重載鐵路基床填料低圍壓靜三軸試驗研究

聶如松，董俊利，程龍虎，梅慧浩，李亞峰

重載鐵路基床填料低圍壓靜三軸試驗研究

聶如松1, 2，董俊利1，程龍虎1，梅慧浩1，李亞峰1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

為真實模擬基床表層填料在較低圍壓下的受力特性，選取朔黃鐵路路基基床層填料的低液限粉土，在室內(nèi)開展一系列不同圍壓、含水率及不同試驗條件下的靜三軸試驗，探究含水率、圍壓及試驗方法對應(yīng)力應(yīng)變曲線及抗剪強度的影響。在試驗的基礎(chǔ)上，對應(yīng)變硬化型曲線利用鄧肯-張模型進行擬合；對應(yīng)變軟化型曲線利用沈珠江推廣雙曲線公式進行擬合，擬合結(jié)果良好。研究結(jié)果表明：峰值強度與圍壓之間具有良好的線形關(guān)系，并且強度對含水率的變化較為敏感；黏聚力與內(nèi)摩擦角則均隨含水率的增加而減小，其中內(nèi)摩擦角下降的幅度要小于含水率的下降幅度,同時受試驗條件的影響，對采取了排水措施的試驗，有效應(yīng)力得到了提高，因此黏聚力較大。

低液限粉土；低圍壓；含水率；靜三軸試驗

重載鐵路是我國重要的能源運輸通道。在大宗貨物運輸方面發(fā)揮著重要作用。重載鐵路已成為貨運發(fā)展的方向，是鐵路發(fā)展的重要趨勢[1]。鐵路路基是用來支撐線路最為重要的構(gòu)筑物[2]。朔黃鐵路建設(shè)時路基填料就地取材，大部分采用低液限粉土填筑。低液限粉土工程性質(zhì)較差。重載線路在經(jīng)過多年的鐵路運營之后，伴隨著降雨條件的發(fā)生，雨水無法及時排出路基，造成路基土體含水率的增加，在很大程度上造成填料物理力學性質(zhì)的劣化，最終導致路基下沉與邊坡變形等病害現(xiàn)象的發(fā)生。冷伍明等<3?4]通過對低液限粉土路基填料進行固結(jié)排水試驗(CD)和不固結(jié)不排水試驗(UU)研究不同壓實度、不同含水率、不同圍壓及不同排水條件下低液限粉土的強度及變形特性。冷伍明等[5?6]利用自主開發(fā)的低圍壓大型三軸試驗系統(tǒng)，分析了低圍壓下含水率和壓實度對重載鐵路路基粗粒土填料抗剪強度及變形特性的影響。XIAO等[7]對試樣進行不同壓實度和不同含水率下固結(jié)不排水三軸試驗。發(fā)現(xiàn)隨含水率減小黏聚力顯著增加，而內(nèi)摩擦角的變化不大。劉寒冰[8]通過在不同含水率條件下對壓實黏土進行土力學性質(zhì)分析，結(jié)果表明，含水率會在很大程度上對黏質(zhì)土的力學性質(zhì)產(chǎn)生影響。Duong等[9]以路基土和道砟為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)，當含水率接近飽和含水率時，隨著細顆粒含量的增加，抗剪強度顯著降低。Oka等[10]以非飽和粉土為研究對象，開展固結(jié)排水和固結(jié)不排水三軸剪切試驗，研究初始基質(zhì)吸力、不同飽和度、圍壓及應(yīng)變速率對非飽和粉土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的影響。目前粉土作為路基填料的研究較少，相關(guān)研究多以公路與建筑為背景。在含水率與圍壓的影響方面，主要在較高圍壓條件下開展，因此本文針對鐵路路基所受圍壓較低的特點，以粉土(路基填料)為研究對象，開展低圍壓靜三軸試驗，分析含水率、圍壓對主應(yīng)力差?軸向應(yīng)變關(guān)系曲線、強度參數(shù)等靜動力特性的影響，并分析利用鄧肯?張模型描述粉土試樣主應(yīng)力差?軸向應(yīng)變關(guān)系的適用性。

1 試驗簡介

1.1 填料基本物理力學性質(zhì)

試驗土樣來源于朔黃鐵路基床表層填料，通過開展室內(nèi)基礎(chǔ)土工試驗，確定土樣的基本物理力學性質(zhì)指標，如表1所示，土樣的級配曲線如圖1 所示。

圖1 顆粒級配曲線

依據(jù)文獻《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2016)[11]對細粒土填料進行定名。由表1可知，朔黃鐵路基床表層土料塑性指數(shù)P=8.9(＜10)，液限L=23.14%(＜40%)，路基基床填料定名為低液限粉土。

1.2 試驗方案設(shè)計

試驗儀器采用TSZ全自動三軸儀，主要包括：主機系統(tǒng)，圍壓反壓系統(tǒng)，軟件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器測量系統(tǒng)。本文對土料在不同含水率下的靜力特性進行討論分析，重載鐵路基床層總厚度2.5 m，其中基床表層厚度0.6 m，底層厚度1.9 m。土體在一定深度處所受的圍壓根據(jù)上覆靜荷載及土體自重進行計算。靜荷載通過換算土柱法獲得，依據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2016)[11]與《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10625—2017)[12]確定計算參數(shù)如表2所示。

表1 土樣基本物理參數(shù)

表2 上覆靜荷載計算

靜荷載換算土柱高度由式(1)確定：

式中：=20 kN/m3；=3.5。

在單線路情況下，換算土柱擴散角為22°[13]，對于細粒土，重度取值范圍16~22 kN/m3，計算選取18 kN/m3，土的側(cè)壓力系數(shù)0與土的性質(zhì)、應(yīng)力歷史及環(huán)境有關(guān)，路基填料屬于壓實而成的重塑土，側(cè)壓力系數(shù)與土的壓實度有關(guān)，羅喆[13]對回填土大小進行相關(guān)調(diào)研，給出不同類型回填土的側(cè)壓力系數(shù)，對于粉土及黏土，通常取側(cè)壓力系數(shù)為0.8。本文對朔黃鐵路路基低液限粉土填料取側(cè)壓力系數(shù)0為0.8。深度為的土體受到的圍壓計算公式由式(2)~(4)確定。

式中：表示埋土深度；為土的重度(18 kN/m3)；0表示靜止土壓力系數(shù)(0.8)。本文重點研究路基面以下0~6 m深度范圍內(nèi)粉土的靜力學性質(zhì)，通過計算可知圍壓范圍為12.64~99.13 kPa，因此試驗圍壓取15，30，60和90 kPa 4種情況。依據(jù)《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10625—2017)[12]，基床層壓實系數(shù)應(yīng)不小于0.95，而對位于基床以下的路堤填料，壓實系數(shù)應(yīng)不小于0.92，本試驗控制試樣壓實系數(shù)=0.95。靜動力三軸試驗方案如表3所示，飽和試樣采用抽氣法進行飽和。

表3 靜力三軸試驗方案

2 靜三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變特性分析

選擇曲線上的峰值強度作為試樣的破壞點，對于沒有發(fā)生應(yīng)變軟化的試樣，選擇軸向應(yīng)變15%時的主應(yīng)力差值作為峰值強度。

2.1 應(yīng)力應(yīng)變影響因素分析

2.1.1 UU試驗條件含水率對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

圖2為不同含水率條件下低液限粉土不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(UU)在圍壓分別為3=15，30，60和90 kPa時試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線。

由圖2可知，在圍壓相同時，隨著含水率的增加，試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線整體呈現(xiàn)出下移的趨勢，試樣的峰值強度逐漸降低，初始剛度逐漸減少，說明隨著試樣含水率的增加，低液限粉土的強度和變形模量逐漸降低。當含水率為7.1%，小于最優(yōu)含水率時，試樣的強度明顯高于其他含水率時的試樣，約為最優(yōu)含水率時試樣強度的3~5倍；當含水率大于最優(yōu)含水率時，試樣的強度隨含水率的增加逐漸降低，但是下降的幅度相對較小。從圖2中可以觀察到隨著含水率的增加低液限粉土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線發(fā)生了明顯的變化。當試樣含水率為7.1%時，試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線具有明顯的峰值強度，在達到峰值強度后應(yīng)力迅速降低，表現(xiàn)出強應(yīng)變軟化型，試樣呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞。當試樣含水率為11.80%，應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)與圍壓大小有關(guān)，在低圍壓條件下曲線存在較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而在高圍壓條件下曲線呈應(yīng)變硬化型?？傮w來說，隨著試樣含水率的增加，試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線逐漸由強應(yīng)變軟化型向弱應(yīng)變軟化型再向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變，含水率越小，圍壓越低，試樣的脆性破壞越明顯，反之，試樣的塑性變形越明顯。

2.1.2 圍壓對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

由圖3可知，以含水率=7.1%與=19.75%(sat)為例，同一含水率條件下，圍壓對低液限粉土的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線有著明顯的影響，隨著圍壓的增大，試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線逐漸上移，說明圍壓增大，試樣的峰值強度明顯增加。對于不固結(jié)不排水三軸(UU)剪切試驗，不同于含水率的影響，圍壓對試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線的影響在加載初期較小，即當軸向應(yīng)變小于1%時，在同一含水率條件下，圍壓對主應(yīng)力差的影響較??；隨著軸向應(yīng)變的增加，圍壓對試樣應(yīng)力?應(yīng)變的影響逐漸凸顯。同時在不同含水量情況下，圍壓為90 kPa時，低液限粉土的峰值強度最大，60 kPa時次之，15 kPa時最小。即在含水率一定的情況下，峰值強度與圍壓呈正相關(guān)。

(a) σ3=15 kPa；(b) σ3=30 kPa；(c) σ3=60 kPa；(d) σ3=90 kPa

(a) 含水率w=7.1%；(b) 含水率w=19.75%(wsat)

2.1.3 試驗方法對應(yīng)變關(guān)系的影響

由圖4可以看出，在同一圍壓下，CU試驗與UU試驗中飽和低液限粉土的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)逐漸下移的趨勢，表明在相同的試驗條件下，CU試驗的峰值強度大于UU試驗的峰值強度；主要原因是因為在UU試驗過程中，試樣沒有固結(jié)階段，因此試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生調(diào)整，相較之下，CU試驗則經(jīng)過了固結(jié)階段，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了調(diào)整，因此UU試驗的峰值強度較低。

由圖4還可以看出，UU與CU試驗飽和低液限粉土的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點時的應(yīng)變值隨著圍壓的增大而增大，拐點處的應(yīng)變值主要集中在2%~4%之間。且峰值強度均隨圍壓的增大而增大。同時可以觀察到，CU試驗和UU試驗在不同圍壓條件下均為應(yīng)變硬化型，只是CU試驗圍壓90 kPa時曲線在拐點處發(fā)生一小段應(yīng)力的突然下降，可能是試樣某一結(jié)構(gòu)發(fā)生突然的破壞造成的，因此造成曲線出現(xiàn)弱軟化現(xiàn)象。

(a) σ3=15，30 kPa；(b) σ3=60，90 kPa

2.2 基于本構(gòu)模型的低液限粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系描述

2.2.1 基于鄧肯?張模型的應(yīng)變硬化型曲線描述

康納(Kondner)等人通過繪制大量土的三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線，提出利用雙曲線對曲線進行擬合，雙曲線方程如式(5)所示。鄧肯和張依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系提出Duncan-Chang模型[14]。

在利用鄧肯?張對應(yīng)力應(yīng)變曲線進行描述時，要求曲線為硬化型，且為雙曲線。將飽和試樣在不同圍壓條件下的UU試驗結(jié)果用鄧肯?張曲線進行擬合，如圖5所示。從圖5可以看出，利用鄧肯?張關(guān)系式描述的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與靜力三軸試驗測得的數(shù)值基本一致，2最小值為94.31%，曲線擬合結(jié)果良好。觀察圖5可以看出鄧肯?張模型繪制曲線的初始模量要小于三軸試驗實測值，在圍壓為90 kPa的初始階段，擬合曲線與試驗曲線之間存在一定的差異。從圖中還可以看出，當軸向應(yīng)變在2%~3%范圍時，不同圍壓下的試樣開始進入屈服階段，并出現(xiàn)應(yīng)力拐點，表現(xiàn)出一定的弱軟化性；基于鄧肯?張模型的雙曲線不能對這一范圍的應(yīng)力?應(yīng)變很好的進行擬合，即鄧肯?張模型不能反映低圍壓下飽和低液限粉土弱軟化性的臨界點。

2.2.2 基于沈珠江推廣雙曲線模型的應(yīng)變軟化型曲線描述

鄧肯?張(Duncan-Chang)模型能夠很好地反映土體的應(yīng)變硬化特性，無法對應(yīng)變軟化型曲線進行描述?；诖?，沈珠江提出推廣雙曲線模型，用來描述土體的應(yīng)變軟化過程，即式(6)。

式中：r為殘余強度；p為峰值強度；(1)峰值強度對應(yīng)的軸向應(yīng)變。

利用式(6)對含水率=11.80%與=7.1%的應(yīng)變軟化型曲線進行擬合，如圖7所示。擬合參數(shù)如表4所示。

圖5 應(yīng)變硬化曲線擬合

表4 應(yīng)變軟化擬合參數(shù)

(a) w=11.80%；(b) w=7.1%

由圖6可知，對于含水率11.80%的弱軟化型的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線，應(yīng)變軟化曲線由3部分組成：前期的彈性段、彈性段與峰值強度之間的應(yīng)變硬化及峰值點之后的應(yīng)變軟化段。從圖中可以看出，在彈性段及應(yīng)變硬化段曲線擬合良好。峰值點后，擬合曲線高于實測曲線。擬合曲線不能很好反映峰值點后應(yīng)力快速下降的那一段曲線。

對于7.1%條件下試樣表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線在峰后出現(xiàn)應(yīng)力陡降的強軟化型曲線，曲線擬合時只能比較好地發(fā)應(yīng)出曲線的峰值點和殘余強度。不能反映峰值點到殘余強度間的過程，即擬合曲線不會出現(xiàn)應(yīng)力陡降的情況，應(yīng)力只能隨著變形緩慢的下降，因此該過程的擬合曲線高于試驗曲線，直到變形很大時，擬合曲線與試驗曲線才比較接近。從圖7還可以看出，在加載初期擬合曲線的初始模量大于實測值。

綜上可知，雙曲線模型對于峰后應(yīng)力下降緩慢的弱軟化型曲線具有較強的適用性，但擬合曲線的初始模量一般大于試驗測試值；對于峰后應(yīng)力陡降的強軟化型曲線，雙曲線模型只能較好的反映土體的峰值點和殘余強度，不能夠描述出峰值點到殘余強度的過程。

3 靜三軸試驗強度分析

3.1 峰值強度分析

分析含水率與圍壓對峰值強度的影響，圖7繪制了不同含水率條件下峰值強度隨圍壓變化曲線，曲線線性擬合良好，即在同一含水率條件下，隨著圍壓的增大，峰值強度呈線性增加。圍壓從15 kPa增長到90 kPa的過程對應(yīng)的深度變化為以基床表層為起點，埋深從0.18 m增加到5.39 m的過程。從圖7試驗值可以看出當圍壓保持不變，隨著含水率的增加，峰值強度呈下降趨勢，說明峰值強度對含水率的變化較為敏感。因此對于朔黃鐵路路基淺層區(qū)域，需要關(guān)注含水率的變化對其性能的影響，在發(fā)生降雨的情況下，及時對路基進行排水處理。

對于土體峰值強度的確定，除了根據(jù)土體應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線進行確定外，也可以依據(jù)土體抗剪強度指標結(jié)合極限平衡理論進行計算，為了計算獲得低液限粉土的峰值強度，將土體剪強度指標代入到土體極限平衡條件(10)中，得到不同圍壓和不同含水率下低液限粉土的最大主應(yīng)力1，進一步可得到峰值強度(1?3)f，計算結(jié)果如表5所示。

為了進一步對2種方法得到的峰值強度數(shù)值進行比較，圖7將試驗得到靜強度與計算得到的靜強度進行了比較。從圖中可以看出，對于同一種試驗方法在不同含水率和圍壓下的靜強度，計算值和試驗值基本重合，說明通過抗剪強度指標和極限平衡理論計算得到的靜強度，能夠反映土體真實的靜強度，從側(cè)面也說明通過摩爾?庫倫強度理論求非飽和低液限粉土的抗剪強度指標具有一定的可靠性。

表5 不同試驗條件下試樣峰值強度

圖7 不同圍壓下試驗峰值強度與計算結(jié)果比對

3.2 抗剪強度分析

結(jié)合UU試驗數(shù)據(jù)，可得不同含水率條件下的黏聚力與內(nèi)摩擦角，如圖8所示。

圖8 抗剪強度指標與含水率的關(guān)系曲線

含水率從7.1%增長到19.75%的過程中，黏聚力與內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢，其中內(nèi)摩擦角下降的幅度小于黏聚力下降的幅度。土體的強度是多種因素共同影響下的結(jié)果[14]，這些因素主要概述為土體本身的物理性質(zhì)與外界條件，其中外界條件是通過改變土的物理性質(zhì)從而影響土體的強度。隨著含水率逐漸增大，在土體內(nèi)部，顆粒之間會產(chǎn)生水膜，水膜包圍在土顆粒周圍，一方面，增加了土體內(nèi)部顆粒之間的潤滑效果，從而導致土體內(nèi)摩擦角的減小。另一方面，水膜也會在一定程度上對土體顆粒起到相互隔離的效果，從而減弱顆粒與顆粒之間的咬合作用，在上述2種作用的共同作用下，最終導致試樣內(nèi)摩擦角隨著含水率增加而減小。

分析試驗方法對和的影響，表6列舉了不同試驗方法下飽和低液限粉土抗剪強度指標和值，以此來比較不同試驗方法下飽和低液限粉土抗剪強度的大小。

表6 內(nèi)摩擦角和黏聚力的試驗結(jié)果

由表6可以看出，對于飽和低液限粉土CU試驗得到內(nèi)摩擦角比UU試驗和CD試驗大，而UU試驗和CD試驗得到內(nèi)摩擦角較接近。相反地，CU試驗得到的黏聚力最小，CD試驗得到黏聚力最大。分析原因，是由于固結(jié)不排水試驗中孔隙水壓力較大，有效應(yīng)力較小，從而黏聚力較小，而固結(jié)排水試驗，由于進行了排水措施，減少了孔隙水壓力，從而提高了有效應(yīng)力，黏聚力較大。

4 結(jié)論

1) 靜力三軸試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)受到含水率與圍壓的影響，在低含水率下，應(yīng)力應(yīng)變的曲線為應(yīng)變軟化型，隨著含水率的增加，曲線形態(tài)從軟化型逐漸向硬化型轉(zhuǎn)變。

2) 鄧肯?張模型繪制的應(yīng)變硬化曲線初始模量要小于三軸試驗實測值，同時模型不能反映出土樣的弱軟化性。應(yīng)變軟化曲線在彈性段及應(yīng)變硬化段曲線良好，峰值點后，擬合曲線則高于實測曲線。

3) 峰值強度與圍壓之間呈線性相關(guān)，在同一圍壓條件下，隨著含水率的增加，峰值強度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，表明峰值強度對含水率較為敏感。

4) 含水率是影響路基基床填料土的一個非常重要的因素。隨著含水率的增加，各項指標均表現(xiàn)出較為明顯的劣化現(xiàn)象，因此為了避免因含水率而導致的病害的發(fā)生，需要及時對路基進行排水。

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The study on static triaxial test of heavy haul railway filler of subgrade roadbed under low confining pressure

NIE Rusong1, 2, DONG Junli1, CHENG Longhu1, MEI Huihao1, LI Yafeng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Railway, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to simulate the force characteristics of the surface layer of the bed under low confining pressure, the low liquid limit silt of the base bed of the Shuohuang Railway roadbed was selected, and a series of different confining pressures, moisture content and different conditions were carried out indoors. The static triaxial test under test conditions explores the effects of moisture content, confining pressure and test methods on stress-strain curves and shear strength. On the basis of the experiment, the corresponding hardening curve is fitted by Duncan-Zhang model; the corresponding softening curve is fitted by Shenzhujiang generalized hyperbolic formula, and the fitting result is good. By analyzing the strength of static triaxial test, the results show that there is a good linear relationship between peak strength and confining pressure, and the strength is sensitive to the change of moisture content; the cohesion and internal friction angle are both with the increase of moisture content, the extent of internal friction angle decreases less than the decrease of moisture content. At the same time, due to the test conditions, the effective stress is improved in the test with drainage measures, so the cohesion is large.

low liquid limit silty soilt; low confining pressure; moisture content; static triaxial test

TU431

A

1672 ? 7029(2019)11? 2707 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.009

2019?02?17

國家自然科學基金資助項目(51878666)

聶如松(1980?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事地基基礎(chǔ)方面的教學、科研工作；E?mail：nierusong97@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)