石灰改良下蜀黏土作為高速鐵路路堤填料的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

趙新益

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(dòng)力特性試驗(yàn)研究

趙新益

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

高速鐵路對(duì)路基填料的工程性質(zhì)特別是基床結(jié)構(gòu)填料的動(dòng)力學(xué)特性提出了很高的要求。通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn),對(duì)石灰改良下蜀黏土作為填料的動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究,對(duì)其作為高速鐵路基床底層填料的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明:下蜀黏土經(jīng)石灰改良后,具有較高的臨界動(dòng)應(yīng)力值,動(dòng)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(xué)特性受相關(guān)因素影響,應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)注意對(duì)含水率、壓實(shí)系數(shù)等進(jìn)行合理控制。

高速鐵路;石灰改良下蜀黏土;路堤填料;動(dòng)力特性

1 概述

高速鐵路要求軌道基礎(chǔ)必須具有足夠的剛度、穩(wěn)定性和耐久性,這就對(duì)路基填料的工程性質(zhì)特別是基床結(jié)構(gòu)填料的動(dòng)力學(xué)特性提出了很高的要求。當(dāng)填料性質(zhì)不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可進(jìn)行物理或化學(xué)改良[1～7]。本文通過(guò)石灰改良下蜀黏土的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn),對(duì)其作為填料的動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)

由于土的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系比較復(fù)雜,目前土的動(dòng)力學(xué)特性研究一般仍采用直接試驗(yàn)分析的方法。為了取得對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)比進(jìn)行了石灰改良下蜀黏土的室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)。

(1)試樣制備

試樣制備考慮了石灰摻入比、壓實(shí)系數(shù)K、含水率、干濕循環(huán)、浸水等因素對(duì)改良土工程特性的影響,齡期取為28d。試驗(yàn)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(yǎng)護(hù)25d,浸水3d后進(jìn)行試驗(yàn);干濕循環(huán)試驗(yàn)先按要求失水,然后再浸水飽和。試驗(yàn)用下蜀黏土來(lái)自鎮(zhèn)江,石灰產(chǎn)自浙江湖州,為Ⅲ級(jí)石灰,試驗(yàn)前充分消解。試樣的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣的試驗(yàn)參數(shù)

(2)靜應(yīng)力狀態(tài)

受荷土體往往是在一定靜應(yīng)力作用下承受動(dòng)荷載作用的。結(jié)合高速鐵路基床結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)試件施加等向固結(jié)壓力 σ3=20kPa,軸向靜偏應(yīng)力 σ1-σ3=15 kPa,土樣固結(jié)后進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)破壞準(zhǔn)則

靜三軸試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀,破壞標(biāo)準(zhǔn)采用主應(yīng)力出現(xiàn)峰值為破壞點(diǎn);無(wú)峰值時(shí),采用“應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)”,將破壞應(yīng)變定為軸向彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變之和為15%。

動(dòng)三軸試驗(yàn)采用微機(jī)控制電磁式單向激振三軸儀,破壞標(biāo)準(zhǔn)采用“應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)”,將破壞應(yīng)變定為累積塑性應(yīng)變?yōu)?.5%。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在高速鐵路正線路基上進(jìn)行,采用激振試驗(yàn)機(jī)模擬高速列車動(dòng)荷載,通過(guò)預(yù)先埋設(shè)在路基中的傳感器,測(cè)試路基的動(dòng)應(yīng)力、彈性變形、塑性變形等。路基基床表層按規(guī)范要求采用0.7m厚級(jí)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(yàn)測(cè)試元件布置如圖1所示。

為模擬了實(shí)際鐵路的運(yùn)營(yíng)情況,動(dòng)載水平采用0～80kPa,動(dòng)載頻率10～20Hz,激振次數(shù)不少于一個(gè)維修周期的過(guò)載次數(shù)(150萬(wàn)～200萬(wàn))。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 激振試驗(yàn)測(cè)試元件布置(單位:cm)

3.1 室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)

表2為石灰改良下蜀黏土靜三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。

表2 靜三軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明,土樣的破壞表現(xiàn)為脆性破壞,破壞時(shí)土樣的應(yīng)變值很小,最大的應(yīng)變值不超過(guò)3%,遠(yuǎn)小于一般規(guī)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)15%。

相對(duì)而言,含水率最優(yōu)、壓實(shí)系數(shù)達(dá)到1.0時(shí)的試件的靜壓縮強(qiáng)度最大;在壓實(shí)系數(shù)相同時(shí),含水率大于最優(yōu)含水率2%的試件的靜壓縮強(qiáng)度最小;含水率小于最優(yōu)含水率2%的試件的靜壓縮強(qiáng)度最大;干濕循環(huán)對(duì)石灰改良下蜀黏土的強(qiáng)度影響則不明顯。

圍壓對(duì)石灰改良下蜀黏土的強(qiáng)度影響明顯,圍壓增大時(shí),強(qiáng)度相應(yīng)增加,對(duì)應(yīng)破壞應(yīng)變也加大。

3.2 室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)

圖2為石灰改良下蜀黏土在不同動(dòng)應(yīng)力水平下塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線。

圖2 塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線

隨著動(dòng)應(yīng)力水平的不同,土體變形與振次之間的關(guān)系有3種類型:①衰減型:動(dòng)應(yīng)力水平較小時(shí),隨著振次增加,試樣逐漸壓密,應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小;最后變形趨于穩(wěn)定。②破壞型:動(dòng)應(yīng)力水平較高時(shí),塑性應(yīng)變隨振次非線性增加,最后變形過(guò)大而破壞。③臨界型:隨著振次增加,變形既不趨于穩(wěn)定,也不迅速發(fā)展破壞,土體處于穩(wěn)定與破壞的臨界狀態(tài),施加的動(dòng)應(yīng)力為臨界動(dòng)應(yīng)力。

從圖2可以看出,試件Ⅰ、Ⅴ在動(dòng)應(yīng)力為300kPa以內(nèi)時(shí),塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線為衰減型,動(dòng)應(yīng)力為500、600kPa的塑性應(yīng)變曲線在加載后期并沒(méi)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象,可以認(rèn)為為臨界型,即臨界動(dòng)應(yīng)力值為500kPa左右。試件Ⅱ在動(dòng)應(yīng)力為400kPa時(shí),塑性應(yīng)變曲線即出現(xiàn)臨界狀態(tài),可以認(rèn)為試件Ⅱ的臨界動(dòng)應(yīng)力值為400kPa。試件Ⅲ、Ⅳ在施加的動(dòng)應(yīng)力范圍內(nèi),試件的塑性變形在加載初期增加較快,隨著加載次數(shù)增加,應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小,最后變形趨于穩(wěn)定,可見(jiàn),所加的動(dòng)應(yīng)力均未達(dá)到臨界動(dòng)應(yīng)力值,即該兩試件的臨界動(dòng)應(yīng)力值均大于600kPa?？傮w而言,不同條件下的石灰改良下蜀黏土試樣的臨界動(dòng)應(yīng)力都大于300kPa,具有較高的動(dòng)強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果還表明,相同振次條件下,各試樣的變形都隨動(dòng)應(yīng)力增加而增加,特別是累積塑性變形增加明顯。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力小于臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí),隨著振次的增加,試樣出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象,累積塑性應(yīng)變漸趨于穩(wěn)定,其值在0.49%～0.8%。

圖3為石灰改良下蜀黏土彈性應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線。

圖3 彈性應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線

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

表3為石灰改良下蜀黏土動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)匯總。

從表3可看出,相關(guān)因素對(duì)石灰改良下蜀黏土力學(xué)特性影響明顯。其中含水率對(duì)動(dòng)力特性指標(biāo)影響較大,相同壓實(shí)系數(shù)條件下,隨著含水率增加,臨界動(dòng)應(yīng)力減小;而從圖3可看出,相同動(dòng)應(yīng)力水平時(shí)變形也相應(yīng)增加,特別是累積塑性應(yīng)變?cè)黾臃容^大。顯然,從動(dòng)力特性角度,石灰改良下蜀黏土的壓實(shí)含水率控制在不大于最佳含水率時(shí)是有利的。

表3 石灰改良下蜀黏土三軸試驗(yàn)結(jié)果

壓實(shí)系數(shù)對(duì)石灰改良下蜀黏土力學(xué)特性也有影響,隨著壓實(shí)系數(shù)增加,試樣的臨界動(dòng)應(yīng)力增加;而干濕循環(huán)對(duì)動(dòng)力特性的影響則不明顯。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)

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

圖4 動(dòng)應(yīng)力在基床中的衰減系數(shù)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(wàn)次加載過(guò)程中,動(dòng)應(yīng)力水平為50kPa,基床表層的彈性應(yīng)變最大不超過(guò)0.015%,彈性應(yīng)變水平較低,基床各層的塑性變形增長(zhǎng)很小,總的累積變形量為0.14mm。在50萬(wàn)次至150萬(wàn)次時(shí),動(dòng)應(yīng)力水平達(dá)到75kPa,基床表層的彈性應(yīng)變最大達(dá)0.04%,基床底層的彈性應(yīng)變最大值不超過(guò)0.01%,基床總的累積塑性變形達(dá)1.17mm,主要塑性變形部分為基床表層。150萬(wàn)次～200萬(wàn)次,路基的動(dòng)應(yīng)力水平增加到75kPa,基床表層的彈性應(yīng)變達(dá)到0.05%,基床底層的彈性應(yīng)變也增大到0.015%,基床總的累積塑性變形達(dá)到2.17mm,塑性變形仍主要發(fā)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(jié)語(yǔ)

(1)石灰改良下蜀黏土具有較高的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度,遠(yuǎn)大于高速鐵路基床底層實(shí)際動(dòng)應(yīng)力水平。

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

(3)壓實(shí)系數(shù)、含水率等對(duì)石灰改良下蜀黏土的工程特性有明顯影響,工程應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)控制。

[1] 李時(shí)亮,等.路堤填料工程性質(zhì)和填筑施工工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)方法研究報(bào)告[R].武漢:鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yàn)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(6):682 -685.

[4] 蘇中華.石灰改良土在高鐵建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,10(4):37 -40.

[5] 周援衡,等.全風(fēng)化花崗巖改良土高速鐵路路基填料的適宜性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(xué)特性研究[J].巖土力學(xué),2011,32(1):193 -198.

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

[8] TB10621—2009,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)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(jí)高級(jí)工程師。