基于鐵路基膨脹土動(dòng)力特性試驗(yàn)分析

謝偉君

【摘要】以地鐵車部膨脹土為研究對(duì)象，通過結(jié)合鐵路路基的受力狀態(tài)、徑向動(dòng)應(yīng)力幅值及含水量等因素對(duì)地鐵路基膨脹土動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果說明：不同含水率膨脹土?xí)艿胶实挠绊?；以及隨著徑向動(dòng)應(yīng)力水平的提高，動(dòng)彈模量的衰減幅度不斷增大；土體的阻尼比隨含水量的降低而減小，隨圍壓的增加而減小。

【關(guān)鍵詞】 膨脹土；動(dòng)力特性；動(dòng)彈模量；阻尼比

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)儀器

本項(xiàng)目對(duì)膨脹土試驗(yàn)時(shí)，采用用動(dòng)全自動(dòng)雙向激振三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由主機(jī)、測量傳感器、加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成，同時(shí)在水平和軸向施加不同的動(dòng)荷載，動(dòng)荷載形式包括不規(guī)則波型和正弦波型的有規(guī)則波型。一般而言，正弦波荷載試驗(yàn)的結(jié)果雖然比較保守，但從方便與實(shí)用的角度來看，在土動(dòng)力學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 土樣試驗(yàn)

試驗(yàn)中所使用的膨脹土是弱膨脹土，呈褐黃色，硬塑態(tài)，物性控制指標(biāo)見表1。

表1

1.3 土樣制備

膨脹土含水量為 15.5%，最大干密度為1.77g/cm3。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定要求，鐵路黏土路基壓實(shí)度為95%，確定制樣控制指標(biāo)，如表2所示。

表2

試驗(yàn)試樣采用 50mm×100mm的圓柱狀，其制備按照表2中控制試樣的制樣重量和含水率，將配備好的預(yù)定含水量重塑膨脹土分5層倒入厚壁鋼模具中，并進(jìn)行撫平，同時(shí)采用千斤頂靜壓法靜壓成型，試樣要確保均勻壓實(shí)。最后采用保鮮膜包裹好每個(gè)試樣并用封裝袋密封，以保持其含水率。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在恒溫恒濕箱中采用吸濕的方法以滿足含水率要求。

1.4 試驗(yàn)方案

由于影響土的動(dòng)力特性試驗(yàn)的因素眾多，因此本次試驗(yàn)在雙向循環(huán)振動(dòng)的作用下，主要考慮到豎向動(dòng)應(yīng)力幅值、徑向動(dòng)應(yīng)力幅值、固結(jié)圍壓以及飽和度等影響因素。

在進(jìn)行豎向動(dòng)應(yīng)力幅值選取時(shí)，需要按照 《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 規(guī)定要求：基床面的動(dòng)應(yīng)力≤100kPa，因此試驗(yàn)最大豎向動(dòng)應(yīng)力取為100kPa，并且為了防止振動(dòng)過程中試樣帽與土樣發(fā)生脫離，要確保動(dòng)應(yīng)力大小應(yīng)小于豎向固結(jié)應(yīng)力。

在曲線軌道上列車行駛產(chǎn)生的橫向振動(dòng)一般小于豎向動(dòng)荷載。按照鐵路規(guī)范對(duì)曲線軌道的超高、軌道半徑運(yùn)行速度、路基填筑等方面的規(guī)定，并考慮到在路基中橫向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力的衰減，其橫向動(dòng)應(yīng)力在試驗(yàn)中分別取 10kPa、20kPa 和30kPa。

通常而言，三軸試驗(yàn)中圍壓最大值應(yīng)不小于土體承受的最大有效應(yīng)力，最小值應(yīng)大于土層覆蓋層壓力。出于路基上鋪軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜荷載考慮，試驗(yàn)中圍壓分別取50kPa、75kPa、 100kPa、200kPa。

膨脹土的最優(yōu)含水量為15.5%，結(jié)合實(shí)際工況，試驗(yàn)前所選取土樣初始含水率分別為17.0%、20.9% 與 21.9% （飽和含水率）。

試驗(yàn)采用應(yīng)力控制加載方式，選取正弦波，雙向激振，逐級(jí)施加動(dòng)荷載。由于圍壓室水壓要確保穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，能常需要5次左右的振動(dòng)調(diào)節(jié)過程，因此以循環(huán)5次后采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，每級(jí)動(dòng)應(yīng)力振動(dòng)設(shè)為 13 次，分8級(jí)加載。同時(shí)，要確保試樣有明顯的動(dòng)應(yīng)變，初始豎向動(dòng)應(yīng)力徑向動(dòng)應(yīng)力差應(yīng)大于 10kPa。這樣不僅可以避免試樣因個(gè)體差異而引起的試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤，而且可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和工作量。

對(duì)每個(gè)試樣施加最后一級(jí)動(dòng)荷載過程中，需要增加荷載的振動(dòng)次數(shù)，以探討振動(dòng)次數(shù)對(duì)膨脹土動(dòng)模量的影響。因儀器功能不足問題，試驗(yàn)采用同相位雙向振動(dòng)三軸試驗(yàn)，記錄試樣的軸向動(dòng)應(yīng)變。排水方式采用固結(jié)不排水，試驗(yàn)方案見表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 圍壓對(duì)動(dòng)力特性的影響

各初始含水率土在不同圍壓下的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。

圖1

根據(jù)圖1分析得知，試驗(yàn)中土樣的固結(jié)比為1.2，頻率2Hz，徑向動(dòng)應(yīng)力為20kPa。由圖可以發(fā)現(xiàn)，土動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線符合雙曲線變化規(guī)律；同一初始含水率下，土動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線斜率隨固結(jié)圍壓增大而增加，對(duì)應(yīng)同一動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)應(yīng)變隨圍壓的增大而減 小。動(dòng)彈模量隨固結(jié)圍壓的增大而增加是土壓硬性的表現(xiàn)，符合土的一般特性。

各初始含水率土體在不同圍壓下的動(dòng)彈模量Ed與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興關(guān)系曲線見圖2。

圖2

由圖2可以看出，各初始含水率中土的動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變?cè)龃蠡境示€性衰減。

2.2 徑向動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)動(dòng)力特性的影響

動(dòng)彈模量Ed 隨動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興的變化曲線見圖3。

圖3

根據(jù)圖3分析得知，徑向動(dòng)應(yīng)力對(duì)動(dòng)彈模量影響較大。在相同條件下，隨著徑向動(dòng)應(yīng)力的減小，Ed-εd 關(guān)系曲線隨著徑向動(dòng)應(yīng)力水平的提高，動(dòng)彈模量的衰減幅度斷增大。從中可以發(fā)現(xiàn)，雖然同相位雙向振動(dòng)提高了土的動(dòng)彈模量，但其模量的衰減幅度比單向振動(dòng)更大。

2.3 含水量對(duì)動(dòng)力特性的影響

由圖1可以看出，隨著含水率的減小，動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在相同圍壓和動(dòng)應(yīng)力作用下的土樣，其動(dòng)應(yīng)變隨著含水量的減小而減小，這是由于含水量的減小，土體強(qiáng)度增加，從而在相同應(yīng)力狀態(tài)下動(dòng)變形減小。

由圖2可以看出，膨脹土隨著含水量的減小而抗動(dòng)荷載的能力不斷增強(qiáng)。但是從另一個(gè)側(cè)面也說明了膨脹土水穩(wěn)性較差，浸水后重塑膨脹土抗荷載能力降低較為顯著。同時(shí)，隨含水量的降低，土體阻尼比逐漸減小，這主要是在含水量的減小的情況下，增強(qiáng)了土體間的膠結(jié)作用，使得顆粒間更加緊密，減少了顆粒間傳遞的消耗量。

3 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)地鐵路基膨脹土動(dòng)力特性試驗(yàn)分析，得到了以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）膨脹土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈雙曲線型，隨著固結(jié)圍壓和含水量的增大動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變曲線動(dòng)應(yīng)變隨固結(jié)圍壓和含水量的減小而減小，隨徑向動(dòng)應(yīng)力的減小而增大，這是由同相位試驗(yàn)條件引起的。

（2）同一條件下土的動(dòng)彈模量隨圍壓的增高而增大，隨含水量的增大而減小，而動(dòng)彈模量在雙向振動(dòng)中隨徑向動(dòng)應(yīng)力水平的提高，動(dòng)彈模量的衰減幅度不斷增大，這是由于土體結(jié)構(gòu)在較大徑向動(dòng)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生了更大的疲勞損傷，這與前人的結(jié)果有所差異。

（3）振動(dòng)次數(shù)對(duì)膨脹土動(dòng)力特性的影響較大，動(dòng)彈模量隨振動(dòng)次數(shù)的增大而逐漸減小，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到一定量后，其衰減幅度放緩，并達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定值。

參考文獻(xiàn)

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