土工格柵對(duì)受污道砟直剪特性影響的試驗(yàn)研究

高 睿 ，石知政 ，劉洋澤鵬 ，陳 靜 ，張榮隆

（1. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

道砟層是鐵路軌道的重要組成部分，它通常由20～65 mm 的中粗顆粒組成[1]，具有減小枕木傳遞的荷載、提供橫縱向阻力以及優(yōu)化排水條件等功能[2].在風(fēng)力、雨水等自然條件的作用下，鐵路沿線的揚(yáng)塵砂土等粉塵會(huì)散落在道床上，列車(chē)運(yùn)行時(shí)的荷載會(huì)引起道砟的磨損和下層路基中小土石顆粒的上涌.污染物的沉積會(huì)弱化道砟層的力學(xué)性能，影響鐵路運(yùn)營(yíng)時(shí)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性，因此必須花費(fèi)大量資源對(duì)受污染的道砟進(jìn)行清理和替換[3]，所以研究污染物對(duì)道砟層的影響具有十分重要的工程和經(jīng)濟(jì)意義.

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)受污染道砟做了大量的研究. Akbar 等[4]研究道砟顆粒級(jí)配對(duì)含砂污染物道砟剪切力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)砂臟污會(huì)減小道砟的剪切強(qiáng)度；Kashani 等[5]采用排水三軸試驗(yàn)研究了不同含水率條件下受污染道砟的變形特征；徐旸等[6]對(duì)多種道床臟污評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為道床抗剪性能的下降幅度與臟污程度有關(guān)；高亮等[7]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究黃砂和煤灰臟污對(duì)道砟力學(xué)特性的影響效果，發(fā)現(xiàn)煤灰材質(zhì)所引起的道床臟污對(duì)散體道床剪切力學(xué)性能的削弱作用大于黃砂臟污.

為了控制道砟層的沉降和橫向位移，許多學(xué)者開(kāi)始研究采用土工格柵來(lái)加強(qiáng)道砟層的整體性.Hussaini 等[8-9]通過(guò)對(duì)格柵加固道砟進(jìn)行動(dòng)力循環(huán)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土工格柵可以限制道砟的縱橫向變形；Chen 等[10-11]研究了土工格柵在不同形狀、位置等條件下的加固效果，確定土工格柵相對(duì)于道砟平均粒徑的最優(yōu)孔徑比為1.4；Sweta 等[12]通過(guò)改變道砟直剪試驗(yàn)的剪切速度，發(fā)現(xiàn)剪切速度可以在一定程度上影響土工格柵的加固效果.

現(xiàn)有研究大多僅關(guān)注土工格柵的加固作用或污染物的弱化作用，但是污染物進(jìn)入道砟顆粒骨架空隙中，不僅對(duì)道砟本身的承載機(jī)制產(chǎn)生影響，更會(huì)影響土工格柵對(duì)道砟散體的加固效果. 土工格柵和污染物的綜合作用對(duì)道砟力學(xué)特性的影響規(guī)律尚不明晰，有待進(jìn)一步研究. 因此，本研究利用自行研制的大型直剪儀，在考慮黏土污染的情況下，對(duì)土工格柵加固的道砟進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同污染程度下道砟混合體剪切強(qiáng)度、變形特性等變化規(guī)律，得出了不同污染情況下非線性強(qiáng)度及參數(shù)的擬合曲線，對(duì)受污染道砟維護(hù)和加固具有重要參考.

1 直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的道砟材料是武漢地區(qū)附近未服役的一級(jí)鐵路道砟，母巖為花崗巖. 道砟樣本級(jí)配如圖1 所示，符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2140—2008 中4.3.1 章節(jié)關(guān)于道砟級(jí)配的要求；道砟試樣的平均粒徑d50為42 mm，不均勻系數(shù)Cu為1.59. 試樣中加入的污染物是武漢地區(qū)Q4al+pl黏土，其參數(shù)見(jiàn)表1. 試驗(yàn)中所用的格柵（圖2 所示）為實(shí)際工程中常用到的雙向土工格柵，其參數(shù)見(jiàn)表2.

圖1 道砟試樣級(jí)配Fig. 1 Particle size distribution of ballast samples

表1 試驗(yàn)材料參數(shù)表Tab. 1 Physical properties of test materials

圖2 試驗(yàn)土工格柵Fig. 2 Diagram of geogrid used in the experiment

表2 土工格柵參數(shù)表Tab. 2 Physical and technical properties of geogrid

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究根據(jù)道砟特點(diǎn)，結(jié)合以往學(xué)者[13-15]的研究，采用自行研制的大型直剪儀，直剪儀的布置如圖3. 剪切盒由固定的600 mm × 600 mm × 250 mm的上剪切盒和可移動(dòng)的700 mm × 600 mm × 250 mm的下剪切盒組成，其尺寸約為道砟最大粒徑的9 倍，可以忽略尺寸效應(yīng)的影響[16]. 法向壓力由固定于反力架橫梁上法向的15 t 高精度千斤頂提供，水平剪切力由抵在底座反力板上同型號(hào)水平向的千斤頂提供. 千斤頂通過(guò)與其相連的液壓伺服控制設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)控壓力，以保證法向壓力穩(wěn)定和水平向的勻速加載. 在千斤頂頂頭底部安裝壓力傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄法向壓力和水平剪切力；同時(shí)，由連接在靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上的法向位移傳感器和水平位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄法向位移和水平位移.

圖3 試驗(yàn)裝置Fig. 3 Diagram of direct shear test apparatus

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

為研究不同污染程度對(duì)土工格柵加固道砟的影響，試樣中要摻入不同量的黏土污染物，所選用的污染指標(biāo)為Indraratna 等[17]提出的VCI （void contamination index,VVCI）：

式中：ef為污染物的孔隙率；eb為道砟的孔隙率；Gs,b為道砟的比重；Gs,f為污染物的比重；Mf為污染物的干質(zhì)量；Mb為道砟的干質(zhì)量.

本次試驗(yàn)分別對(duì)表3 所示試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn).

表3 試驗(yàn)方案Tab. 3 Experiment schemes

試驗(yàn)前，對(duì)道砟材料進(jìn)行清洗、曬干、篩分. 在配制試樣時(shí)，根據(jù)VCI 指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果稱取相應(yīng)質(zhì)量的道砟和黏土進(jìn)行混合，控制道砟級(jí)配和所有試樣的總質(zhì)量保持一致. 將混合均勻的材料分4 層裝入剪切盒中，每層裝填完成后，振動(dòng)夯實(shí)至相同指定高度，使試樣密實(shí)并保證試樣初始狀態(tài)的一致性. 在裝填至上下剪切盒之間時(shí)，鋪設(shè)雙向土工格柵，格柵掛在固定于下剪切盒上的螺紋鋼筋上來(lái)模擬非位移邊界[18]. 整個(gè)試樣裝填完成后，用約100 kPa 的法向壓力進(jìn)行預(yù)壓約1 min. 試驗(yàn)開(kāi)始后，先對(duì)試樣施加法向壓力，待法向壓力穩(wěn)定后，進(jìn)行水平向加載，使下剪切盒保持3 mm/min 的剪切速度. 當(dāng)下剪切盒達(dá)到60 mm 的剪切位移（即樣本10%的剪切應(yīng)變）時(shí)停止加載，加載過(guò)程中每達(dá)到1.5 mm 的水平位移做記錄點(diǎn)，記錄法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和法向位移等數(shù)據(jù).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

所有道砟試樣直剪得到的剪切強(qiáng)度與水平位移關(guān)系曲線如圖4 所示，各曲線峰值剪切強(qiáng)度如表4，圖中：σn為法向壓力. 對(duì)比未加土工格柵不同污染程度下的剪切結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在4 種法向壓力下，道砟試樣的剪切強(qiáng)度峰值都隨污染程度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；且在相同法向壓力下，VCI 大的試樣剪切強(qiáng)度上升趨勢(shì)更為平緩，說(shuō)明黏土污染不利于道砟試樣剪切強(qiáng)度的形成. 其原因是試樣的剪切強(qiáng)度主要來(lái)源于道砟顆粒間的咬合力和摩擦力，而黏土污染物填充了道砟顆粒之間的空隙，起到了對(duì)道砟顆粒的潤(rùn)滑作用，減少了道砟顆粒的咬合，從而降低了試樣的剪切強(qiáng)度. 在各污染程度下，土工格柵加固均可有效增大道砟試樣的剪切強(qiáng)度. 1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)試樣在4 種法向壓力下的平均峰值剪切強(qiáng)度分別比4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)試樣提高了17%，24%和22%. 對(duì)比1 號(hào)試樣與2 號(hào)試樣、4 號(hào)試樣與5 號(hào)試樣的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黏土污染使未鋪設(shè)土工格柵試樣的峰值剪切強(qiáng)度下降了13%，而采用了土工格柵加固的試樣的峰值剪切強(qiáng)度只下降了8%. 說(shuō)明土工格柵可以減小黏土污染物對(duì)道砟試樣剪切強(qiáng)度的削弱作用. 原因是土工格柵的肋與節(jié)點(diǎn)可以限制道砟的移動(dòng)，提供類(lèi)似道砟顆粒間咬合的作用，減弱由于黏土顆粒填充孔隙對(duì)道砟顆粒咬合及摩擦帶來(lái)的不利影響，從而增加了試樣的剪切強(qiáng)度.

表4 峰值剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)Tab. 4 Results of peak shear stress

圖4 剪切強(qiáng)度與水平位移關(guān)系曲線Fig. 4 Shear stress-shear displacement curves of ballast samples

2.2 剪切強(qiáng)度特征

由于道砟散體的特性，線性的摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則不能很好的表征出試樣剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律[16].因此本文采用Indraratna 等[19]提出的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)道砟強(qiáng)度進(jìn)行分析，如式（2）.

式中：τp為試樣的最大剪切強(qiáng)度；σc為道砟母巖的單軸抗壓強(qiáng)度；a、b為無(wú)量綱的擬合參數(shù)，后文分為有格柵（a1、b1）和無(wú)格柵（a2、b2）兩種.

對(duì)表4 中數(shù)據(jù)采用式（2）擬合，結(jié)果如圖5所示（σc=130 MPa）. 可以看出：隨著污染程度的增加，道砟剪切強(qiáng)度包絡(luò)線向下移動(dòng)，道砟剪切強(qiáng)度降低.

從圖5 的擬合結(jié)果可以看出：擬合參數(shù)a、b隨污染程度的改變而變化，且在試驗(yàn)涉及的污染范圍內(nèi)（VCI = 0～40%）與VCI 有較高的相關(guān)性. 采用指數(shù)函數(shù)對(duì)參數(shù)a、b與VCI 進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6 所示. 參數(shù)a、b增加會(huì)降低試樣的峰值剪切強(qiáng)度，從圖6 中可以看到：與無(wú)污染試樣相比，添加黏土污染試樣的參數(shù)均會(huì)增大，并且參數(shù)增加的速率隨著VCI 的增加而逐漸增大，從而說(shuō)明污染物含量VCI的增加對(duì)道砟試樣剪切強(qiáng)度形成的不利影響是逐漸加劇的. 根據(jù)圖6 的擬合結(jié)果，在實(shí)際工程中，可以通過(guò)對(duì)VCI 的測(cè)量，對(duì)道砟的剪切強(qiáng)度做出初步的估計(jì)，對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考意義. 例如，將通過(guò)圖6 擬合公式計(jì)算出的有格柵擬合參數(shù)a1、b1代入式（2）中，利用得到的強(qiáng)度包絡(luò)線與潔凈道砟的強(qiáng)度包絡(luò)線進(jìn)行對(duì)比，可以判斷土工格柵的加固效果.而在VCI 大于40%時(shí)，試樣內(nèi)黏土的含量較多，試樣峰值剪切強(qiáng)度下降較大，此時(shí)道砟層需要維護(hù)更新，不再具有應(yīng)用的價(jià)值.

圖5 不同污染程度下道砟強(qiáng)度包絡(luò)圖Fig. 5 Strength envelops of ballast at different VCIs

圖6 非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)擬合曲線Fig. 6 Fitting curves by nonlinear failure criterion

2.3 剪切變形特征

圖7 顯示了試樣剪切位移和法向位移之間的關(guān)系曲線，可以看出不同VVCI條件下，所有試樣都是先剪縮后剪脹，符合密實(shí)材料變形的典型特征. 通常認(rèn)為最大剪脹量小的試樣，顆粒間的咬合更加緊密，更有利于剪切強(qiáng)度的形成. 從圖中可以觀察到：相較未鋪設(shè)土工格柵時(shí)的結(jié)果，土工格柵的加固作用可以減小試樣的最大剪脹量，這和以往學(xué)者的研究相同[20-21]，并且本文在2 號(hào)試驗(yàn)時(shí)，抑制剪脹的平均效果達(dá)到了26.6%，此時(shí)土工格柵的加固效果最明顯.然而也可以觀察到，如在75 kPa 法向壓力下，5 號(hào)和6 號(hào)的最大剪脹量相較于4 號(hào)，分別下降了40%和54%，即黏土污染會(huì)減少試樣的最大剪脹量，而且VVCI越大，試樣剪縮時(shí)間持續(xù)得越長(zhǎng)，剪脹量減小得越明顯. 但是根據(jù)周躍峰等[22]的研究，該剪脹量的減小是由于填充于道砟顆粒間的欠密實(shí)黏土的剪縮引起的，對(duì)道砟的剪切強(qiáng)度并沒(méi)有提升作用. 相反，根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究[7,18]，占據(jù)了道砟空隙的黏土顆粒會(huì)減少道砟重新排列的空間，不利于道砟重新排列形成相互咬合，這也可以由前文黏土污染降低試樣剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行印證.

圖7 法向位移與水平位移關(guān)系曲線Fig. 7 Vertical displacement versus horizontal displacement curves

峰值剪脹角是水平位移和法向位移曲線中最大斜率與水平線的夾角，反映了材料剪切變形的特點(diǎn).圖8 為不同法向壓力下，試樣的剪脹角隨著污染指標(biāo)變化的關(guān)系圖. 從圖中可以看出：隨著VVCI的增加，所有法向壓力下試樣峰值剪脹角都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)試樣的峰值剪脹角比4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)試樣約小0.7°～3.7°，說(shuō)明土工格柵可以限制道砟顆粒和污染物的移動(dòng)，起到了抑制試樣剪脹的作用.

圖8 峰值剪脹角與污染程度關(guān)系Fig. 8 Relationship between the peak friction angle and VCI under various normal stress

3 結(jié) 論

本文利用自主研發(fā)的大型直剪儀，采用黏土作為污染物，對(duì)不同VVCI的污染指標(biāo)、不同格柵加固狀態(tài)下的道砟試樣進(jìn)行了一系列的直剪試驗(yàn). 分析了直剪條件下，污染物及土工格柵相互作用對(duì)道砟體強(qiáng)度及變形的影響，得出以下結(jié)論：

1） 隨著黏土污染物含量的增加，道砟體的峰值剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，剪切強(qiáng)度曲線上升趨勢(shì)更加平緩，削弱了道砟層的剪切力學(xué)性能.

2） 在相同污染程度下，土工格柵加固可以增大試樣的峰值剪切強(qiáng)度，減小試樣的最大剪脹量和約0.7°～3.7° 的峰值剪脹角；不同污染程度下，土工格柵的加固效果不同，本研究中在VVCI為20%條件下，格柵加固的效果最為明顯.

3） 采用土工格柵加固和未用土工格柵的道砟剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出典型的非線性，土工格柵會(huì)影響非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則中的無(wú)量綱參數(shù). 在VVCI為0～40%時(shí)，污染指標(biāo)和無(wú)量綱參數(shù)具有較高的相關(guān)性.可以利用該相關(guān)性，通過(guò)對(duì)污染指標(biāo)測(cè)量，預(yù)估道床的峰值剪切強(qiáng)度，對(duì)實(shí)際工程中受污染道砟的維護(hù)工作具有一定的參考意義.