循環(huán)荷載下兗石鐵路路基膨脹土的動力特性試驗(yàn)研究*

陳 強(qiáng) 彭永良 曹正正 汪 維

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 610031)

0 引 言

當(dāng)今我國鐵路事業(yè)發(fā)展迅速，以列車提速和新建高速鐵路作為新的發(fā)展方向，預(yù)計(jì)2020年建設(shè)客運(yùn)專線1.6×104ikm以上，其中眾多線路需穿越膨脹土分布的地段。膨脹土作為一種特殊的黏性土，在列車長期循環(huán)荷載和水的作用下，常常發(fā)生路基下沉、翻漿冒泥、邊坡失穩(wěn)等病害。而對于既有鐵路線，由于建成時制定的標(biāo)準(zhǔn)低，隨著列車提速、載重量增大、荷載作用深度加深、路基承受的循環(huán)荷載次數(shù)增加，加劇了病害的產(chǎn)生(王立軍等， 2005)，其強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定問題難以保證，給鐵路健康運(yùn)營埋下了更大的安全隱患。因此，研究循環(huán)荷載作用下膨脹土動力學(xué)特性具有實(shí)際工程價(jià)值，同時為進(jìn)一步的理論研究打下基礎(chǔ)。

影響循環(huán)荷載作用下黏性土動力特性的因素很多，主要有：(1)土體的性質(zhì)(飽和度、密實(shí)度、顆粒組成等)； (2)動荷載類型、頻率、作用時間等； (3)固結(jié)條件； (4)應(yīng)力水平(吳世民， 2000)。蔡英等(1996)利用動三軸試驗(yàn)研究了路基填土的永久變形隨加載次數(shù)、頻率的變化規(guī)律，結(jié)果顯示土的臨界動應(yīng)力隨振動頻率的增大而逐漸減小，且存在一條漸近線。雷勝友等(1995， 2004)對膨脹土及石灰改性膨脹土動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并根據(jù)累計(jì)應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律提出了彈性、強(qiáng)化、破壞3種狀態(tài)，同時發(fā)現(xiàn)振動頻率對土體變形無明顯影響。周小生(2010)研究了雙向循環(huán)荷載作用下膨脹土動彈性模量和阻尼比隨圍壓、含水率的變化規(guī)律。周葆春等(2009)進(jìn)行了振動三軸試驗(yàn)，探討了石灰改良膨脹土脆性破壞機(jī)理以及影響臨界動應(yīng)力的因素。楊廣慶等(2003)通過動三軸試驗(yàn)研究了水泥改良土的累計(jì)塑性應(yīng)變、彈性模量和回彈模量的影響因素及變化規(guī)律。毛成等(2005)分析了膨脹土與改性膨脹土動強(qiáng)度指標(biāo)等動力特性，結(jié)果表明：改良后的膨脹土力學(xué)特性得到了顯著提高。盧永貴等(1998)、郭志勇(2003)的研究結(jié)果也表明改性膨脹土動強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

目前針對膨脹土動力特性的研究較少，且多集中于改良土方面，而某些因素對膨脹土動強(qiáng)度的影響規(guī)律尚未達(dá)成一致觀點(diǎn)，如頻率的影響等。同時，含水量是影響土動力性質(zhì)的最主要因素之一(Li， 1994)，膨脹土作為一種不良填料，其動強(qiáng)度對含水率的變化極其敏感。再者，路基基床受大氣降水影響，潮濕程度變化幅度大，特別是路塹處，濕度變化是路基基床發(fā)生翻漿冒泥的重要原因，有必要研究不同潮濕程度下膨脹土的動力學(xué)特性。為此，本文以兗(州)石(臼所)鐵路路基膨脹土為研究對象，開展動三軸試驗(yàn)，研究含水率、振動頻率以及動應(yīng)力幅值對重塑膨脹土累計(jì)塑性應(yīng)變、動強(qiáng)度和臨界動應(yīng)力的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器及土樣

試驗(yàn)采用英國GDS動三軸儀，激振頻率為0.1～5.0Hz，測試精度高，允許用戶自定義動荷載類型。試驗(yàn)用土為兗石鐵路臨沂段路基膨脹土，取樣位置為DK123+908； 土樣呈棕紅色，結(jié)構(gòu)密實(shí)，硬塑狀態(tài)，中等膨脹性。具體物理性質(zhì)指標(biāo)、礦物成分與顆粒級配見表 1與表 2。

表 1 膨脹土物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of expansive soil

表 2 膨脹土礦物成分與顆粒組成Table 2 Mineral compositions and particle component of expansive soil

1.2 試樣制備

1.3 試驗(yàn)方案

圖 1 循環(huán)荷載加載曲線Fig. 1 Curve of cyclic loading

本次試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的加載方式，定義半正弦曲線近似模擬交通荷載(圖 1)。有關(guān)鐵路人員實(shí)測資料表明，鐵路路基表層的側(cè)壓力為20～60kPa(韓自力， 2002)，所以試驗(yàn)控制圍壓為50kPa，所有試樣采用等壓固結(jié)。為了充分模擬膨脹土潮濕程度隨氣候水文環(huán)境的變化，配制含水率分別為15%、18%、21%、23%、24.5%、25.8%(飽和狀態(tài))的試樣。列車振動頻率范圍通常為f≤2.35Hz(劉建坤等， 2009)，本次循環(huán)三軸試驗(yàn)時，對于研究頻率的影響，取f分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz，其余試驗(yàn)均取1Hz。試驗(yàn)停止標(biāo)準(zhǔn)為：動力加載8000次或試樣軸向累計(jì)塑性應(yīng)變大于10%； 試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)為：軸向累計(jì)塑性應(yīng)變達(dá)到5%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水率對膨脹土累計(jì)塑性應(yīng)變、臨界動應(yīng)力及動強(qiáng)度的影響

圖 2 不同含水率下累計(jì)塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig. 2 Relation between permanent deformation and cycle-index without water contenta. ω=15%； b. ω=18%； c. ω=21%；d. ω=23%； e. ω=24.5%； f. ω=25.8%

由于臨界動應(yīng)力的具體值是很難準(zhǔn)確測試的，通常是取近似值。雷勝友(1995)定義膨脹土臨界動應(yīng)力為強(qiáng)化狀態(tài)下的最大動應(yīng)力水平，但筆者研究認(rèn)為此方法找出的臨界動應(yīng)力偏大。因?yàn)閺?qiáng)化狀態(tài)下的曲線可能對應(yīng)的是破壞型曲線，如圖 2d中動應(yīng)力幅值為190kPa時對應(yīng)的曲線，試樣顯然已經(jīng)達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，從工程安全角度來說，此方法得出的臨界動應(yīng)力偏于危險(xiǎn)。為了保險(xiǎn)，本文定義臨界動應(yīng)力為穩(wěn)定型曲線下對應(yīng)的最大動應(yīng)力，并以此辦法來尋找不同影響因素下膨脹土的臨界動應(yīng)力。從圖 2可以找出，含水率為15%、18%、21%、23%、24.5%、25.8%(飽和狀態(tài))的膨脹土，臨界動應(yīng)力分別約為520kPa、470kPa、295kPa、185kPa、115kPa、40kPa。含水率從15%變化到25.8%的過程中，膨脹土臨界動應(yīng)力衰減了480kPa，衰減率高達(dá)92.3%。由此表明，臨界動應(yīng)力受含水率的影響顯著，尤其處于飽和狀態(tài)下的臨界動應(yīng)力只有40kPa。對于鐵路路基來說，受雨季降水量增多的影響，路基土含水率變化較大，當(dāng)處于飽和或接近飽和狀態(tài)時，路基基床是不穩(wěn)定的，可能發(fā)生路基下沉、邊坡滑塌、翻漿冒泥等病害，應(yīng)引起重視。

為了更加直觀、定性地分析膨脹土臨界動應(yīng)力與不同潮濕程度(飽和度)的關(guān)系，將試驗(yàn)得到的臨界動應(yīng)力與對應(yīng)的飽和度繪制于σd-Sr坐標(biāo)紙中，判斷在該飽和度下試樣處于穩(wěn)定、臨界還是破壞狀態(tài)，此曲線稱為臨界狀態(tài)線(劉建坤等， 2009)，曲線見圖 3。臨界動應(yīng)力與飽和度呈線性關(guān)系，擬合度較高。該曲線可作如下解釋：在土樣含水率穩(wěn)定的前提下，動應(yīng)力幅值在臨界狀態(tài)線以上時，土體會產(chǎn)生破壞的危險(xiǎn)； 當(dāng)動應(yīng)力幅值在臨界狀態(tài)線以下時，則土體處于相對安全狀態(tài)，這一規(guī)律對于類似膨脹土路基地區(qū)具有參考意義。

圖 3 飽和度與臨界動應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig. 3 Relation between the amount of water and critical dynamic stress

圖 4 不同含水率的動強(qiáng)度曲線Fig. 4 Curves of water content on dynamic strength

土的動強(qiáng)度常被理解為一定動荷載振次下產(chǎn)生某一破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的動應(yīng)力(謝定義， 1998)。如前所述，本次試驗(yàn)以累計(jì)塑性應(yīng)變達(dá)到5%作為膨脹土的破壞標(biāo)準(zhǔn)。由于動三軸試驗(yàn)采用的是等壓固結(jié)，根據(jù)三軸試驗(yàn)原理可知，試樣在45°面上的動剪應(yīng)力為σd/2，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同含水率下膨脹土的動強(qiáng)度曲線(圖 4)。

從動強(qiáng)度曲線也能看出含水率對膨脹土的動抗剪強(qiáng)度影響顯著，含水率相差越大，動抗剪強(qiáng)度相差越明顯，表明膨脹土的強(qiáng)度對含水量的變化非常敏感，這與前述分析的飽和度對膨脹土臨界動應(yīng)力的影響結(jié)果一致。從圖 4中還可以看出，動抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，近似冪函數(shù)關(guān)系(賴夏蕾等， 2016)，函數(shù)關(guān)系見式(1)：

τd=AN-B

(1)

式中，τd為動抗剪強(qiáng)度；N為試驗(yàn)加載次數(shù)；A、B為土性和應(yīng)力水平相關(guān)的無量綱參數(shù)，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見表 3。

表 3 動強(qiáng)度曲線擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of dynamic strength

通過對表 3中不同含水率ω和參數(shù)A之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，可得兩者之間的經(jīng)驗(yàn)公式，見式(2)：

A=-23.693ω+69 285R2=0.9171

(2)

由式(2)可知，含水率與參數(shù)A擬合度非常高，筆者認(rèn)為，是由于含水率的變化改變了土體的物理性質(zhì)，參數(shù)A代表著土體本身的性質(zhì)。

2.2 振動頻率對膨脹土累計(jì)塑性應(yīng)變、動強(qiáng)度及臨界動應(yīng)力的影響

圖 5 不同振動頻率下累計(jì)塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig. 5 Relation between permanent deformation and cycle-index without frequencya. f=0.5Hz； b. f=1Hz； c. f=2Hz； d. f=5Hz

圖 6 不同頻率下的動強(qiáng)度曲線Fig. 6 Curves of frequency on dynamic strength

圖 7 不同頻率下循環(huán)次數(shù)與累計(jì)應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig. 7 Relation between permanent deformation and cycle-index without frequency

圖 8 頻率與臨界動應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig. 8 Relation between the frequency and critical dynamic stress

由圖 8可以看出，膨脹土的臨界動應(yīng)力隨頻率的增大而增大，大致呈線性變化。當(dāng)振動頻率較低時，試樣有時間變形伸展，在較大動應(yīng)力下，很快達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)； 在高頻作用下，試樣沒有充足的時間變形伸展，而被不斷地壓密，變形速率越來越小，從而具有一定的強(qiáng)度。所以，相同條件下，高頻荷載作用下土的臨界動應(yīng)力更大。蔡英等(1996)對成都黏土的研究結(jié)果表明：振動頻率f=2～10Hz時，臨界動應(yīng)力隨著頻率的增大而降低；f=10～15Hz時，臨界動應(yīng)力趨于穩(wěn)定，這顯然與本文的研究結(jié)論相反。但無論如何，頻率對黏性土動強(qiáng)度的影響是真實(shí)存在的，白冰等(1999)總結(jié)到，加載頻率對黏土的影響可能與土的黏滯性、測量對象的敏感程度及判斷標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了含水率、振動頻率對膨脹土動力學(xué)特性的影響規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

(1)循環(huán)荷載作用下累計(jì)塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線可分為3類：穩(wěn)定型、臨界型、破壞型，并從工程安全角度出發(fā)，建議臨界動應(yīng)力取穩(wěn)定型曲線對應(yīng)的最大動應(yīng)力。

(2)含水率對膨脹土動強(qiáng)度、臨界動應(yīng)力影響顯著，低含水率時，動強(qiáng)度很高，高含水率時，動強(qiáng)度極低。飽和狀態(tài)下臨界動應(yīng)力只有40kPa，低于鐵路路基表面動應(yīng)力，應(yīng)引起重視，雨季應(yīng)限速行車。

(3)頻率對膨脹土動力特性的影響為：f=0.5～5Hz時，動強(qiáng)度、臨界動應(yīng)力隨著頻率的增大而增大； 膨脹土臨界動應(yīng)力隨著加載頻率的升高而增大，在0.5～5Hz范圍內(nèi)近似線性增加。關(guān)于振動頻率對膨脹土動力特性的影響仍需進(jìn)行深入的研究。