石灰改良下蜀黏土作為高速鐵路路堤填料的動力特性試驗研究

趙新益

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

石灰改良下蜀黏土作為高速鐵路路堤填料的動力特性試驗研究

趙新益

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

高速鐵路對路基填料的工程性質特別是基床結構填料的動力學特性提出了很高的要求。通過室內動三軸試驗及現場激振試驗,對石灰改良下蜀黏土作為填料的動力特性進行系統的研究,對其作為高速鐵路基床底層填料的可行性進行評價。研究結果表明:下蜀黏土經石灰改良后,具有較高的臨界動應力值,動載作用下彈性變形及塑性變形較小,滿足高速鐵路基床底層填料要求。石灰改良下蜀黏土力學特性受相關因素影響,應用過程中,應注意對含水率、壓實系數等進行合理控制。

高速鐵路;石灰改良下蜀黏土;路堤填料;動力特性

1 概述

高速鐵路要求軌道基礎必須具有足夠的剛度、穩定性和耐久性,這就對路基填料的工程性質特別是基床結構填料的動力學特性提出了很高的要求。當填料性質不能滿足相關標準時,可進行物理或化學改良[1～7]。本文通過石灰改良下蜀黏土的室內動三軸試驗、現場激振試驗,對其作為填料的動力特性進行系統的研究。

2 試驗方案

2.1 室內動三軸試驗

由于土的動力本構關系比較復雜,目前土的動力學特性研究一般仍采用直接試驗分析的方法。為了取得對比試驗結果,對比進行了石灰改良下蜀黏土的室內靜三軸試驗。

(1)試樣制備

試樣制備考慮了石灰摻入比、壓實系數K、含水率、干濕循環、浸水等因素對改良土工程特性的影響,齡期取為28d。試驗前將制備好的試件(摻灰量采用最佳摻灰比5%[1])放入密封罐中養護25d,浸水3d后進行試驗;干濕循環試驗先按要求失水,然后再浸水飽和。試驗用下蜀黏土來自鎮江,石灰產自浙江湖州,為Ⅲ級石灰,試驗前充分消解。試樣的相關試驗參數見表1。

表1 試樣的試驗參數

(2)靜應力狀態

受荷土體往往是在一定靜應力作用下承受動荷載作用的。結合高速鐵路基床結構特點,對試件施加等向固結壓力 σ3=20kPa,軸向靜偏應力 σ1-σ3=15 kPa,土樣固結后進行試驗。

(3)破壞準則

靜三軸試驗采用應變控制式三軸儀,破壞標準采用主應力出現峰值為破壞點;無峰值時,采用“應變破壞標準”,將破壞應變定為軸向彈性應變與塑性應變之和為15%。

動三軸試驗采用微機控制電磁式單向激振三軸儀,破壞標準采用“應變破壞標準”,將破壞應變定為累積塑性應變為2.5%。

2.2 現場激振試驗

現場試驗在高速鐵路正線路基上進行,采用激振試驗機模擬高速列車動荷載,通過預先埋設在路基中的傳感器,測試路基的動應力、彈性變形、塑性變形等。路基基床表層按規范要求采用0.7m厚級配碎石[8],基床底層采用2.3m石灰改良下蜀黏土,基床以下采用碎石土。激振試驗測試元件布置如圖1所示。

為模擬了實際鐵路的運營情況,動載水平采用0～80kPa,動載頻率10～20Hz,激振次數不少于一個維修周期的過載次數(150萬～200萬)。

3 試驗結果分析

圖1 激振試驗測試元件布置(單位:cm)

3.1 室內靜三軸試驗

表2為石灰改良下蜀黏土靜三軸壓縮試驗結果。

表2 靜三軸試驗壓縮強度

試驗結果表明,土樣的破壞表現為脆性破壞,破壞時土樣的應變值很小,最大的應變值不超過3%,遠小于一般規定的破壞標準15%。

相對而言,含水率最優、壓實系數達到1.0時的試件的靜壓縮強度最大;在壓實系數相同時,含水率大于最優含水率2%的試件的靜壓縮強度最小;含水率小于最優含水率2%的試件的靜壓縮強度最大;干濕循環對石灰改良下蜀黏土的強度影響則不明顯。

圍壓對石灰改良下蜀黏土的強度影響明顯,圍壓增大時,強度相應增加,對應破壞應變也加大。

3.2 室內動三軸試驗

圖2為石灰改良下蜀黏土在不同動應力水平下塑性應變隨振次的變化曲線。

圖2 塑性應變隨振次的變化曲線

隨著動應力水平的不同,土體變形與振次之間的關系有3種類型:①衰減型:動應力水平較小時,隨著振次增加,試樣逐漸壓密,應變增量逐漸減小;最后變形趨于穩定。②破壞型:動應力水平較高時,塑性應變隨振次非線性增加,最后變形過大而破壞。③臨界型:隨著振次增加,變形既不趨于穩定,也不迅速發展破壞,土體處于穩定與破壞的臨界狀態,施加的動應力為臨界動應力。

從圖2可以看出,試件Ⅰ、Ⅴ在動應力為300kPa以內時,塑性應變隨振次的變化曲線為衰減型,動應力為500、600kPa的塑性應變曲線在加載后期并沒出現衰減現象,可以認為為臨界型,即臨界動應力值為500kPa左右。試件Ⅱ在動應力為400kPa時,塑性應變曲線即出現臨界狀態,可以認為試件Ⅱ的臨界動應力值為400kPa。試件Ⅲ、Ⅳ在施加的動應力范圍內,試件的塑性變形在加載初期增加較快,隨著加載次數增加,應變增量逐漸減小,最后變形趨于穩定,可見,所加的動應力均未達到臨界動應力值,即該兩試件的臨界動應力值均大于600kPa。總體而言,不同條件下的石灰改良下蜀黏土試樣的臨界動應力都大于300kPa,具有較高的動強度。

試驗結果還表明,相同振次條件下,各試樣的變形都隨動應力增加而增加,特別是累積塑性變形增加明顯。當動應力小于臨界動應力時,隨著振次的增加,試樣出現強化現象,累積塑性應變漸趨于穩定,其值在0.49%～0.8%。

圖3為石灰改良下蜀黏土彈性應變與動應力的關系曲線。

圖3 彈性應變與動應力的關系曲線

各試樣彈性變形值都隨動應力水平增加而增加,而同一應力水平下,彈性變形值基本穩定,受振次影響不大。在施加的動應力不大于600kPa時,試件的彈性應變值基本上在0.05%～0.12%。

表3為石灰改良下蜀黏土動三軸試驗結果參數匯總。

從表3可看出,相關因素對石灰改良下蜀黏土力學特性影響明顯。其中含水率對動力特性指標影響較大,相同壓實系數條件下,隨著含水率增加,臨界動應力減小;而從圖3可看出,相同動應力水平時變形也相應增加,特別是累積塑性應變增加幅度較大。顯然,從動力特性角度,石灰改良下蜀黏土的壓實含水率控制在不大于最佳含水率時是有利的。

表3 石灰改良下蜀黏土三軸試驗結果

壓實系數對石灰改良下蜀黏土力學特性也有影響,隨著壓實系數增加,試樣的臨界動應力增加;而干濕循環對動力特性的影響則不明顯。

3.3 現場激振試驗

圖4為動應力在基床中的傳遞衰減系數曲線,動應力水平沿深度衰減明顯,在基床底層頂部衰減系數為0.4,基床底層底部衰減系數為0.123,考慮高速列車速度達300km/h及以上時,路基表層動應力值約為100kPa[8],則基床底層表面動應力水平在 40kPa左右。

圖4 動應力在基床中的衰減系數曲線

圖5為路基彈性變形隨振次變化曲線,圖6為路基塑性變形隨振次變化曲線。

圖5 路基彈性變形曲線

在前50萬次加載過程中,動應力水平為50kPa,基床表層的彈性應變最大不超過0.015%,彈性應變水平較低,基床各層的塑性變形增長很小,總的累積變形量為0.14mm。在50萬次至150萬次時,動應力水平達到75kPa,基床表層的彈性應變最大達0.04%,基床底層的彈性應變最大值不超過0.01%,基床總的累積塑性變形達1.17mm,主要塑性變形部分為基床表層。150萬次～200萬次,路基的動應力水平增加到75kPa,基床表層的彈性應變達到0.05%,基床底層的彈性應變也增大到0.015%,基床總的累積塑性變形達到2.17mm,塑性變形仍主要發生在基床表層,由石灰改良下蜀黏土填筑的基床底層塑性變形仍處于較低水平。

圖6 路基各層塑性變形曲線

4 結語

(1)石灰改良下蜀黏土具有較高的動力學強度,遠大于高速鐵路基床底層實際動應力水平。

(2)石灰改良下蜀黏土在動載作用下彈性變形及塑性變形較小,動力學特性優良,滿足高速鐵路基床底層要求。

(3)壓實系數、含水率等對石灰改良下蜀黏土的工程特性有明顯影響,工程應用中應加強控制。

[1] 李時亮,等.路堤填料工程性質和填筑施工工藝及質量檢驗方法研究報告[R].武漢:鐵道第四勘察設計院集團有限公司,2005.

[2] 倪軍,等.高速鐵路路基改良填料的工程特性試驗研究[J].石家莊鐵道學院學報,2000,14(14):11 -13.

[3] 楊廣慶,管振祥.高速鐵路路基改良填料的試驗研究[J].巖土工程學報,2001,23(6):682 -685.

[4] 蘇中華.石灰改良土在高鐵建設工程中的應用[J].石家莊鐵路職業技術學院學報,2011,10(4):37 -40.

[5] 周援衡,等.全風化花崗巖改良土高速鐵路路基填料的適宜性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(3):625 -634.

[6] 王天亮,等.凍融作用下水泥及石灰改良土靜力學特性研究[J].巖土力學,2011,32(1):193 -198.

[7] 趙青海,等.高速鐵路石灰改良路基填料試驗研究[J].鐵道科學與工程學報,2005,2(6):53 -57.

[8] TB10621—2009,高速鐵路設計規范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

Experimental Study on the Dynamic Properties of Lime-Improved Xiashu Loess Utilized as High-speed Railway Embankment Filler

ZHAO Xin-yi
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China)

In high-speed railway, there are strict and high demands on engineering properties of subgrade filler, especially dynamic characteristics of subgrade bed structure filler. Based on laboratory dynamic triaxial test and field forced vibration test, the dynamic properties of lime-improved Xiashu loess were systematically researched and the feasibility as the foundation bed filler of high-speed railway was evaluated in this paper. The results show that, the lime-improved Xiashu loess has a higher critical dynamic stress value and the elastic and plastic deformation are smaller under the action of the dynamic load, so it meets the demands of foundation bed filler of high-speed railway. However, the mechanical properties of the lime-improved Xiashu loess are affected by related factors, so its water content and compacting factor should be controlled reasonably in its application.

high-speed railway; lime-improved Xiashu loess; embankment filler; dynamic properties

U238;U213.1

A

1004 -2954(2012)11 -0001 -03

2012-07-11

趙新益(1964—),男,教授級高級工程師。