振動荷載作用下重載鐵路路基粗顆粒土填料臨界動應力試驗研究

第一作者冷伍明男，教授，博士生導師，1964年生

振動荷載作用下重載鐵路路基粗顆粒土填料臨界動應力試驗研究

冷伍明，劉文劼，周文權

(中南大學土木工程學院， 長沙410075)

摘要：由于重載鐵路路基表層為粗顆粒土填料，直接承受軌道結構傳遞的列車動載往復作用，其臨界動應力會影響累積變形，利用自行開發的動三軸試驗系統進行不同圍壓、動應力幅值、含水率條件下粗顆粒土填料的持續振動試驗，獲得粗顆粒土累積動應變與振次關系曲線，并分析圍壓、含水率對累積動應變增長影響；在獲得不同含水率條件下粗顆粒土的臨界動應力比線基礎上提出計算臨界動應力經驗公式。

關鍵詞：重載鐵路；粗顆粒土；動三軸試驗；累積動應變；臨界動應力

基金項目：國家自然科學基金重點項目(U1361204)；國家自然科學

收稿日期：2014-08-20修改稿收到日期：2014-11-13

中圖分類號:U214175文獻標志碼：A

Testing research on critical cyclical stress of coarse-grained soil filling in heavy haul railway subgrade

LENGWu-ming,LIUWen-jie,ZHOUWen-quan(School of Civil Engineering Central South University，Changsha 410075, China)

Abstract:The surface layer of heavy haul railway subgrade is mainly composed of coarse-grained soil (CGS).The accumulative deformation characteristic of CGS is a very important issue because the CGS directly supports the cyclical train loading transfered by upper structure. Previous researches reveal that critical cyclical stress ratio (CCSR) is a significant factor of accumulative deformation characteristic. By using a self-developed dynamic triaxial testing system, some sustained vibration tests were carried out on CGS with different confining pressures, dynamic stress amplitudes and water contents. Some curves of accumulative dynamic strain versus vibration times were obtained by the tests. The influences of confining pressure and water content on the increase of accumulative dynamic strain were discussed. Furthermore, the CCSR lines of CGS with different water contents were acquired. Finally, an empirical formula for calculating the critical cyclical stress was put forward.

Key words:heavy haul railway; coarse-grained soil; dynamic triaxial test; accumulative dynamic strain; critical cyclical stress

隨對重載軌道交通的重視，長期動力循環荷載作用下重載鐵路路基土體的累積變形規律頗受工程、學術界關注。列車運行對路基產生的荷載可簡化為循環荷載，其對路基表層粗顆粒土填料影響最明顯。由于重載列車的動力效應較大，粗顆粒土在列車循環動荷載長期作用下，除產生彈性變形亦產生塑性累積變形，若動應力過大或排水不暢累積變形會迅速增加，使路基產生較大附加沉降，甚至會導致失穩破壞。眾多研究表明，列車產生的動應力與土體臨界動應力間大小關系影響累積動變形的增長特點。確定路基粗顆粒土在某工作狀態下的臨界動應力對預測路基沉降具有重要意義[1-3]。

目前對土體臨界動應力試驗研究已取得一定成果，Seed等[4-6]通過動三軸試驗研究頻率、應力歷史、壓實度、圍壓等因素對土體產生的破壞影響；Heath等[7]對倫敦粘土進行動三軸疲勞試驗，獲得累積應變及荷載作用次數關系曲線，認為不同動應力作用下該曲線可分為兩組不同走向，一組變形逐漸發展直到破壞，另一組變形速率逐漸緩慢最后達到穩定狀態彈性條件，土體存在動應力臨界值。蔡英等[8]提出將土體所受動應力與其臨界動應力之比定義為動應力水平，并將不同動應力水平下的累積動應變增長曲線劃分為破壞型、衰減型及臨界型；焦貴德等[9]研究頻率對凍土臨界動應力影響，獲得臨界動應力隨動荷載頻率增大而減小的結論；唐益群等[10]研究土體固結對臨界動應力影響，認為固結偏應力越大土體的臨界動應力越大；孫明智[11]通過試驗發現干濕循環作用會降低土體的臨界動應力；劉增榮等[12]研究地鐵列車荷載下飽和黃土與濕型黃土的臨界動應力比范圍，并用Langmuir及Freundlich函數對穩定型、破壞型黃土變形發展進行回歸分析。

以上對動荷載下土體臨界動應力的試驗研究大多針對細顆粒土，而對粗顆粒土的研究較少；此外，現有對臨界動應力研究多處于定性分析階段，未提出定量表達式。為此，本文進行不同圍壓、動應力幅值、含水率條件下重載鐵路路基粗顆粒土的大型動三軸試驗，研究不同條件下土體累積動應變增長規律，分析圍壓、含水率對臨界動應力影響，并在此基礎上提出計算該類填料臨界動應力的經驗公式。

1試驗儀器

鐵路路基粗顆粒土填料深度一般在3.0 m以內，實際側壓較低，大型動三軸儀難以模擬低圍壓下粗粒土的實際受力環境。而國產大型動三軸試驗較難勝任長時間循環荷載試驗，且應力控制精度不理想，不能滿足試驗要求。為此本文設計并開發基于現有MTS與普通三軸圍壓室、可進行長時間振動及精準控制的大型動三軸持續振動試驗系統，見圖1，該系統主要包括MTS動力作用系統及控制系統、剛性反力架、大型圍壓室、導軌及支撐系統、真空及飽和系統、加水排水管路、變形測量系統、孔隙水壓測試系統。篇幅有限，各部件間的連接此處不詳述。

圖1　大型動三軸試驗系統全貌 Fig.1 Complete picture of the large-scale dynamic triaxial testing system

考慮施加動力范圍及精度，本試驗用MTS系統中100 kN動態疲勞級作動器為動力來源，動力施加由數字系統控制，采用多水泵冷卻系統保證長時間持續振動，據經驗振動次數可達數十萬次，作動器施加的動應力先行標定，使其長時間振動條件下動應力控制精度能維持在約0.1 kPa，因而能充分滿足本試驗要求。試驗用壓力室為YS30-3A靜三軸壓力室，所需圍壓由一定水頭高度的圍壓水箱提供，可通過調整水箱高程滿足不同圍壓要求。需指出的是，因試樣高60 cm，頂、底部水壓相對差值約6 kPa，施加圍壓時統一取試樣中部處側向液壓作為圍壓的控制標準(頂、底部水壓相對差值較大，其影響需進一步探索)。圍壓系統連接水壓力表對圍壓值進行實時監測，每次振動中圍壓波動幅值<0.3 kPa，基本可忽略。軸向位移可通過MTS機自動記錄亦可通過安裝在試樣頂端的電子位移測量儀測量，并通過轉換箱引入計算機實時監測、自動記錄，測量精度為0.01 mm。

2試驗過程

2.1試驗用土

試驗用土由河砂、圓礫石、粘土組成，按50:50: 14.63比例進行配比確保試驗用土的級配能滿足規范[13]中關于A類土填料要求，試驗用土的基本物理性質見表1，其有效抗剪強度參數源于對該類粗顆粒土的大型靜三軸試驗。試驗用土級配曲線及軸向荷載施加方法見圖2。

圖2　試驗用土級配曲線圖 Fig.2 Particle size distribution curve

最大干密度ρdmax/(g·cm-3)飽和含水率wsat/%不均勻系數Cu曲率系數Cc有效抗剪強度參數(飽和)φ'/(°)c'/kPa2.219.3801.253769

2.2試驗方案

由于實際路基填料介于完全排水條件與完全不排水條件之間，而不排水條件下路基破壞的可能性更大。故考慮安全性本試驗采用不排水方式。試樣用各向等壓固結方式，定義動應力比CSR為

(1)

表2　試驗參數

*表示含水率為7.5%

據鐵路規程[14]，將散狀土制成壓實系數0.97的圓柱體試樣(高600 mm，直徑300 mm)，基本符合重載鐵路路基表層壓實標準。飽和試樣先進行約2 h抽真空，采用水頭飽和方法達到飽和狀態(孔隙水壓力系數B>95%)，飽和土含水率經測定為9.3%。非飽和土含水率則由對散狀土加入一定水量進行控制，經測定，在加動荷載前含水率相對變化在3%以內。固結過程中使等向圍壓作用于試樣，當孔隙水壓力<1 kPa時結束。為簡單模擬道砟、軌枕及鋼軌對路基產生的靜壓力，施加動荷載前先向試樣施加軸向靜偏應力(最小偏應力)qcyc,min=15kPa。由于列車運行對路基主要產生低頻效應[15]，因此正弦動荷載頻率設為1Hz以模擬速度50km/h的重載列車對路基產生的荷載主頻。軸向荷載施加方法見圖3。

圖3　軸向荷載施加方法 Fig.3 The exerting method of axial loading

3試驗結果及分析

土體在不排水動三軸試驗會發生破壞或維持動力穩定，通常采取一定標準對此狀態進行判定。試驗中，若累積動應變增量在2h內小于1mm，則認為試樣達到動力穩定狀態。采用累積動應變εa達到某閾值方法進行破壞判定，該值設為15%。

3.1飽和土試驗結果

圖4　飽和土試樣累積動應變與振次關系曲線 Fig.4 Saturated specimens’accumulative axial strainε a versus vibration number N

考慮不同試樣εa的增長特點，將所有飽和試樣分為三種類型，分類方法見表3。

表3　據累積動應變增長特點劃分的試樣類型

(2)

本文將該線定義為臨界動應力比線CCSRL (Critical Cyclical Stress Ratio Line)。

圖5　飽和試樣動應力比與圍壓 Fig.5 Saturated specimens’ CSR versus confiningstressσ ′ 3,c

3.2非飽和粗顆粒土累積動應變

0.277 8ω2+2.91ω-3.1

(3)

圖6　非飽和土試樣累積動應變與振次關系曲線 Fig.6 Testingresults of unsaturated specimens’ accumulative axial strainε a versus vibration number N

(4)

由于該粗顆粒土的含水率通常在5%～9.3%之間，則式(4)第二項括號內的值隨ω增大遞減，且恒大于零，由此可知含水率越大臨界動應力越小，圍壓越大臨界動應力越大。經驗算，計算結果符合大多數試樣試驗結果。

圖7　非飽和試樣的動應力比與圍壓 Fig.7 Unsaturated specimens CSR versus confining stress σ ′ 3,c

4結論

(1)在循環動應力作用下，含水量差異會導致土顆粒間作用力發生變化，影響累積動應變增長特點。與飽和試樣相比，在相同圍壓下非飽和粗顆粒土需更大動應力才能發生破壞，且累積動應變增長速率較小。

(2)對粗顆粒土填料，據累積動應變隨振次增長規律，可將土體劃分為衰減型、破壞型、臨界型。臨界型對應的動應力為臨界動應力，當實際動應力小于臨界動應力時累積動應變隨振次增加逐漸趨于穩定。因此應使列車產生的動應力低于路基填料的臨界動應力。

(3)圍壓增大使土顆粒間相互約束更緊密，可提升整個土體結構抵抗外力破壞的能力。

(4)含水率越大粗顆粒土填料的臨界動應力越小，從而增加路基發生破壞的可能性。路基排水應足夠重視，必要時可采取措施，如在路基中埋置排水材料、設置排水溝等。

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