹,主要在0.5和1赫兹之间。张希et al。25)进行连续动态监测现场上海地铁2号线。监测结果表明,土壤有两个响应频率2.4∼2.6赫兹和0.4∼0.6赫兹在地铁列车荷载下,对应于地铁列车30∼40公里/小时的速度。重庆轨道交通10号线使用类型的车辆。的净轴荷类型列车是150 kN。地铁列车的长度是19.3米。最大操作速度是100公里/小时。实际操作速度是60∼70 km / h。本文引用的方法Indraratna et al。26)来计算地铁列车的循环荷载频率。

动态应力幅值计算根据中国标准(10001 - 2016年结核病)火车动载荷公式如下: 在哪里的振幅是铁路路基的设计动态应力(kPa),P是地铁列车的静态轴荷(kN),是地铁列车的运行速度(公里/小时),然后呢速度影响系数。地铁列车需要0.003元。 的影响系数。

冲压混合物压缩循环荷载下的地铁列车,产生垂直位移,但不是垂直扩张。总之,循环荷载参数用于动态三轴试验严格确定的实际操作条件重庆轨道交通。循环荷载的频率是1赫兹以相应的车辆速度65公里/小时。动态应力幅值46 kPa。正弦波载荷有偏见的循环动态应力比为0.12。周期的数量N是15000。有偏见的正弦波的加载模式如图4。轴向应变曲线之间的关系和数量的周期作用下的有偏见的正弦波图所示5。

本文利用许的方法等。27]。循环荷载应用于十阶段。每个级别的负载的周期数是10倍。加载循环应力比从0.01到0.1。每一层不同的循环应力比为0.01。没有时间间隔不同的动态压力水平。动载荷下的刚度软化的测试方案如表所示2。

样本组一个1 -一个9是为了调查初始固结度的影响和有效固结围压的刚度变化选取混合物。样本组一个10 -一个11是为了研究岩石的影响内容的变化刚度的选取混合物。

3所示。实验结果和讨论

3.1。刚度软化指数

摘要stress-controlled动三轴试验。根据文的软化指数的定义等。28),考虑初始固结应力的影响,软化指数被定义如下:

在公式(3),和割线模量的吗Nth和1日周期磁滞曲线(kPa),和偏应力的最大值和最小值在每个周期(kPa),和 ; 和最大轴向应变和最小轴向应变在1日和Nth周期,分别。

图6显示了SRM的循环滞回曲线示例1,五十,100,200^th,300周期应变软化的过程。从图可以看出6磁滞曲线的中心不断向右移动周期数量的增加。这表明土石混合回填土的塑性应变逐渐积累在循环荷载下。左边的磁滞曲线是稀疏的,密集的在右边,表明试件的应变增长迅速循环荷载加载的开头,然后趋于稳定。

3.2。最初的整合程度上刚度软化的影响

曲线的软化指数与周期的数量不同初始固结度如图7。从图可以看出,软化指数衰减更快的加载和初趋于稳定的周期数增加。整合程度越低,越快,软化指数衰减,衰减幅度越大。图8软化指数反映了固结度的影响土石混合的不同数量的周期。图8表明,土石混合的整合已经加强对刚度的影响。整合程度的增加会增加样品的初始刚度和稳定的刚度,降低赔付率和相对软化速度。

3.3。有效固结围压刚度软化的影响

图9反映了有效固结压力的影响下土石混合的软化指数不同数量的周期。图9表明有效固结围压越低,衰减越快的软化指数和衰减幅度越大。软化指数增加,有效整合围压增加(图10)。上述法律是一致的粗粒度的动态力量填补在不同围压为铁路。换句话说,增加围压有助于增加土石混合的动态稳定性。

3.4。岩石上的内容刚度软化的影响

岩石内容是影响力学性能的主要因素的选取混合物。岩石的影响内容的刚度soil-stone混合物如图11。图11显示了以下。①在岩石含量低的情况下,岩石含量越低,衰减越快的软化指数和振幅就越大。②岩石含量的增加,硬化软化的刚度变化类型的类型。软化指数随周期的数量的增加,最后趋于稳定。这是因为当岩石含量较高,循环荷载下的块粒子开始接触形成的回填土骨架和加强刚度发生。③之间存在一个拐点20%∼40%的内容和软化的岩石类型为硬化型。

图12显示了影响岩石的软化指数上的内容选取混合物在不同数量的周期。从图可以看出12在不同数量的周期,岩石含量越高,软化指数越大。的稳定值的软化指数土石混合样品在不同因素如表所示3。

3.5。刚度Hardening-Softening模型的建立

石含量的增加,硬度soil-stone混合物将从软化硬类型。因此,有必要单独模型这两种不同的刚度。在现有的研究中,循环载荷作用下的刚度模型主要从仿真分析获得的测试结果。本文还建立了一个模型之间的软化指数和周期的数量通过拟合分析的测试结果。 在哪里一个,B,C实验拟合参数。参数的物理意义一个是软化指数的稳定值。

土石混合的刚度变化规律与地铁列车荷载作用下岩石含量较高,类似于刚度硬化型。在循环荷载加载的初始阶段,选取混合物上升很快的刚度有一定的线性关系。循环数的增加,土石混合的刚度往往是稳定的。因此,本文建议只使用节段函数模型下的土石混合刚度高地铁列车荷载作用下岩石的内容。 在哪里之间的拦截软化指数周期曲线的拟合线的线性刚度硬化阶段和纵轴,是初始软化指数价值,D是曲线拟合直线的斜率的软化指数循环硬化阶段,然后呢是关键的循环次数对土石混合的刚度变化从硬化到稳定。是连续增加的交集部分和连续稳定部分的刚度软化指数。是软化指数的稳定值。

公式(4)应用于预测的土石混合的刚度软化岩石含量低于20%。公式(5)是适用于预测的刚度硬化土石混合岩含量高于40%。土石混合的刚度软化指数拟合的经验模型由方程(4)和(5)。拟合结果如图13和14。表4显示拟合参数的统计数据。拟合程度高于0.9。

验证的准确性土石混合回填刚度和软化模型建立了基于实验数据,我们进行了实地测试土壤的剪切波速的部分从Shangwanlu黄山公园重庆轨道交通10号线。表5显示的结果回填土的剪切波测试现场。由中国标准(GB / T 50266 - 2013),动态刚度可以用下面的公式计算: 在哪里是动态刚度(MPa),泊松比,密度(公斤/米³),压缩波速度(米/秒),然后呢剪切波速度(米/秒)。

平原的横波速度填补之前和之后的地铁列车打开213 m / s和322 m / s。动态刚度硬化指数是2.29。刚度变化的测量值基本上是符合刚度硬化模型建立基于刚度变化与岩石标本的数据内容的40%。相应的软化指数2.20(摇滚现场回填含量40%∼50%)。

4所示。结论

在这项研究中,初始固结度的影响,有效固结围压和岩石的刚度软化内容选取混合物根据循环荷载动态三轴试验研究。得出了以下的结论:(1)初始固结度和有效固结围压会影响土石混合的刚度软化。SRM的软化指数稳定的价值增加而增加初始固结度和围压的有效整合。(2)SRM的刚度变化从岩石软化硬化和增加内容。刚度软化和硬化的临界范围是20%到40%。SRM的软化指数稳定的价值随岩石的增加内容。类型的软化,软化指数下降随着周期的数量增加,并最终趋于稳定。的硬化,软化指数增加初近似线性加载并最终趋于稳定。(3)SRM的刚度软化和硬化模型,提出了基于循环荷载动三轴试验,和剪切波速测试结果是在良好的协议与循环荷载动三轴试验结果,这表明刚度软化和硬化模型可以用来描述SRM的动态行为。(4)土石混合的动态刚度的变化可以反映其应力应变本构关系,也是预测和分析的一个关键指标的累积变形冲压混合物。研究结果可以提供一个参考的计算和控制工作后的结算SRM的地铁列车在回填区。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Zuliang钟、香港邹和香香胡设计测试方案。祥祥Zuliang钟和胡锦涛进行测试。香港邹和刘Xinrong分析了测试数据。Zuliang钟和香港邹写道。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

确认

本文中描述的工作得到了国家自然科学基金(52074042)。

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