基于鐵路基膨脹土動力特性試驗分析

謝偉君

【摘要】以地鐵車部膨脹土為研究對象，通過結合鐵路路基的受力狀態、徑向動應力幅值及含水量等因素對地鐵路基膨脹土動力特性進行了試驗研究。試驗結果說明：不同含水率膨脹土會受到含水率的影響；以及隨著徑向動應力水平的提高，動彈模量的衰減幅度不斷增大；土體的阻尼比隨含水量的降低而減小，隨圍壓的增加而減小。

【關鍵詞】 膨脹土；動力特性；動彈模量；阻尼比

1 試驗方法與試驗過程

1.1 試驗儀器

本項目對膨脹土試驗時，采用用動全自動雙向激振三軸試驗系統，主要由主機、測量傳感器、加載系統和采集系統組成，同時在水平和軸向施加不同的動荷載，動荷載形式包括不規則波型和正弦波型的有規則波型。一般而言，正弦波荷載試驗的結果雖然比較保守，但從方便與實用的角度來看，在土動力學研究中得到了廣泛的應用。

1.2 土樣試驗

試驗中所使用的膨脹土是弱膨脹土，呈褐黃色，硬塑態，物性控制指標見表1。

表1

1.3 土樣制備

膨脹土含水量為 15.5%，最大干密度為1.77g/cm3。根據《鐵路路基設計規范》中規定要求，鐵路黏土路基壓實度為95%，確定制樣控制指標，如表2所示。

表2

試驗試樣采用 50mm×100mm的圓柱狀，其制備按照表2中控制試樣的制樣重量和含水率，將配備好的預定含水量重塑膨脹土分5層倒入厚壁鋼模具中，并進行撫平，同時采用千斤頂靜壓法靜壓成型，試樣要確保均勻壓實。最后采用保鮮膜包裹好每個試樣并用封裝袋密封，以保持其含水率。在進行試驗時，在恒溫恒濕箱中采用吸濕的方法以滿足含水率要求。

1.4 試驗方案

由于影響土的動力特性試驗的因素眾多，因此本次試驗在雙向循環振動的作用下，主要考慮到豎向動應力幅值、徑向動應力幅值、固結圍壓以及飽和度等影響因素。

在進行豎向動應力幅值選取時，需要按照 《鐵道構造物等設計標準》 規定要求：基床面的動應力≤100kPa，因此試驗最大豎向動應力取為100kPa，并且為了防止振動過程中試樣帽與土樣發生脫離，要確保動應力大小應小于豎向固結應力。

在曲線軌道上列車行駛產生的橫向振動一般小于豎向動荷載。按照鐵路規范對曲線軌道的超高、軌道半徑運行速度、路基填筑等方面的規定，并考慮到在路基中橫向循環動應力的衰減，其橫向動應力在試驗中分別取 10kPa、20kPa 和30kPa。

通常而言，三軸試驗中圍壓最大值應不小于土體承受的最大有效應力，最小值應大于土層覆蓋層壓力。出于路基上鋪軌道結構產生的靜荷載考慮，試驗中圍壓分別取50kPa、75kPa、 100kPa、200kPa。

膨脹土的最優含水量為15.5%，結合實際工況，試驗前所選取土樣初始含水率分別為17.0%、20.9% 與 21.9% （飽和含水率）。

試驗采用應力控制加載方式，選取正弦波，雙向激振，逐級施加動荷載。由于圍壓室水壓要確保穩定的預設值，能常需要5次左右的振動調節過程，因此以循環5次后采集的數據為基礎，每級動應力振動設為 13 次，分8級加載。同時，要確保試樣有明顯的動應變，初始豎向動應力徑向動應力差應大于 10kPa。這樣不僅可以避免試樣因個體差異而引起的試驗結果錯誤，而且可以節省試驗時間和工作量。

對每個試樣施加最后一級動荷載過程中，需要增加荷載的振動次數，以探討振動次數對膨脹土動模量的影響。因儀器功能不足問題，試驗采用同相位雙向振動三軸試驗，記錄試樣的軸向動應變。排水方式采用固結不排水，試驗方案見表3。

2 試驗結果與分析

2.1 圍壓對動力特性的影響

各初始含水率土在不同圍壓下的動應力-應變曲線見圖1。

圖1

根據圖1分析得知，試驗中土樣的固結比為1.2，頻率2Hz，徑向動應力為20kPa。由圖可以發現，土動應力-應變關系曲線符合雙曲線變化規律；同一初始含水率下，土動應力-應變曲線切線斜率隨固結圍壓增大而增加，對應同一動應力，動應變隨圍壓的增大而減 小。動彈模量隨固結圍壓的增大而增加是土壓硬性的表現，符合土的一般特性。

各初始含水率土體在不同圍壓下的動彈模量Ed與動應變εd關系曲線見圖2。

圖2

由圖2可以看出，各初始含水率中土的動彈性模量隨動應變增大基本呈線性衰減。

2.2 徑向動應力幅值對動力特性的影響

動彈模量Ed 隨動應變εd的變化曲線見圖3。

圖3

根據圖3分析得知，徑向動應力對動彈模量影響較大。在相同條件下，隨著徑向動應力的減小，Ed-εd 關系曲線隨著徑向動應力水平的提高，動彈模量的衰減幅度斷增大。從中可以發現，雖然同相位雙向振動提高了土的動彈模量，但其模量的衰減幅度比單向振動更大。

2.3 含水量對動力特性的影響

由圖1可以看出，隨著含水率的減小，動應力-應變關系曲線在相同圍壓和動應力作用下的土樣，其動應變隨著含水量的減小而減小，這是由于含水量的減小，土體強度增加，從而在相同應力狀態下動變形減小。

由圖2可以看出，膨脹土隨著含水量的減小而抗動荷載的能力不斷增強。但是從另一個側面也說明了膨脹土水穩性較差，浸水后重塑膨脹土抗荷載能力降低較為顯著。同時，隨含水量的降低，土體阻尼比逐漸減小，這主要是在含水量的減小的情況下，增強了土體間的膠結作用，使得顆粒間更加緊密，減少了顆粒間傳遞的消耗量。

3 結論

綜上所述，根據地鐵路基膨脹土動力特性試驗分析，得到了以下幾個方面的結論：

（1）膨脹土的動應力-應變關系曲線呈雙曲線型，隨著固結圍壓和含水量的增大動應力應變曲線動應變隨固結圍壓和含水量的減小而減小，隨徑向動應力的減小而增大，這是由同相位試驗條件引起的。

（2）同一條件下土的動彈模量隨圍壓的增高而增大，隨含水量的增大而減小，而動彈模量在雙向振動中隨徑向動應力水平的提高，動彈模量的衰減幅度不斷增大，這是由于土體結構在較大徑向動應力時產生了更大的疲勞損傷，這與前人的結果有所差異。

（3）振動次數對膨脹土動力特性的影響較大，動彈模量隨振動次數的增大而逐漸減小，當振動次數達到一定量后，其衰減幅度放緩，并達到了一個穩定值。

參考文獻

[1]白灝.固結比對石灰土動力特性的影響試驗研究.巖土力學，2009，30（6）.

[2]齊劍鋒.飽和黏土動剪切模量與阻尼比的試驗研究.巖土工程學報，2008，30（4）.