地鐵循環荷載下黏土污染圓礫的大型動三軸試驗及動力特性研究

馬少坤, 田發派, 黃海均, 張加兵, 段智博, 龔 健

(1.廣西大學 土木建筑工程學院,南寧 530004;2.廣西大學 工程防災與結構安全重點實驗室,南寧 530004;3.清華大學 土木水利學院,北京 100084)

隨著我國基礎設施建設的蓬勃發展,大部分城市正興建地鐵盾構隧道,其中穿越圓礫層及黏土-圓礫復合地層極為常見,如我國華北地區的北京,華南地區的深圳、廣州和南寧以及西南地區的重慶和成都等城市。在地鐵盾構隧道的修建以及運營過程中,地鐵基床層的圓礫極易被泥漿泵送,黏土隨水滲流作用的侵入,內部結構的翻漿等導致的黏土所污染。受污染的圓礫細料含量將增多,其內部結構、強度、剛度、變形及滲透特性將發生明顯變化[1-4],最終導致整個地鐵路基結構的服役性能大幅度劣化,嚴重威脅到地鐵的運行安全。因此掌握受污染圓礫在地鐵循環荷載作用下的動力特性及累積塑性應變的演化特征是十分必要的。

動三軸試驗是研究材料動力特性的有效手段[5-8],近年來,許多學者利用動三軸對污染粗粒土開展了大量的研究,并取得了豐碩的成果,如吳琪等[9]通過開展不排水動三軸試驗,研究了細粒含量對細粒-砂粒-礫粒混合料動強度的影響,結果得到隨著細粒含量的增加,試樣的動強度呈現先降低后增加的趨勢。王家全等[10]利用GDS動三軸進行了一系列飽和砂礫的動三軸試驗,研究了不同細粒含量下砂礫的動力特性,發現試樣的累積應變隨著細粒含量的增加不斷增大,而回彈模量隨之減小。楊志浩等[11]對重載鐵路路基上不同污染程度的碎石進行了一系列動態三軸試驗,試驗得到隨著污染細顆粒含量的增加,試樣的累積塑性應變近似線性增加。Khogali等[12]通過試驗得到,循環荷載作用下,粗粒土的軸向應變隨著污染細料含量的增加而減小,而其回彈模量隨著污染細料含量的增加而增加。Budiono等[13]研究了煤塵污染對道砟永久沉降和彈性應變的影響,結果得到隨著煤塵含量的增加,道砟的塑性沉降速率增加,其彈性和重裝剛度增加速率降低。Duong等[14]通過對三種含水量和四種細粒含量下制備的道砟試樣進行循環三軸試驗,發現試樣在飽和狀態下,細粒含量越高,永久軸向變形越大,而在低含量情況下,發現該趨勢相反。Tennakoon等[15]對不同污染程度的道砟進行了一系列的大型排水循環三軸試驗,結果發現試樣的軸向應變和體積應變隨污染細料含量的增加而增加。Ebrahimi等[16]通過大型循環三軸試驗,在模擬交通荷載作用下,測定了不同細料污染條件下鐵路道砟的塑性應變,結果表明污染細料含量的增加將加大道砟的累積塑性應變。Cao等[17]利用大型動三軸儀,對不同污染細料含量的凝灰巖進行了一系列固結排水三軸循環試驗,試驗結果表明,隨著污染細料含量增加,試樣的累積軸向應變和體應變增加呈現先增加后減小的趨勢。可見,污染后的粗顆粒填料在長期循環荷載作用下的累積塑性應變演變規律仍未得到共識,且上述研究污染粗顆粒填料大多為污染道砟填料。同時,目前對地鐵荷載作用下鐵路路基污染圓礫的動力特性及累積塑性應變演化規律的研究鮮有報道,有待開展進一步研究。

綜上所述,本文以黏土污染的圓礫為研究對象,利用GDS大型三軸循環試驗系統,開展了一系列飽和不排水動三軸試驗。探究了不同圍壓及動應力幅值下黏土污染水平對圓礫長期動力特性的影響。所得試驗成果可為地鐵路基結構設計及其工后沉降預估提供參考。

1 試樣和試驗方法

1.1 試驗儀器及用土

試驗儀器采用粗粒土GDS大型三軸循環試驗系統(DYNTTS),如圖1所示。該系統主要包括軸向加載系統、壓力罩、圍壓/反壓控制器、孔隙水壓力傳感器、數據采集系統等。該系統允許施加最大圍壓1.0 MPa,最大軸向應力60 kN,最大加載頻率2 Hz,最大軸向行程75 mm。

圖1 DYNTTS大型三軸循環試驗系統Fig.1 DYNTTS large triaxial cyclic test system

試驗所用圓礫及模擬污染的黏土均取自于南寧地鐵施工現場,取樣位置及土樣如圖2所示。

圖2 取樣位置及土樣Fig.2 Sampling location and soil sample

圓礫級配參照前期所做研究進行選取[18],而黏土的級配則根據TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》[19],采用篩析法和激光粒度分析儀聯合對其進行了測量。圓礫及所摻污染黏土的顆粒級配曲線如圖3所示。圓礫及所摻黏土的基本物理參數如表1所示。

圖3 圓礫和黏土的級配曲線Fig.3 Gradation curves of round gravel and clay

表1 圓礫及黏土的基本物理參數Tab.1 Basic physical parameters of round gravels and clays

目前常用的污垢指數為污損百分比(fouling index,FI)和孔隙污染指數(黏土污染水平)(clay flouling level,VCI)。針對污損百分比FI,Indraratna等表示FI不能準確估算污染物的體積,提出采用VCI對污染程度進行量化。因此,為準確地分析圓礫所受黏土污染的程度,本文采用VCI對其所受污染程度進行量化,該指標已被諸多研究人員所采用[20-22]。VCI的定義為污染物(黏土)體積占圓礫孔隙體積的比率,其表達式如下

(1)

式中:Vf為黏土的實際體積;Vvb為圓礫孔隙的體積。

對式(1)的土體參數進行如下換算,可得式(2)

(2)

式中:Vvb,Vsb,eb,Gsb和Mb分別為干凈圓礫的孔隙體積、固體顆粒體積、孔隙比、比重和干的質量;Vvf,Vsf,ef,Gfb和Mf分別為污染黏土的孔隙體積、固體顆粒體積、孔隙比、比重和干的質量。上述參數具體取值見表1。

1.2 試驗方案

VCI=0

VCI=20%

VCI=30%

VCI=40%

VCI=60%圖4 不同VCI試樣Fig.4 Specimens of different VCI

表2 動三軸試驗方案Tab.2 Dynamic triaxial test scheme

1.3 試驗加載條件設置

考慮到地鐵荷載作用具有瞬時性,且地鐵隧道埋藏較深,故試驗采用固結不排水條件。試驗中采用正弦波來模擬實際運營條件下列車動荷載對路基的作用[25],如圖5所示。為降低試驗工作量及減少由不同試樣間差異引起的結果偏差,本試驗采用多級加載法對試樣進行加載,該方法在動力試驗中已被廣泛采用[26-28]。每級動應力幅值下振動次數設定為10 000次。加載頻率按照Indraratna論文中[29-30]公式f=v/L計算,南寧地鐵時速取v=72 km/h,地鐵每節車廂長L=20 m,計算得加載頻率為1 Hz。

圖5 加載波形Fig.5 Loading waveform

1.4 試驗過程

礫類土的原狀土樣較難取得及保存,所以本文試樣均采用重塑土樣。按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》的要求,試樣采用分層振搗法制備,共分10層,即首先根據圓礫相對密度(本文Dr=0.5)、VCI公式及試驗方案分別計算和稱取每層圓礫、黏土質量,攪拌均勻,而后分層擊實至相應高度,最終制成直徑為300 mm,高度為600 mm的試樣。試樣制備完畢后從儀器底部充入3 h二氧化碳,然后通入12 h無氣水以溶解試樣內部二氧化碳,最后采用分級加壓的方式對試樣進行反壓飽和,反壓共分4級,每級增加50 kPa并維持4 h,最后1級反壓增至200 kPa。飽和結束后,若孔壓系數B值大于0.95,說明試樣基本飽和,方可對試樣進行加載。整個試驗過程如圖6所示。

圖6 試驗過程圖Fig.6 Test process illustration

2 試驗結果與分析

2.1 累積塑性應變

循環荷載作用下,VCI=0%,σ3=100 kPa試樣在不同動應力幅值下的軸向應變時程曲線如圖7所示。從圖7可以看出,試樣的軸向應變ε1是由可恢復的彈性應變εe和不可恢復的塑性應變εp組成。在循環荷載作用下,軸向應變呈現周期性變化。

圖7 循環荷載下軸向應變隨加載時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of axial strain with loading time under cyclic loading

地鐵循環荷載作用下,不同黏土污染水平、圍壓及動應力幅值條件下污染圓礫的軸向累積塑性應變εp與加載次數N之間的關系曲線,如圖8所示。

(a) σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c) σ3=300 kPa圖8 污染圓礫的累積塑性應變εp與加載次數N之間的關系曲線Fig.8 The relationship curve between the accumulated plastic strain εp and the number of loading N for the fouled round gravel

對于較高圍壓σ3=200 kPa及σ3=300 kPa,在各級動應力幅值下,5種VCI指標試樣的累積塑性應變幾乎均表現為在加載初始階段快速增加,隨后逐漸變緩直至相對穩定,這主要是由于高圍壓限制了試樣內部顆粒間的滑移,提高了試樣承受外荷載的能力。此外,通過對比可知,高圍壓(σ3=200 kPa、300 kPa)下試樣的累積塑性應變明顯小于低圍壓(σ3=100 kPa)下試樣的累積塑性應變。由上述分析可得,對于埋深較深的地鐵隧道,列車的運行是相對安全的,不需要對圓礫路基進行處理。另外,從圖中可知,不同圍壓及動應力幅值下,VCI=20%、30%試樣的累積塑性應變是明顯大于VCI=0%、40%、60%試樣的累積塑性應變,這表明黏土污染水平對圓礫的累積塑性應變有顯著的影響。

(a) σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c) σ3=300 kPa圖9 各個加載階段污染圓礫的最終累積塑性應變εp與黏土污染水平VCI之間的關系曲線Fig.9 The relationship curve between the final cumulative plastic strain εp and the clay fouling level VCI of the fouled round gravel at each loading stage

2.2 彈性應變

循環荷載作用下,不同黏土污染水平、圍壓及動應力幅值條件下污染圓礫的彈性應變εe與加載次數N之間的關系曲線,如圖10所示。

(a) σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c) σ3=300 kPa圖10 污染圓礫的彈性應變εe與加載次數N之間的關系曲線Fig.10 The relationship curve between the elastic strain εe of the fouled round gravel and the number of loading N

2.3 滯回曲線

試樣VCI=0%,σ3=100 kPa在不同動應力幅值下的滯回曲線如圖11所示。從圖11可以大致看出,在動應力作用下,滯回曲線的初始間隔較大,而后趨于密集,試樣的動應變增長緩慢甚至停止增長。

圖11 不同動應力幅值下試樣的滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of specimens with different dynamic stress amplitudes

圖12 滯回曲線的演化規律Fig.12 Evolution of hysteresis curve

圖13 橫坐標變換后滯回曲線的演化規律Fig.13 Evolution of the hysteresis curve after the horizontal coordinate transformation

(a) 不同

(b) 不同圍壓圖14 不同VCI及圍壓下試樣滯回曲線的演化規律(N=10 000)Fig.14 Evolution of hysteresis curves for specimens with different VCI and confining pressures (N=10 000)

從圖14(a)中可以看出,隨著VCI的增加,滯回曲線的傾斜度呈先減小后增加的趨勢,試樣經歷了從軟化到硬化的過程。滯回曲線面積的大小可以表示每次循環加載過程中試樣能量損耗的多少。由圖14(a)可知,滯回曲線的面積隨著VCI的增加先增加后減小,當VCI小于30%時,滯回曲線面積增加,當VCI大于30%時,滯回曲線面積減小,這表明試樣內部損耗的能量經歷了由多到少的過程。而從圖14(b)中可以看出,隨著圍壓的增大,滯回曲線的傾斜程度逐漸增大,試樣的回彈模量增大,試樣經歷了明顯的硬化。同時,滯回曲線的面積逐漸減小,這表明試樣內部耗損的能量減小。

2.4 回彈模量

回彈模量被認為是檢查基層和路基剛度的有效指標[31],如圖15所示。回彈模量Mr定義為[32]

圖15 回彈模量Mr的定義Fig.15 Definition of resilient modulus Mr

(3)

因此,對循環荷載下各個滯回曲線的回彈模量進行了提取,得到不同圍壓及動應力幅值條件下5種VCI指標污染圓礫的回彈模量Mr與振動次數N之間的關系曲線,如圖16所示。

(a) σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c) σ3=300 kPa圖16 污染圓礫的回彈模量Mr與加載次數N之間的關系曲線Fig.16 The relationship curve between the resilient modulus Mr of the fouled round gravel and the number of loading N

圖17 各個加載階段污染圓礫的最終回彈模量Mr與黏土污染水平VCI之間的關系曲線Fig.17 The relationship curve between the final resilient modulus Mr and the clay fouling level VCI of the fouled round gravel at each loading stage

2.5 動孔壓比分析

為便于對不同工況下的試驗結果進行對比及理解,本文將動孔隙水壓力進行歸一化處理,轉化為相應的動孔壓比ru

(4)

(a) σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c) σ3=300 kPa圖18 污染圓礫的動孔壓比ru與加載次數N之間的關系曲線Fig.18 The relationship curve between the dynamic pore pressure ratio ru of the fouled round gravel and the number of loading N

3 結 論

本文以黏土污染的圓礫為研究對象,利用GDS大型三軸循環試驗系統,開展了一系列飽和不排水動三軸試驗。探究了不同圍壓及動應力幅值下黏土污染水平對圓礫長期動力特性的影響,以揭示地鐵循環荷載作用下,污染圓礫路基的長期服役性能。本研究得到如下結論:

(1) 試樣的累積塑性應變隨著VCI的增加呈先增后減的趨勢,黏土由潤滑作用逐漸轉變為填充作用。同時,圍壓的增大會造成界限VCI在一定程度上降低,當σ3=100 kPa時,界限VCI=30%,當σ3=200 kPa、300 kPa時,界限VCI轉變為20%,但總體還是介于20%-30%之間。

(2) 對于埋深較淺(σ3=100 kPa)的地鐵隧道,VCI對試樣的累積塑性應變影響較大,為了保證地鐵的行車安全,應對圓礫土地基的強度進行提升,而對于埋深較深(σ3=200 kPa、300 kPa)的地鐵隧道,VCI對試樣的累積塑性影響較小,地鐵運行是相對安全的。

(3) 隨VCI的增加,試樣的彈性應變先增大后減小,回彈模量則先減小后增大。同時,兩者的變化趨勢均隨圍壓的減小及動應力幅值的增大愈發明顯。

(4) 試樣在彈性狀態時,滯回曲線趨于密集,其傾斜度無明顯變化,回彈模量恒定。在塑性狀態時,滯回曲線密度減小并逐漸維持恒定,其傾斜度緩慢減小,回彈模量緩慢降低。在破壞狀態時,滯回曲線間隔快速增大,傾斜度快速減小,回彈模量急劇降低。

(5) 動孔壓比隨著VCI的增加呈現先增加后降低的趨勢。同時,圍壓越小,動應力幅值越大,動孔壓比則越大,其最大值可達0.86左右。