循環(huán)荷載下級配碎石填料累積塑性應(yīng)變及破壞規(guī)律研究

楊志浩，岳祖潤，馮懷平，葉朝良

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050043;2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

級配碎石由于抗剪強(qiáng)度高、滲透性好，可作為重載鐵路路基基床表層的核心填料[1]。長期運(yùn)營過程中，由于自身的破碎、外部散落在道砟上的煤屑、灰塵隨雨水滲流作用的侵入及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的翻漿，致使基床表層級配碎石填料中細(xì)顆粒明顯增多，其變形及滲透特性發(fā)生明顯變化，最終導(dǎo)致路基整體結(jié)構(gòu)服役性能大幅度劣化[2]，本文稱上述被細(xì)顆粒侵入后的級配碎石填料為污染級配碎石填料。目前，污染級配碎石填料在大軸重列車循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力變形特性已成為鐵路養(yǎng)護(hù)部門及學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[3-4]。

針對侵入細(xì)粒土對粗粒土填料在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變特性的影響，學(xué)者進(jìn)行了較多研究。Trinh等[5]通過開展大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，描述了應(yīng)力水平、振次及含水率對污染粗粒土填料累積塑性應(yīng)變的影響規(guī)律，但未開展污染細(xì)顆粒含量對累積塑性應(yīng)變的影響研究。Khogali等[6]認(rèn)為粗粒土循環(huán)荷載作用下的軸向累積塑性應(yīng)變隨著污染細(xì)粒含量的增加而大幅減小。而Tennakoon等[7]、Duong等[2]開展動(dòng)三軸試驗(yàn)研究得知，隨著污染細(xì)顆粒含量的增加，粗顆粒填料的累積塑性應(yīng)變越來越大?？梢?，污染后的粗顆粒填料在長期循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變演變規(guī)律仍未得到共識，且上述研究污染粗顆粒填料大多為污染道砟填料。循環(huán)荷載作用下重載鐵路基床污染級配碎石填料的累積塑性應(yīng)變演變特征對于路基結(jié)構(gòu)的變形控制至關(guān)重要，需進(jìn)一步深入研究。

針對路基填料在循環(huán)荷載作用下的破壞規(guī)律研究，學(xué)者結(jié)合粉土、黏土、水泥、石灰改良土等細(xì)顆粒土進(jìn)行了較多研究[8-10]，但針對粗顆粒填料開展的相關(guān)研究不多。冷伍明等[11]、周文權(quán)等[12]、劉文劼等[13]、梅慧浩等[14]分別以A組填料為研究對象，開展不同圍壓、含水率及動(dòng)應(yīng)力幅值條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究了該填料的累積塑性應(yīng)變特性及含水率對臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律，并認(rèn)為試樣的物理狀態(tài)、圍壓對其破壞規(guī)律有顯著影響?；脖韺蛹壟渌槭鳛槌薪由喜寇壍澜Y(jié)構(gòu)靜載及列車動(dòng)載的主要填料，對其在循環(huán)荷載作用下的破壞規(guī)律開展研究，對揭示路基病害的發(fā)生機(jī)理至關(guān)重要。

為探究細(xì)顆粒侵入后的重載鐵路基床級配碎石填料在大軸重循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變演變特征及破壞規(guī)律，本文選取不同細(xì)顆粒含量級配碎石填料，結(jié)合GCTS大型動(dòng)三軸儀，進(jìn)行一系列不同圍壓、不同動(dòng)應(yīng)力幅值條件下的大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，探索試樣的累積塑性應(yīng)變及臨界動(dòng)應(yīng)力隨圍壓和細(xì)顆粒含量的演變規(guī)律，并得到考慮細(xì)顆粒含量參數(shù)的不同路基深度處級配碎石填料的臨界動(dòng)應(yīng)力計(jì)算公式，為既有線路基服役性能狀態(tài)評估及基于動(dòng)力變形控制的重載鐵路路基工后沉降預(yù)測提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用美國GCTS公司生產(chǎn)的STX-600雙向振動(dòng)大型三軸儀，見圖1。該儀器采取電液伺服測試系統(tǒng)，直接數(shù)字伺服控制軸向驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)行大直徑粗粒土試樣的動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)。具有應(yīng)力式控制和應(yīng)變式控制2種模式，可施加最大軸向靜態(tài)荷載1 000 kN，軸向動(dòng)態(tài)荷載800 kN，位移傳感器最大量程150 mm，精度0.05%。最大施加荷載頻率20 Hz，最大試樣尺寸300 mm×600 mm。

1.2 試驗(yàn)土樣與制備

本試驗(yàn)用土取自某路基填筑級配碎石料場，母巖為花崗巖，篩分后參照TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中基床表層級配碎石填料的級配進(jìn)行土樣制備，該級配為現(xiàn)場施工填筑過程中采用最多的級配，具有顯著代表性。為研究不同污染條件下該填料的長期動(dòng)力特性，參照文獻(xiàn)[15]，定義細(xì)顆粒含量Fc指標(biāo)，即粒徑小于0.075 mm以下顆粒的干質(zhì)量與粒徑大于0.075 mm以上顆粒干質(zhì)量的比值。本試驗(yàn)通過制備不同F(xiàn)c級配碎石填料，研究不同污染程度的基床級配碎石填料在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變演變特征及破壞規(guī)律。參照鐵路養(yǎng)護(hù)部門的整修資料，可知重載鐵路基床污染級配碎石填料的Fc指標(biāo)一般在3%～10%，結(jié)合包神重載鐵路瓷窯灣段的病害調(diào)查試驗(yàn)結(jié)果(該病害段基床級配碎石填料的最大細(xì)顆粒含量為10%)，故本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種Fc指標(biāo)(3%、5%、10%)級配碎石填料進(jìn)行試驗(yàn)，最大粒徑為31.5 mm，平均粒徑d50為24.7 mm。對0.075 mm下的細(xì)粒土進(jìn)行了級配分析及液、塑限試驗(yàn)，可知該細(xì)粒土為粉土，其基本物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。對3種不同F(xiàn)c指標(biāo)級配碎石填料進(jìn)行普氏擊實(shí)、級配分析、滲透及靜力三軸剪切試驗(yàn)，其基本物理力學(xué)性能參數(shù)見表2，得到級配曲線見圖2。由表2可知，A組填料的黏聚力較其他兩組大。由于以現(xiàn)有的試驗(yàn)手段很難將摩擦強(qiáng)度及黏聚強(qiáng)度進(jìn)行精確測定，且級配碎石粗顆粒填料的強(qiáng)度主要由粗顆粒間的摩擦及咬合提供，本試驗(yàn)試樣中細(xì)顆粒含量較低，且作為填充物處于離散狀態(tài)，其黏聚力在試驗(yàn)中很難體現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理的黏聚力可能包含一部分摩擦強(qiáng)度。

表1 粉土的基本物理力學(xué)性能參數(shù)

表2 3種級配碎石填料的基本物理力學(xué)性能參數(shù)

本試驗(yàn)選取直徑為300 mm，高度為600 mm的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，高寬比H/D為2，部分制備過程見圖3。試樣直徑為最大粒徑的9.5倍，可消除尺寸效應(yīng)的影響[16]。

本試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場路基填料含水率不變條件下，細(xì)顆粒侵入級配碎石填料層的實(shí)際工況，該工況為現(xiàn)場路基服役過程中最常見的一種工況，也為基床在最優(yōu)工作狀態(tài)下被污染的工況。故選取同一含水率(6%，近似為最優(yōu)含水率)進(jìn)行試驗(yàn)。將3種填料均在含水率為6%條件下進(jìn)行拌合，并在塑料箱中密封靜置24 h，使試樣內(nèi)部的水分分布均勻。按照實(shí)際重載鐵路基床級配碎石填料壓實(shí)要求制備試樣，壓實(shí)系數(shù)取0.97，試樣的制備過程按照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[16]及TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。采用分層擊實(shí)的方法，分6層擊實(shí)，每層高度100 mm，每擊完一層對表層進(jìn)行刮毛處理，然后進(jìn)行下一層擊實(shí)。

1.3 試驗(yàn)加載方法

試驗(yàn)采用固結(jié)不排水試驗(yàn)條件，固結(jié)形式為各向等壓固結(jié)。動(dòng)態(tài)加載波形為正弦波，為避免加載頻率對該填料累積塑性應(yīng)變及破壞規(guī)律的影響[15]，加載頻率采用現(xiàn)場測試C80型重載車輛(車長12 m)，速度為100 km/h,主頻統(tǒng)一采用2.5 Hz。具體試驗(yàn)加載方式見圖4。

圖4中AB段為施加圍壓階段，模擬基床填料受到的側(cè)向土壓力。BC段為固結(jié)階段，各向等壓固結(jié)，固結(jié)應(yīng)力為AB段施加的圍壓σ3，打開排水閥門，當(dāng)孔隙水壓力小于1 kPa時(shí)，認(rèn)為固結(jié)完成，立即關(guān)閉閥門，而后開始施加循環(huán)動(dòng)荷載。CD段為模擬重載鐵路基床層上部軌道結(jié)構(gòu)的靜荷載，即σs，經(jīng)過計(jì)算取15 kPa。DE階段為施加循環(huán)動(dòng)荷載階段，模擬列車作用于路基結(jié)構(gòu)時(shí)的循環(huán)動(dòng)荷載。幅值大小為σamp,d，動(dòng)荷載最大值為σmax,d，最小值為σmin,d，三者間的關(guān)系為

σamp,d=σmax,d-σmin,d

( 1 )

參照文獻(xiàn)[11,18]，試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)選取破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為軸向塑性累積應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)試樣破壞。大量的前期試驗(yàn)表明，振次為40 000次時(shí)可達(dá)到本文對于3種級配碎石填料累積塑性應(yīng)變及破壞規(guī)律的研究目的，故試驗(yàn)最大振次均設(shè)計(jì)為40 000次。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)結(jié)束后，試樣的軸向累積塑性應(yīng)變小于5%，且1 h內(nèi)累積塑性應(yīng)變小于0.2%。具體的動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

模擬重載鐵路路基基床表層上表面、下表面及基床底層下表面的實(shí)際側(cè)向壓力，其基本涵蓋了大軸重列車荷載在路基中的作用范圍。經(jīng)過計(jì)算，分別設(shè)置圍壓為15、30、60 kPa。作者在大秦鐵路北同蒲線重載鐵路選取典型斷面進(jìn)行路基動(dòng)態(tài)測試，最大列車軸重為27 t，最大運(yùn)行速度為85 km/h，測得的路基面最大動(dòng)應(yīng)力為200 kPa。為模擬我國重載鐵路擴(kuò)能改造后軸重將增大到30 t的情況及得到該填料的臨界動(dòng)應(yīng)力值，參照冷伍明等[18]關(guān)于A組填料的大型循環(huán)三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)增大了σamp,d設(shè)計(jì)，最大動(dòng)應(yīng)力幅值為475 kPa。

設(shè)置A30、B30、C30三組試驗(yàn)，為相同圍壓條件下，不同細(xì)顆粒含量級配碎石填料的動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究細(xì)顆粒含量對試樣累積塑性應(yīng)變及臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。設(shè)置B15、B30、B60三組試驗(yàn)，為相同細(xì)顆粒含量的級配碎石填料在不同圍壓條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究圍壓對試樣累積塑性應(yīng)變及臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累積塑性應(yīng)變發(fā)展形態(tài)及臨界動(dòng)應(yīng)力值

不同細(xì)顆粒含量試樣在不同動(dòng)應(yīng)力幅值下的軸向累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線見圖5。由圖5可以看出，3種填料在不同σamp,d下，分別表現(xiàn)出不同的變形形態(tài)。當(dāng)Fc=3%，σamp,d為275、325、375 kPa時(shí)，初期累積塑性應(yīng)變增長迅速，短期內(nèi)趨于穩(wěn)定，之后試樣處于彈性變形階段，試樣的最終累積塑性應(yīng)變分別為1.15%、2.48%、4.2%。當(dāng)σamp,d為475 kPa時(shí)，試樣累積塑性應(yīng)變增長迅速，并在6 000振次內(nèi)快速達(dá)到破壞應(yīng)變15 %，最終試樣發(fā)生破壞。當(dāng)σamp,d為425 kPa時(shí)，試驗(yàn)過程中試樣的累積塑性應(yīng)變一直增加，但增長速率越來越緩，最終振動(dòng)40 000次累積塑性應(yīng)變?yōu)?4.73%，未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)Fc=5%，σamp,d為275 kPa時(shí)，試樣在2 000振次內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，最終累積塑性應(yīng)變?yōu)?.52%。當(dāng)σamp,d為475 kPa時(shí)，試樣累積塑性應(yīng)變呈線性增長，很快達(dá)到破壞應(yīng)變。當(dāng)σamp,d為375、425 kPa時(shí)，試樣累積塑性應(yīng)變一直增加，初期變化較快，隨后變化速率減小，最終振動(dòng)40 000次累積塑性應(yīng)變?yōu)?.8%、11.7%。

當(dāng)Fc=10%，σamp,d為275 kPa時(shí)，試樣累積塑性應(yīng)變快速趨于穩(wěn)定，最終值為3.18%。當(dāng)σamp,d為425、475 kPa時(shí)，試樣累積塑性應(yīng)變增長迅速，很快達(dá)到破壞應(yīng)變，但試樣破壞需要的振次不同，σamp,d越大，試樣達(dá)到破壞的振次越少。當(dāng)σamp,d為325、375 kPa時(shí)，振動(dòng)40 000次的累積塑性應(yīng)變值分別為9.4%、12.5%。

為更加直觀地分析σamp,d對累積塑性應(yīng)變的影響，分別選取3種Fc填料在不同σamp,d條件下振動(dòng)40 000次時(shí)刻的累積塑性應(yīng)變進(jìn)行分析，見圖6。

由圖6可知，σamp,d由275 kPa增加至375 kPa時(shí)，F(xiàn)c為3%、5%、10%填料累積塑性應(yīng)變分別增加3.42%、4.29%、9.57%。σamp,d由375 kPa增至425 kPa時(shí)，F(xiàn)c為3%、5%填料累積塑性應(yīng)變分別增加8.35%、5.9%?？梢娡粐鷫?、相同振次條件下，σamp,d增加，試樣累積塑性應(yīng)變顯著增長，且變化趨勢增強(qiáng)。σamp,d增加，顆粒之間作用力增強(qiáng)，使得顆粒的棱角更容易產(chǎn)生剪切破壞，破壞后顆粒間產(chǎn)生更大的相對滑移，故宏觀上表現(xiàn)為試樣產(chǎn)生更大的塑性變形。Fc增加，σamp,d變化對試樣累積塑性應(yīng)變的影響更加強(qiáng)烈。由于Fc增加，試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細(xì)顆粒在空間上的飽水能力增強(qiáng)，細(xì)顆粒的侵入對粗顆粒的潤滑作用增強(qiáng)，致使顆粒間的咬合作用減弱，故相同σamp,d增量下試樣產(chǎn)生更大累積塑性應(yīng)變增量。但Fc存在一個(gè)限值，超過此限值時(shí)，隨著細(xì)顆粒的增加，粗顆粒空隙被細(xì)顆粒填充，試樣密實(shí)度增加，試樣的累積塑性應(yīng)變隨之減小[15]。

由圖6可以看出，σamp,d對3種級配碎石填料的累積塑性應(yīng)變影響顯著，隨著σamp,d增加，試樣的累積塑性應(yīng)變顯著增長。存在一個(gè)動(dòng)應(yīng)力閾值，當(dāng)σamp,d小于該閾值時(shí)，試樣變形在較短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，累積塑性應(yīng)變不再增加，試樣處于彈性變形狀態(tài)，動(dòng)荷載作用下試樣只產(chǎn)生彈性變形，試樣處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)σamp,d大于該閾值時(shí)，試樣不足以抵抗該荷載的循環(huán)作用，累積塑性應(yīng)變不斷增加，最終試樣破壞，但不同σamp,d荷載作用下破壞的振次不同，較大荷載達(dá)到破壞狀態(tài)所需要的振次較小。該閾值稱為臨界動(dòng)應(yīng)力σd，cr，其為相同條件下試樣在穩(wěn)定狀態(tài)下所能承受動(dòng)應(yīng)力的最大值。動(dòng)應(yīng)力超過該值，試樣將不足以承擔(dān)荷載的作用而發(fā)生破壞。σd，cr采用“逼近法”進(jìn)行確定[12]，但由于制樣的差異，會(huì)出現(xiàn)相同圍壓條件下的相同土樣得到的σd，cr不同的情況，從而導(dǎo)致確定σd，cr時(shí)出現(xiàn)誤差。本文選取逼近的精度為圍壓σ3，要求逼近的σamp,d差值小于σ3時(shí)便可對σd，cr進(jìn)行確定。根據(jù)冷伍明等[18]提出的動(dòng)荷載作用下試樣的工作狀態(tài)判定方法，對本試驗(yàn)中不同條件下的試樣狀態(tài)進(jìn)行判定，判定結(jié)果見圖5，并經(jīng)過分析得到了3種級配碎石填料的σd，cr，見表4。

表4 5種試驗(yàn)條件下試樣的臨界動(dòng)應(yīng)力值

2.2 圍壓對臨界動(dòng)應(yīng)力及累積塑性應(yīng)變的影響

結(jié)合表4數(shù)據(jù)，在其他條件相同時(shí)，試樣的臨界動(dòng)應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線，見圖7。

由圖7可知，圍壓由15 kPa增至30 kPa時(shí)，σd，cr增加175 kPa；圍壓由30 kPa增至60 kPa時(shí)，σd，cr增加100 kPa?？梢?，圍壓對σd，cr具有顯著影響，隨著圍壓的增加，試樣的σd，cr顯著增加，但并非呈線性變化。由于圍壓越大，顆粒間的咬合及嵌擠作用越大，強(qiáng)度越高，導(dǎo)致其抵抗軸向荷載的能力越強(qiáng)，故試樣的σd，cr越大。鐵路路基基床表層填料，受到的側(cè)向壓力較小，對應(yīng)的σd，cr也較小，但受到列車的荷載作用更強(qiáng)，更容易發(fā)生較大變形，故對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對基床表層進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，從填料的角度增強(qiáng)其抵抗變形的能力。

為探究圍壓對累積塑性應(yīng)變的影響，繪制σamp,d為275 kPa，不同圍壓下的軸向累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線見圖8。

由圖8可以看出，其他條件相同時(shí)，隨著圍壓的增加，試樣的累積塑性應(yīng)變顯著降低，有利于試樣的穩(wěn)定性。同一荷載作用下，圍壓增大，顆粒間的水平擠壓作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其抵抗外界荷載的能力增強(qiáng)，故相同σd，cr作用下，高圍壓下試樣的變形較小。其他條件相同時(shí)，不同圍壓條件下試樣的變形形態(tài)不同，圍壓15 kPa曲線為顯著破壞型，累積塑性應(yīng)變基本呈線性增長，快速達(dá)到破壞應(yīng)變，由于該荷載大于該狀態(tài)下試樣的σd，cr。圍壓為30、60 kPa時(shí)，試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)仍可看出σd，cr受圍壓的影響顯著。

2.3 細(xì)顆粒含量對累積塑性應(yīng)變、臨界動(dòng)應(yīng)力的影響

路基基床表層的級配碎石填料受到不同程度的細(xì)顆粒污染，導(dǎo)致其內(nèi)部的級配、滲透性及變形特性發(fā)生變化，為探究Fc對級配碎石填料累積塑性應(yīng)變特性的影響，繪制圍壓為30 kPa，σamp,d為275、375 kPa條件下，F(xiàn)c為3%、5%、10%級配碎石填料的軸向累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線，見圖9。

當(dāng)σamp,d=275 kPa時(shí)，3種不同F(xiàn)c填料軸向累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線見圖9(a)。由圖9(a)可以看出，3種填料累積塑性應(yīng)變隨振次的演變規(guī)律類似。在動(dòng)荷載的作用下，初期累積塑性應(yīng)變迅速累積，之后增長趨勢減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。由于在動(dòng)荷載的作用下，初期顆粒間發(fā)生較大的相對滑移，產(chǎn)生較大的累積塑性應(yīng)變，宏觀表現(xiàn)為變形的迅速增加。同時(shí)顆粒間的咬合、嵌擠作用加強(qiáng)，試樣的強(qiáng)度增大，可以抵抗該外部荷載的作用，沒有塑性應(yīng)變的產(chǎn)生，僅產(chǎn)生彈性變形，宏觀表現(xiàn)為變形趨于穩(wěn)定。Fc為3%、5%、10%級配碎石填料振動(dòng)40 000次時(shí)的軸向累積塑性應(yīng)變不同，分別為1.15%、1.52%、3.17%，F(xiàn)c越大，其累積塑性應(yīng)變越大，且達(dá)到變形穩(wěn)定狀態(tài)的振次隨Fc的增加而增大。3種Fc級配碎石填料均處于穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于該荷載均小于3種級配碎石填料的σd，cr。

當(dāng)σamp,d為375 kPa時(shí)，3種Fc填料的累積塑性應(yīng)變的變化曲線見圖9(b)。由圖9(b)可見，曲線變化趨勢不同，其中Fc為3%填料的變化趨勢與圖9(a)類似。Fc為5%及10%的級配碎石填料，初期累積塑性應(yīng)變迅速增加，且變化趨勢逐漸變緩，但一直處于增長狀態(tài)。由于該幅值荷載作用下，5%及10%填料試樣雖然逐漸被壓密，強(qiáng)度增大，但仍然無法抵抗該外部荷載的作用，導(dǎo)致其始終有塑性應(yīng)變的產(chǎn)生，宏觀表現(xiàn)為其變形一直處于增長狀態(tài)。Fc對試樣累積塑性應(yīng)變的影響規(guī)律與圖9(a)相同，均表現(xiàn)為Fc越大，其累積塑性應(yīng)變越大，F(xiàn)c為3%、5%、10%填料在振動(dòng)40 000次時(shí)的累積塑性應(yīng)變?yōu)?.57%、5.82%、12.75%。且Fc為3%填料處于穩(wěn)定狀態(tài)，而Fc為5%及10%填料處于破壞狀態(tài)，由于該荷載已超過了后2種填料的σd，cr，而未達(dá)到Fc為3%填料的σd，cr。

為更直觀地探究細(xì)顆粒含量對軸向累積塑性應(yīng)變的影響，繪制了σamp,d為275、375 kPa條件下，振動(dòng)40 000次時(shí)累積塑性應(yīng)變隨細(xì)顆粒含量的變化曲線，見圖10。

“冰凍三尺非一日之寒”，大學(xué)生學(xué)習(xí)英語的興趣與動(dòng)機(jī)是從最初開始學(xué)習(xí)英語時(shí)培養(yǎng)的。對于那些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，往往是學(xué)習(xí)興趣不濃烈，在大學(xué)階段的英語學(xué)習(xí)中同樣會(huì)感到吃力。比如那些高考英語成績特別低的學(xué)生，英語基礎(chǔ)知識都比較薄弱，在大學(xué)英語學(xué)習(xí)中，即使在英語學(xué)習(xí)方面下定了很大決心，但是由于詞匯量、知識點(diǎn)、聽力等方面的不足，在英語學(xué)習(xí)中很難跟上教師的節(jié)奏，導(dǎo)致課堂內(nèi)容學(xué)習(xí)非常吃力，課文不理解，如此下去，學(xué)生很快就喪失了學(xué)習(xí)的動(dòng)力，忘記了當(dāng)時(shí)下定的決心，最后就對英語課程徹底放棄了。

由圖10可以看出，F(xiàn)c對試樣的累積塑性應(yīng)變影響顯著，隨著Fc的增加，試樣的累積塑性應(yīng)變相應(yīng)增加，且高σamp,d荷載作用下，F(xiàn)c對試樣累積塑性應(yīng)變的影響更加強(qiáng)烈。當(dāng)Fc在3%～10%時(shí)，隨著Fc的增加，侵入的細(xì)顆粒對粗顆粒之間的咬合起到潤滑的作用，導(dǎo)致顆粒之間的摩擦強(qiáng)度降低，更容易產(chǎn)生相對滑移，即相同荷載作用下產(chǎn)生較大累積塑性應(yīng)變。同時(shí)細(xì)顆粒的增多，阻隔了粗顆粒間的排水通道，使得試樣的滲透性能降低，最終使得試樣的累積塑性應(yīng)變更大。上述結(jié)果表明，F(xiàn)c對試樣的累積塑性應(yīng)變具有較大影響，即細(xì)顆粒的污染對基床級配碎石填料的動(dòng)力變形特性影響顯著。其他條件相同時(shí)，隨著細(xì)顆粒的增多，列車循環(huán)荷載作用下，填料抵抗變形的能力顯著下降，即隨著擴(kuò)能改造列車軸重的增加，污染的基床級配碎石填料服役性更容易發(fā)生劣化。

綜上可見，σd，cr與試樣的物理狀態(tài)及圍壓有關(guān)，為了探討物理狀態(tài)參數(shù)Fc對σd，cr的影響機(jī)制，消除圍壓對σd，cr的影響，故對圍壓進(jìn)行了歸一化處理。參考文獻(xiàn)[18]，定義動(dòng)應(yīng)力比CSR為

( 2 )

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可繪制不同動(dòng)應(yīng)力比CSR及Fc條件下的試樣變形形態(tài)分布，見圖11。

由圖11可以看出，圖11中左下方部分為穩(wěn)定型試樣，右上部分為破壞型試樣，可根據(jù)2種變形形態(tài)轉(zhuǎn)變處的動(dòng)應(yīng)力比描繪出臨界動(dòng)應(yīng)力比線。該線右上方部分，施加動(dòng)應(yīng)力大于σd，cr，導(dǎo)致試樣累積塑性應(yīng)變一直增加，最終試樣破壞。該線左下方部分，施加動(dòng)應(yīng)力小于σd，cr，初期累積塑性應(yīng)變快速增長，逐漸被壓密，且壓密后試樣能夠抵抗該動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)作用，處于彈性狀態(tài)，只發(fā)生動(dòng)彈性變形，沒有塑性應(yīng)變的產(chǎn)生，試樣最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可擬合出級配碎石填料的σd，cr與圍壓及Fc的函數(shù)關(guān)系式

( 3 )

式中：a、b為與土性有關(guān)的參數(shù)，本試驗(yàn)中，a=-0.163 6，b=6.982 1。采用極限分析法，對參數(shù)a、b的物理意義進(jìn)行探究。b為函數(shù)關(guān)系式的縱軸截距，其物理意義為Fc為零時(shí)，各向等壓固結(jié)條件下，壓實(shí)系數(shù)為0.97的級配碎石填料試樣與大主應(yīng)力呈45°面上的動(dòng)剪應(yīng)力與圍壓的比值。Ebrahimi等[4]針對3種性質(zhì)來源的細(xì)粒污染粗顆粒填料進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了細(xì)粒含量及含水量對累積塑性應(yīng)變的影響，認(rèn)為對于黏性細(xì)顆粒污染源，影響指標(biāo)除了污染指標(biāo)及含水量外，還應(yīng)考慮細(xì)顆粒的液、塑限指標(biāo)。結(jié)合該研究結(jié)果，認(rèn)為式( 3 )中的參數(shù)a為與細(xì)顆粒土性有關(guān)的參數(shù)，與液、塑限指標(biāo)有關(guān)，其絕對值的大小代表污染的細(xì)顆粒對污染后級配碎石填料σd，cr的影響程度，絕對值越大，影響越顯著。

由式( 3 )可以看出，隨著圍壓的增大，破壞所需要的σd，cr也越大。隨著Fc的增大，改變了填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且滲透性降低，變形易發(fā)展，使得σd，cr減小，即較小的列車荷載作用可使細(xì)顆粒含量較大的級配碎石填料發(fā)生較大變形。這表明基床級配碎石填料受到細(xì)顆粒的污染后，其變形特性發(fā)生顯著變化，服役性能發(fā)生明顯的劣化現(xiàn)象。應(yīng)用式( 3 )，可對既有線基床級配碎石填料的污染程度及一定列車荷載作用下的工作狀態(tài)進(jìn)行評估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)部門針對不同工點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)別化、靈活整治病害。需要指出，該公式僅適用于TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定的基床級配碎石填料級配，當(dāng)級配發(fā)生改變時(shí)，式( 3 )的適用性將有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)，但該級配為實(shí)際工況中最具有代表性的級配，故針對該級配填料進(jìn)行研究仍具有較大的研究價(jià)值。

3 結(jié)論

本文選取不同細(xì)顆粒含量的級配碎石填料為研究對象，進(jìn)行了一系列不同應(yīng)力狀態(tài)下的大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值及細(xì)顆粒含量對該填料累積塑性應(yīng)變及臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 循環(huán)荷載下，圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值及污染細(xì)顆粒含量對級配碎石填料的累積塑性應(yīng)變演變特征具有顯著影響。其他條件相同時(shí)，圍壓越小，累積塑性應(yīng)變越大；隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加，累積塑性應(yīng)變增大，且細(xì)顆粒含量越大，動(dòng)應(yīng)力幅值對累積塑性應(yīng)變的影響越顯著。隨細(xì)顆粒含量的增加，路基的累積塑性應(yīng)變顯著增大，且細(xì)顆粒對填料變形的影響越顯著，既有線運(yùn)營路基應(yīng)嚴(yán)格控制基床填料的污染程度。

(2) 圍壓及污染細(xì)顆粒含量對填料的臨界動(dòng)應(yīng)力影響較大。隨著圍壓的增加，試樣的臨界動(dòng)應(yīng)力呈非線性增長。隨細(xì)顆粒含量的增加，臨界動(dòng)應(yīng)力呈線性減小。細(xì)顆粒含量由3%增長至10%，臨界動(dòng)應(yīng)力下降18.75%。細(xì)顆粒土侵入基床表層后，將不利于路基的穩(wěn)定。

(3) 結(jié)合3種不同細(xì)顆粒含量級配碎石試樣在不同應(yīng)力狀態(tài)條件下的變形形態(tài)分布情況，提出了考慮圍壓及細(xì)顆粒含量的臨界動(dòng)應(yīng)力計(jì)算公式，并明確了各參數(shù)的物理意義，可根據(jù)該計(jì)算公式對既有線基床級配碎石的污染程度及一定列車荷載作用下的工作狀態(tài)進(jìn)行評估，實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)、不同工點(diǎn)的路基靈活設(shè)計(jì)與病害整治。