重載鐵路路基低液限粉土的動力特性

李長生

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 肅寧 062350)

貨運重載化是當(dāng)今世界鐵路的發(fā)展方向，也是我國提高煤炭運輸能力的重要途徑。我國重載鐵路起步晚，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，如朔黃(神池—黃驊)鐵路路基多采用細(xì)粒土填料填筑。目前，在高密度行車作用下重載鐵路路基已產(chǎn)生了較多的病害，隨著列車軸重增大和編組的增加，病害進一步惡化，直接影響行車安全。為評價重載列車作用下既有路基的動力穩(wěn)定性急需開展路基填料的動力特性研究。

室內(nèi)動三軸試驗是研究細(xì)粒土填料動力特性的重要手段。文獻[1]針對武廣客專路基填料進行了大型靜動三軸試驗，分析了路基基床土的動靜強度與土的種類、圍壓、密實度、含水率等的關(guān)系。文獻[2]采用大型動三軸儀對高速鐵路路基粗粒土填料進行試驗研究，分析了應(yīng)力水平、固結(jié)圍壓、振動頻率以及振動次數(shù)對動彈性模量和阻尼比的影響。文獻[3]研究了黃河沖擊粉土的強度特性，分析了動應(yīng)力幅值、加載頻率、圍壓、含水率對粉土動力特性的影響。文獻[4]對砂土開展了循環(huán)荷載下的排水剪切試驗，研究了偏應(yīng)力及球應(yīng)力對砂土的軸向應(yīng)變、體應(yīng)變的影響規(guī)律。文獻[5]針對武廣高鐵武漢試驗段的重塑粉質(zhì)黏土進行了動靜三軸試驗。研究了不同加載方式對動強度的影響，并指明圍壓對動強度參數(shù)有較大的影響。文獻[6]針對錢塘江粉土，研究了不同性質(zhì)粉土在交通循環(huán)荷載作用下的臨界動強度，確立了土體強度與破壞振動次數(shù)關(guān)系。文獻[7]通過針對珠三角地區(qū)飽和軟黏土的循環(huán)三軸試驗，研究飽和軟黏土的軸向累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，并考慮了循環(huán)荷載、圍壓、塑性指數(shù)等對飽和軟黏土變形特性的影響。文獻[8]針對高溫凍土試樣，通過施加不同頻率的循環(huán)荷載，進行單軸壓縮試驗，探究了凍土在循環(huán)荷載作用下的累積變形特性。文獻[9]針對錢塘江粉土開展了一系列的循環(huán)三軸試驗，探討了土體物理條件(相對壓實度、含水率)和應(yīng)力特征(頻率、圍壓、動應(yīng)力比)等對粉土累積軸向應(yīng)變、動模量、阻尼比等的影響。

目前，細(xì)粒土動力特性試驗研究中主要研究對象為砂土和黏土。朔黃鐵路為運行多年的運煤專線，路基多采用沿線的低液限粉土填筑，但對重載鐵路荷載作用下路基填土中低液限粉土的動力特性研究甚少。而研究低液限粉土的動強度、動彈性模量特性及其影響因素，可為路基狀態(tài)評估及路基病害整治提供參考。本文通過在朔黃重載鐵路路基現(xiàn)場取土，室內(nèi)制備不同含水率的試樣，對試樣開展不同圍壓、不同動應(yīng)力幅值的動三軸試驗，分析低液限粉土的動強度及動彈性模量特性。

1 試驗方案

選取朔黃重載鐵路西柏坡路段路基現(xiàn)場的低液限粉土為試驗土樣，通過開展室內(nèi)基本物理試驗，確定了土樣的物理性質(zhì)參數(shù)，見表1。動強度及動彈性模量試驗所用的試樣及試驗儀器均相同。

嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)[10]的規(guī)定將所選土樣制作成高80 mm、直徑39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。試樣包括飽和、不飽和試樣。飽和試樣采用抽氣飽和法進行浸水飽和，將抽完真空后的試樣靜置24 h左右，在密閉真空容器中進一步浸水飽和。制作完成的試樣在施加動荷載前，需要進行固結(jié)處理。固結(jié)方式采用等壓固結(jié)。固結(jié)時，預(yù)先施加一定的固結(jié)圍壓，保持圍壓恒定至觀測到的固結(jié)排水量<0.1 cm3/h時，則認(rèn)為固結(jié)完成。

表1 土樣物理性質(zhì)參數(shù)

試驗儀器采用DDS-70電磁式振動三軸儀。動荷載通過電磁式激振器施加，荷載輸出頻率的設(shè)置范圍為0～10 Hz，可施加的最大軸向動荷載為1.372 kN。

1)動強度試驗

為研究飽和度對低液限粉土動力響應(yīng)特性的影響，制作4種飽和度的試樣進行動強度試驗。其中，飽和試樣代表路基填料處于最不利情況。路基填料實際所受圍壓較低，本次試驗設(shè)置圍壓分別為60，120，150 kPa。重載鐵路對路基填料的壓實度要求較高，不同填料壓實度均>0.92，故本次試驗設(shè)置試樣的壓實度為0.93。動強度試驗參數(shù)見表2。

表2 動強度試驗參數(shù)

文獻[3]中提到，在列車荷載作用下，鐵路路基內(nèi)產(chǎn)生的循環(huán)動應(yīng)力特征體現(xiàn)為：低幅、主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)、重復(fù)作用，可以近似用正弦波形進行模擬。本文使用正弦波形來模擬重載列車作用下路基土體中動應(yīng)力波形。重載列車運行速度較低，一般不超過80 km/h，列車運營條件下對路基的作用頻率較低，因此，本次動力試驗設(shè)置加載頻率為1 Hz，以模擬時速為50～60 km/h 的重載列車運行時對路基的動力作用。固結(jié)比固定為1.0不變。以試樣在預(yù)估振動次數(shù)左右破壞時的動應(yīng)力幅值與破壞振動次數(shù)為試驗參數(shù)對試樣進行加載。

2)動彈性模量試驗

動彈性模量試驗參數(shù)見表3。

表3 動彈性模量試驗參數(shù)

動彈性模量試驗試樣制作、飽和、固結(jié)的方法均與動強度試驗相同。在動彈性模量試驗中，軸向應(yīng)力分級施加，每級壓力按預(yù)計試樣破壞主應(yīng)力差的1/10～1/12施加，試驗循環(huán)荷載共分10級，大小分別為20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 N，每級加載控制時間為10 s。加載過程中關(guān)閉排水閥，每一級加載結(jié)束后，打開排水閥門5 min，使因振動引起的超孔隙水壓力得到消散。周而復(fù)始，直至試樣加載結(jié)束。具體的軸向加載過程如圖1所示。

圖1 軸向加載過程示意

由于本試驗主要用于測定試樣在小變形條件下的彈性模量，因此試樣變形不宜過大，否則試樣將產(chǎn)生塑性變形甚至?xí)l(fā)生破壞，對試驗結(jié)果造成影響。因此，設(shè)定試樣軸向位移振幅上限值為2 mm(約2.5%軸向應(yīng)變)，若某一級循環(huán)荷載的軸向變形超過此值，則停止試驗。

由于土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特征，在周期荷載作用下軸向應(yīng)變幅值與動應(yīng)力的關(guān)系可近似用雙曲線進行描述，即

(1)

式中：σd為動應(yīng)力；εd為軸向應(yīng)變幅值；a,b為模型參數(shù)，取決于試樣的物理狀態(tài)。

動彈性模量Ed的計算公式為

(2)

由式(1)和(2)可得

(3)

公式(3)為動彈性模量的計算和分析提供依據(jù)。

2 動強度試驗結(jié)果分析

2.1 動剪應(yīng)力-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線

動剪應(yīng)力的計算公式[11]為

(4)

式中：τd為動剪應(yīng)力。

經(jīng)動強度試驗及公式(4)計算，可得不同圍壓條件下試樣破壞時加載振動次數(shù)和對應(yīng)動剪應(yīng)力的關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 動剪應(yīng)力-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線

由圖2可知：在任一飽和度和圍壓條件下，隨著試樣破壞振動次數(shù)的增加，曲線均明顯下降，說明振動次數(shù)的增加，試樣的動強度值逐漸減小。

在試驗過程中，試樣的具體破壞振動次數(shù)難以控制，為統(tǒng)一振動次數(shù)，分別取圖2中振動次數(shù)為10，20，30時對應(yīng)的動剪應(yīng)力值為分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可得試樣動剪應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 動剪應(yīng)力-圍壓關(guān)系曲線

由圖3可知：在同一飽和度條件下，隨著圍壓的增加，動剪應(yīng)力值明顯增加。對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得相關(guān)系數(shù)均大于0.91，因此，動剪應(yīng)力-圍壓之間近似成線性關(guān)系。這表明在實際工程中，可以采取增大路基低液限粉土所受圍壓的措施，提高低液限粉土填料的動強度值和路基的動力穩(wěn)定性，進而減少路基病害。

圍壓120 kPa、不同振動次數(shù)時，動剪應(yīng)力-飽和度關(guān)系曲線見圖4。

圖4 動剪應(yīng)力-飽和度關(guān)系曲線

由圖4可知：隨著飽和度(含水率)的增加，對應(yīng)動剪應(yīng)力值都逐漸減小，當(dāng)飽和度由0.25增加至1.0時，動剪應(yīng)力下降了25%左右，且減小幅度基本一致，這說明含水率對粉土的動強度影響顯著。當(dāng)以低液限粉土作為路基填料時，隨著含水率的增加，在相同振動次數(shù)條件下，路基填料的動強度值減小，路基的動力穩(wěn)定性相應(yīng)降低。這表明在實際工程中，應(yīng)盡可能降低低液限粉土填料的含水率，尤其在暴雨過后，應(yīng)采取措施盡快疏干路基中的水分，尤其避免路基處于飽和狀態(tài)，這可以顯著提高路基的動力穩(wěn)定性能并減少路基病害的發(fā)生。

2.2 液化應(yīng)力比-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線

液化應(yīng)力比反映了土體抗液化的能力，其值越大則土抗液化的能力越高。液化應(yīng)力比與圍壓有關(guān)，具體計算公式[10]為

(5)

式中：R為液化應(yīng)力比；σ3為圍壓。

經(jīng)動強度試驗及公式(5)計算，可以得到不同圍壓、飽和度下的液化應(yīng)力比-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 液化應(yīng)力比-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線

由圖5可知：①破壞振動次數(shù)對液化應(yīng)力比影響顯著。破壞振動次數(shù)越大，對應(yīng)的液化應(yīng)力比越小，因為同一破壞應(yīng)變條件下，振動次數(shù)越大，則所需動力幅值越小。②圍壓對液化應(yīng)力比影響顯著，但是飽和與非飽和試樣中變化規(guī)律不一致，飽和試樣中，液化應(yīng)力比隨圍壓增加而增加，說明飽和土體中動剪應(yīng)力隨圍壓的變化速率大于圍壓自身的變化速率;而非飽和試樣中，規(guī)律則正好相反，液化應(yīng)力比隨圍壓增加而減小。

不同飽和度條件下液化應(yīng)力比-破壞振動次數(shù)的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同飽和度下液化應(yīng)力比-破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線

由圖6可知，飽和度對于液化應(yīng)力比影響顯著?；境尸F(xiàn)飽和度降低，液化應(yīng)力比增大的趨勢。飽和土體液化應(yīng)力比最小，飽和度為0.25時試樣的液化應(yīng)力比最大，飽和度為0.75，0.50時二者液化應(yīng)力比差異不大，居于中間。飽和度對液化應(yīng)力比的影響實則反映了含水率的變化對液化應(yīng)力比的影響，可見，當(dāng)試樣含水率為飽和含水率時，試樣的液化應(yīng)力比顯著下降，實際工程中應(yīng)盡快排出路基土體中的水分，降低其含水率，從而提高低液限粉土的抗液化性能。

2.3 動強度參數(shù)分析

動強度是在一定動應(yīng)力重復(fù)作用下產(chǎn)生某一指定破壞應(yīng)變所需的動應(yīng)力。摩爾-庫侖抗剪強度理論是常用的評價土體動強度的準(zhǔn)則。

動強度參數(shù)的確定方法：在同一個固結(jié)比的動剪應(yīng)力與破壞振動次數(shù)關(guān)系曲線上，截取3個不同圍壓σ3作用下破壞振動次數(shù)為Nf時對應(yīng)的動剪應(yīng)力τd，并以總剪應(yīng)力τsd(τsd=(σ1-σ3+σd)/2，其中σ1為軸向應(yīng)力)為縱坐標(biāo)，以主應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，以(σ1+σ3)/2+τd為圓心，以(σ1-σ3)/2+τd為半徑，繪制總應(yīng)力抗剪強度包線，據(jù)此包線的縱截距和斜率即可求得不同破壞振動次數(shù)Nf下動內(nèi)摩擦角φd和動黏聚力cd。

根據(jù)上述方法，可得不同條件下的動內(nèi)摩擦角φd和動黏聚力cd。匯總結(jié)果見表4。

表4 動強度數(shù)值

由表4可知，動強度參數(shù)受飽和度的影響顯著。動內(nèi)摩擦角、動黏聚力基本隨飽和度的減小而增加，這說明隨著含水率的降低，低液限粉土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角均增大，低液限粉土的抗剪強度提高。因此在實際工程中降低低液限粉土的含水率，可顯著降低動荷載作用下路基發(fā)生強度破壞的可能性，提高路基的動力穩(wěn)定性能。

3 動彈性模量試驗分析

3.1 圍壓、固結(jié)比的影響

飽和度為1.00時，不同固結(jié)比、圍壓條件下動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系曲線見圖7。

圖7 動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖7可知：動彈性模量受圍壓和固結(jié)比的影響顯著。圍壓越大，對應(yīng)的動彈性模量越大，且圍壓越大，動彈性模量隨動應(yīng)變增大減小的速率越大。相同圍壓和飽和度條件下，固結(jié)比越大，動彈性模量越大。動彈性模量反映了動荷載作用下試樣抵抗彈性變形的能力，彈性模量越大，路基的剛度越大，路基產(chǎn)生的彈性變形越小。可見，提高圍壓和固結(jié)比，對抵抗粉土路基彈性變形有積極作用，從而保障列車運行安全。

3.2 飽和度的影響

不同飽和度下最大動彈性模量試驗數(shù)據(jù)見表5?？芍河?組試樣隨飽和度減小最大動彈性模量增加；1組試樣隨飽和度減小最大動彈性模量減??；其余6組試樣的數(shù)據(jù)沒有規(guī)律，說明飽和度對于動彈性模量的影響規(guī)律不顯著。綜合以上分析可知，飽和度對低液限粉土的動強度和抗液化能力有顯著影響，而圍壓和固結(jié)比則是影響低液限粉土動彈性模量的主要因素。

表5 不同飽和度下最大動彈性模量試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)圍壓和飽和度對低液限粉土填料的動剪應(yīng)力影響顯著，動剪應(yīng)力隨圍壓的增大近似線性增大，隨飽和度的增大而降低。低液限粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的降低而增大，低液限粉土的抗剪強度提高，動力穩(wěn)定性能增強。

2)破壞振動次數(shù)越大，對應(yīng)的液化應(yīng)力比越小。圍壓對液化應(yīng)力比影響顯著，飽和試樣液化應(yīng)力比隨圍壓的增加而增加，而非飽和試樣液化應(yīng)力比隨圍壓的增加而減小。液化應(yīng)力比基本呈現(xiàn)隨飽和度降低而增大的趨勢。

3)動彈性模量隨著圍壓和固結(jié)比的增大而增大，飽和度對于動彈性模量的影響規(guī)律不明顯。

4)獲得了朔黃重載鐵路低液限粉土路基在不同飽和度(含水率)、不同圍壓、不同動應(yīng)力作用下的靜動力特性參數(shù)。其結(jié)果已應(yīng)用于朔黃重載鐵路路基動力特性的分析評價及其高路堤的加固強化工程中，取得了較好的效果。上述結(jié)果亦可為類似工程路基填料的研究與處治利用提供參考。

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