不同荷載形式下的路基粗粒土填料穩(wěn)定性分析

(鄭州市市政工程總公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的高鐵、地鐵工程項(xiàng)目得到修建[1-3]。路基作為鐵路線(xiàn)路的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在線(xiàn)路投運(yùn)過(guò)程中，受到行駛列車(chē)的循環(huán)載荷，容易造成路基粗粒填料穩(wěn)定性發(fā)生改變，導(dǎo)致鐵路線(xiàn)路發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，帶來(lái)安全隱患[4-10]。因此，針對(duì)路基粗粒土填料的使用性能研究迫在眉睫，而高速鐵路路基在循環(huán)荷載下的路基粗粒土填料所表現(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及累計(jì)變形問(wèn)題成為保障鐵路路基穩(wěn)定性的重要因素[11-15]。國(guó)外Indraratna[16]等采用較低圍壓三軸試驗(yàn)研究了顆粒破碎、圍壓、粒料密度、含水量等對(duì)粗粒料力學(xué)變化規(guī)律的影響因素；并指出粗粒土力學(xué)性能主要受?chē)鷫汉兔芏鹊挠绊?，而顆粒破碎率主要影響粗粒土的剪切強(qiáng)度；張玉琴等[17]采用大三軸剪切儀、擊實(shí)儀等設(shè)備探討了粗粒土在循環(huán)荷載下的剪脹規(guī)律，進(jìn)一步分析了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面受力變形規(guī)律。駱永春等[18]通過(guò)大量粗粒料擊實(shí)試驗(yàn)研究指出壓實(shí)效果可提高粗粒土路基填料的壓實(shí)系數(shù)，在實(shí)際施工過(guò)程中，可通過(guò)增加壓實(shí)次數(shù)來(lái)改善路基填料的壓實(shí)系數(shù)，降低路基變形量。

對(duì)相關(guān)研究成果分析可見(jiàn)，大部分研究工作更多的是通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)來(lái)分析粗粒土填料的各項(xiàng)力學(xué)性能，針對(duì)循環(huán)荷載作用下的路基填料宏觀力學(xué)性能研究相對(duì)較少。而現(xiàn)實(shí)鐵路道路工程中更多的是受到循環(huán)荷載作用。因此，本文結(jié)合傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)和PFD3D軟件進(jìn)行粗粒土靜荷載和循環(huán)荷載作用下的路基粗粒土填料力學(xué)性能研究，為鐵路路基建設(shè)的穩(wěn)定性提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)路基填料的分類(lèi)及顆粒級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于重載鐵路填料原料，要求粒徑大于2 mm的顆粒占總質(zhì)量50%；細(xì)粒土宜采用粉質(zhì)黏土，液限指數(shù)應(yīng)小于40%，含量在4%～13%，路基填料的拌合參比：20%～25%的卵石，57%～75%的砂礫石，5%～8%的細(xì)粒土。本文中小于0.075 mm的細(xì)料部分取自黑龍江元和材料公司，大于0.075 mm的粗料部分來(lái)自黑龍江玉泉采石廠的礫石土。路基基床填料顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 路基粗粒土填料顆粒級(jí)配Table 1 Gradation of coarse grained soil filler in roadbed粒徑/mm百分率/%粒徑/mm百分率/%60～2017.32～0.516.6520～1019.670.5～0.07514.3010～2 27.08<0.0755.00

從表1可以看出，小于0.075 mm的細(xì)粒土部分含量為5%，低于標(biāo)準(zhǔn)值上限值，滿(mǎn)足要求，根據(jù)填料的級(jí)配曲線(xiàn)，路基粗粒土填料的不均勻系數(shù)為10，曲率系數(shù)保持在1～3之間，屬于級(jí)配良好級(jí)。

由于本文擬采用三軸試樣，要求試樣直徑101 mm,徑徑比大于5，因此要求土樣最大粒徑為20 mm?；诖?，為保證試樣滿(mǎn)足要求，采用等量替代法來(lái)替換掉原始土料級(jí)配中的超粒徑部分。獲得符合三軸試樣的路基粗粒土填料顆粒級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 路基粗粒土填料顆粒新級(jí)配Table 2 The new gradation of coarse grained soil filler in roadbed粒徑/mm百分率/%粒徑/mm百分率/%20～1029.571～0.59.1510～2 33.480.5～0.07514.302～1 7.5<0.0755.00

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》,測(cè)定新的路基粗料土填料的比重為2.74 g，塑限18.2，液限29.8，塑性指數(shù)10.6，液性指數(shù)-1.24，填料最大干密度2.207 g/cm3，最優(yōu)含水量6.5%。

1.2 試樣制備與儀器

采用上述路基粗粒填土顆粒作為傳統(tǒng)三軸壓縮試驗(yàn)原料，試樣高645 mm，直徑254 mm。為將三軸試驗(yàn)中的粗粒土混合均勻，按照Akke S.J.Suiker提出的9層填料振實(shí)法，9層填料采用相同的厚度，壓實(shí)度控制在95%～97%，對(duì)每一層樣本進(jìn)行20次加壓，如圖1為制備的成品試樣。為研究路基粗料土填料在不同圍巖下的應(yīng)力-應(yīng)變形式，分別選取圍壓10、40、70 kPa的靜載壓力進(jìn)行大型三軸排水壓縮試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)用試樣形貌Figure 1 Morphology of test specimens

1.3 模型建立

為探討粗粒土循環(huán)荷載下的路基粗粒土填料力學(xué)響應(yīng)，采用PFD3D軟件進(jìn)行粗粒土三軸試樣生成。首先根據(jù)實(shí)際三軸試樣的幾何尺寸，生成直徑254 mm，高645 mm的三維顆粒流數(shù)值模型。同時(shí)基于顆粒流FISH語(yǔ)言，按照表1中的粗料土顆粒級(jí)配進(jìn)行顆粒級(jí)配計(jì)算，獲得穩(wěn)定的算法模型。球顆粒間的接觸形式為接觸剛性模型，最大粒徑38 mm,共6 959個(gè)計(jì)算土顆粒，如圖2所示，每一種顏色表示一段級(jí)配。為降低模擬過(guò)程中內(nèi)嵌應(yīng)力的影響，采用三向軸向應(yīng)力確定各向同性應(yīng)力，通常取無(wú)限側(cè)抗壓強(qiáng)度的1/100。

圖2 路基粗粒圖填料模型結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of roadbed coarse grained and filling model

本節(jié)中為實(shí)現(xiàn)試樣的循環(huán)初始荷載的加載，通過(guò)對(duì)顆粒流程序編入循環(huán)加/卸載程序。采用伺服控制系統(tǒng)設(shè)定加壓室上下速度為0.1來(lái)實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)顆粒的相互擠壓。擠壓完成后，在模型中輸入循環(huán)荷載，循環(huán)荷載的控制參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 循環(huán)荷載控制參數(shù)設(shè)置Table 3 Cyclic load control parameter setting 參數(shù)類(lèi)型語(yǔ)言代碼參數(shù)類(lèi)型語(yǔ)言代碼軸向速度P-vel加載load循環(huán)荷載數(shù)量P-cyc卸載unload

2 結(jié)果分析

2.1 靜載作用下的性能分析

2.1.1體積應(yīng)變隨偏應(yīng)變關(guān)系

圖3為3個(gè)不同圍壓作用下粗粒土的體積應(yīng)變和偏應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。對(duì)圖3分析可知，當(dāng)圍壓為10 kPa時(shí)，偏應(yīng)變提高到0.002 5，此時(shí)的粗粒土體縮達(dá)到最大值，隨著偏應(yīng)變的增加，粗粒土由體縮向體脹開(kāi)始轉(zhuǎn)變，并不斷增加，對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)變達(dá)到0.28%；當(dāng)圍壓為為40 kPa時(shí)，偏應(yīng)變提高到0.005，體縮達(dá)到最大值，隨后由體縮向體脹開(kāi)始轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的體應(yīng)變?yōu)?.48%；當(dāng)圍壓為70 kPa時(shí)，偏應(yīng)變提高到0.006，體縮達(dá)到最大值，隨后由體縮向體脹開(kāi)始轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的體應(yīng)變?yōu)?.5%?？梢钥闯?，當(dāng)圍壓不同時(shí)，偏應(yīng)變與體積應(yīng)變曲線(xiàn)變化相似，隨著偏應(yīng)變的持續(xù)增大，粗粒土由體縮變形向體脹變形轉(zhuǎn)變，且3種不同圍壓下的粗粒土偏應(yīng)變響應(yīng)均在0.01以下，同時(shí)，當(dāng)體積應(yīng)變?cè)酱?，則粗粒土由體縮向體脹轉(zhuǎn)變的偏應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

上述分析可知，路基填料粗粒土的性質(zhì)與松散砂土相似，當(dāng)受到圍壓應(yīng)力后，首先發(fā)生體縮后轉(zhuǎn)變?yōu)轶w脹，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)前，路基填料粗粒土顆粒間存在較大空隙，隨著圍壓的不斷增強(qiáng)，土顆粒間相互擠壓變密，發(fā)生體縮現(xiàn)象，此時(shí)土顆粒間的抗剪強(qiáng)度和偏應(yīng)力均增大，隨著圍壓的持續(xù)增加，土顆粒間約束增強(qiáng)，相對(duì)移動(dòng)難度增大，當(dāng)外界荷載提高到試樣屈服破壞時(shí)，粗粒土顆粒發(fā)生移動(dòng)和翻滾，此時(shí)粗粒土顆粒的運(yùn)動(dòng)超過(guò)附近細(xì)粒土，宏觀上變現(xiàn)出體積增大的現(xiàn)象，即體脹[19]。

圖3 不同圍壓下偏應(yīng)變-體積應(yīng)變曲線(xiàn)Figure 3 Deviation strain-volume strain curve under different confining pressures

2.1.2應(yīng)力比隨偏應(yīng)變關(guān)系

圖4為不同圍壓下的粗粒土應(yīng)力比(偏應(yīng)力/靜水應(yīng)力不變量)-應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當(dāng)圍壓10 kPa時(shí)，隨著偏應(yīng)變的提高，應(yīng)力比先增大后維持不變，當(dāng)偏應(yīng)變提高到0.01時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比達(dá)到最大值1.8；當(dāng)圍壓為40 kPa時(shí)，偏應(yīng)變?cè)?.02時(shí)取得最大應(yīng)力比；當(dāng)圍壓為70 kPa時(shí)，偏應(yīng)變?cè)?.05時(shí)取得最大應(yīng)力比?？梢钥闯?，不同圍壓下的應(yīng)力比-應(yīng)變曲線(xiàn)變化基本相同，隨著偏應(yīng)變的增大，應(yīng)力比達(dá)到最大后基本保持不變，當(dāng)圍壓增大時(shí)，達(dá)到最大應(yīng)力比的偏應(yīng)變值增大，粗粒土處于最緊密狀態(tài)。

圖4 不同圍壓下偏應(yīng)變-應(yīng)力比曲線(xiàn)Figure 4 Deflection strain-stress ratio curve under different confining pressures

2.2 循環(huán)荷載作用下力學(xué)性能分析

2.2.1循環(huán)荷載下的模型特性分析

圖5為粗粒土進(jìn)行一次循環(huán)加載下的軸應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯?，在施加循環(huán)荷載階段，曲線(xiàn)初期變陡，后期變緩。卸載初期，曲線(xiàn)較陡，當(dāng)偏應(yīng)力下降到一定幅度后，卸載曲線(xiàn)下降變緩，這種隨軸應(yīng)變的增加偏應(yīng)力曲線(xiàn)表現(xiàn)出典型的“滯回圈”[20]，一個(gè)完整的“滯回圈”表示一個(gè)循環(huán)加載全過(guò)程。

圖5 循環(huán)荷載下軸應(yīng)變-偏應(yīng)力曲線(xiàn)Figure 5 Axial strain-deflection stress curve under cyclic load

圖6為循環(huán)加載10次時(shí)，軸應(yīng)變與偏應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)。圖中分析看出，在循環(huán)荷載卸載階段，顆粒具有恢復(fù)到初始位置的變化趨勢(shì)，但不可能完全恢復(fù)，因而產(chǎn)生不可逆變形。在循環(huán)荷載加載階段，顆粒產(chǎn)生軸向變形。同時(shí)可以看出滯回圈隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加更為明顯，但不可逆變形趨于穩(wěn)定。

圖6 循循環(huán)加載10次模型軸應(yīng)變-偏應(yīng)力曲線(xiàn)Figure 6 Axial strain-deflection stress curve of the model subjected to cyclic loading for 10 times

2.2.2時(shí)間步長(zhǎng)下的模型力學(xué)性能

圖7為循環(huán)加載10次時(shí)的體積應(yīng)變-時(shí)間步長(zhǎng)關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在循環(huán)荷載作用下，粗粒土表現(xiàn)出明顯的體脹和體縮現(xiàn)象。由于試驗(yàn)初期，粗粒土顆粒間較為松散，隨著外部荷載的增強(qiáng)，土顆粒由最初的擠壓轉(zhuǎn)化為填充，因而在加載前期粗粒土出現(xiàn)體縮變形，此時(shí)顆粒間的摩擦和咬合約束進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)應(yīng)力持續(xù)增大，路基填料顆粒間約束進(jìn)一步增強(qiáng)，顆粒間的宏觀移動(dòng)變得非常困難。當(dāng)循環(huán)荷載加載到接近屈服段時(shí)，各粗粒間的相互移動(dòng)和翻滾可能性增大，此時(shí)粗顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡大于相鄰顆粒，整個(gè)路基粗顆粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出典型的體積膨脹現(xiàn)象。

圖7 路基粗粒土模型時(shí)間步長(zhǎng)-體積應(yīng)變曲線(xiàn)Figure 7 Time step-volume strain curve of subgrade coarse grained soil model

圖8為循環(huán)加載10次時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)與應(yīng)力比關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著時(shí)間步數(shù)的增加，應(yīng)力比在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大峰值，隨后在循環(huán)荷載的作用下，應(yīng)力比呈現(xiàn)出上下波動(dòng)變化，每一次循環(huán)荷載加載/卸載，應(yīng)力比均表現(xiàn)出周期性的增大或減小，但基本上維持在1.65～2.25區(qū)間，并不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。

圖8 路基粗粒土模型時(shí)間步長(zhǎng)-應(yīng)力比曲線(xiàn)Figure 8 Time step-stress ratio curve of subgrade coarse grained soil model

圖9為時(shí)間步長(zhǎng)與偏應(yīng)變的變化曲線(xiàn)。可以看出，偏應(yīng)變隨時(shí)間步長(zhǎng)的增加表現(xiàn)出線(xiàn)性增大趨勢(shì)。在循環(huán)荷載加載階段，偏應(yīng)變線(xiàn)性增大。循環(huán)荷載卸載階段，偏應(yīng)變線(xiàn)性減小。偏應(yīng)變隨著循環(huán)荷載的加載/卸載呈線(xiàn)性變化過(guò)程，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，偏應(yīng)變值主要集中在0.013～0.021，不可逆變形接近于0.013，不可逆變形值相對(duì)較小，表明本文中采用的路基填料具備較大抗變形能力。

圖9 路基粗粒土模型時(shí)間步長(zhǎng)-偏應(yīng)變曲線(xiàn)Figure 9 Time step-deviation strain curve of subgrade coarse grained soil model roadbed

3 結(jié)論

a.靜荷載作用下，隨著偏應(yīng)變的持續(xù)增大，不同圍壓下的粗粒土體積應(yīng)變均會(huì)發(fā)生體縮變形向體脹變形的轉(zhuǎn)變，隨著偏應(yīng)變的增大，不同圍壓下的粗料土應(yīng)力比呈現(xiàn)出一個(gè)先增加后保持不變的趨勢(shì)，圍壓較高路基土填料體積應(yīng)變和應(yīng)力比最大處對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)變較大。

b.循環(huán)荷載作用下，偏應(yīng)力-軸應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)出典型的“滯回圈”。循環(huán)荷載加載階段，顆粒產(chǎn)生軸向變形。滯回圈增加明顯，粗粒土表現(xiàn)出明顯的體脹和體縮現(xiàn)象，不可逆變形趨于穩(wěn)定。

c.循環(huán)荷載下，路基粗粒土應(yīng)力比隨著時(shí)間步數(shù)的增加在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大峰值，隨后上下波動(dòng)；偏應(yīng)變?cè)诤奢d加載階段呈線(xiàn)性增大，在荷載卸載階段呈線(xiàn)性減小，不可逆變形接近于0.013，表明路基填料具備較大抗變形能力。