黏土臟污對(duì)道砟集料的應(yīng)力-剪脹關(guān)系影響

陳 靜，高 睿，劉洋澤鵬，石知政，張榮隆

（1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

道砟是有砟軌道道床主要材料，由粒徑為16 ～65 mm的中粗石料組成.對(duì)有砟軌道而言，道砟層的作用主要包括：1）為軌枕提供穩(wěn)定的支撐，減少列車運(yùn)行過程中對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)；2）作為持力層，將上部荷載降低并傳遞至底砟層及下部路基；3）提供暢通的排水通道并吸收噪音.然而，在列車長(zhǎng)期循環(huán)荷載的作用下，地基層泥土?xí)S著孔隙水通過道砟骨架空隙逐漸上移，造成道床的翻漿冒泥及板結(jié)[1]；由列車攜帶的泥土也會(huì)逐漸侵入道砟層.道床臟污會(huì)引起軌道不均勻沉降、翹曲等工程問題，并為鐵路運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患.

目前，黏土對(duì)道砟的臟污作用已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究.Tennakoon等[2]通過循環(huán)三軸試驗(yàn)，對(duì)黏土臟污道砟的應(yīng)力-變形行為、回彈模量進(jìn)行了研究.其試驗(yàn)表明，臟污程度的加深會(huì)增加試驗(yàn)的軸向應(yīng)變及體積應(yīng)變.在低污染情況下，黏土臟污對(duì)道砟的“潤(rùn)滑效應(yīng)（lubrication effect）”顯著；當(dāng)試樣處于中度污染時(shí)，盡管道砟顆粒受到潤(rùn)滑作用，但由于其骨架被黏土顆粒填充，顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到抑制，導(dǎo)致試樣軸向應(yīng)變發(fā)展緩慢；隨著污染程度加深，道砟顆粒間排水被阻礙，超孔隙水壓力迅速增加，道砟集料的力學(xué)特性逐漸由黏土基質(zhì)特性所控制.同時(shí)，黏土包裹在道砟顆粒表面產(chǎn)生“涂層效應(yīng)（coating effect）”，降低了顆粒間接觸力，從而可減少道砟顆粒的破碎[3-4].通過對(duì)受煤渣、黏土、礦物填料等不同臟污質(zhì)污染的道砟集料進(jìn)行直剪試驗(yàn)，Huang等[5]分析了臟污質(zhì)種類及含水量對(duì)道砟強(qiáng)度特性的影響.Danesh等[6]研究了黏土污染下，具有不同級(jí)配的道砟集料剪切強(qiáng)度變化，并提出考慮道砟級(jí)配和臟污程度的剪切強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式.Trinh 等[7]通過對(duì)受黏土污染的道砟開展單調(diào)及循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了各種加載條件下集料含水量對(duì)其剪切強(qiáng)度參數(shù)及軸向變形的影響.

盡管已有較多關(guān)于黏土污染道砟力學(xué)性能的研究，但針對(duì)黏土臟污質(zhì)對(duì)道砟集料的剪脹特性影響的研究較少.Rowe[8]于1962年提出了著名的應(yīng)力-剪脹關(guān)系，如式（1）所示.

式中：σ1和σ3分別為大、小主應(yīng)力；εv和ε1分別為試樣體積應(yīng)變、軸向應(yīng)變；K為材料相關(guān)常數(shù).

Mitchell等[9]對(duì)土顆粒材料的應(yīng)力-剪脹關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為圍壓、初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料剪脹特性的發(fā)展具有重要影響.與土顆粒不同，道砟具有顆粒粒徑大、外形不規(guī)則、棱角明顯等特點(diǎn)，其剪脹特性除受上述外界因素影響外，更依賴于試樣自身，如密度、級(jí)配或顆粒排列方式等因素.由于黏土臟污質(zhì)附著在道砟顆粒表面，或填充于骨架空隙，改變了試樣的組構(gòu)特征，從而影響其剪脹特性.Xiao 等[10-11]通過對(duì)堆石料進(jìn)行真三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大剪脹比隨著中主應(yīng)力比或最小主應(yīng)力比增大而減小，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了考慮中主應(yīng)力比的修正應(yīng)力-剪脹方程.Do??yk-szypcio等[12-14]分析了干凈道砟的應(yīng)力-剪脹關(guān)系.Sarojiniamma等[15]根據(jù)受黏土污染道砟的大型三軸試驗(yàn)結(jié)果，提出了關(guān)于臟污道砟的經(jīng)驗(yàn)剪脹模型.然而，目前較少有文獻(xiàn)針對(duì)受黏土污染的道砟（受格柵加筋或未受格柵加筋）在直剪環(huán)境下的應(yīng)力-剪脹關(guān)系進(jìn)行研究.因此，在考慮不同黏土臟污程度的情況下，本文通過對(duì)受格柵加筋和未受格柵加筋道砟集料開展大型直剪試驗(yàn)；比較不同荷載條件下各試樣強(qiáng)度及變形發(fā)展規(guī)律；分析了各類道砟集料的應(yīng)力-剪脹關(guān)系，探討了黏土臟污對(duì)道砟集料的剪脹特性影響.試驗(yàn)所獲的剪脹方程為進(jìn)一步構(gòu)建不同黏土臟污程度下道砟集料的本構(gòu)模型提供參考依據(jù)；同時(shí)也可為鐵路運(yùn)營(yíng)及維護(hù)過程中改善黏土臟污引起的如道床承載力降低、枕軌不規(guī)則沉降及側(cè)向翹曲等工程危害提供設(shè)計(jì)指導(dǎo).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用作者自主設(shè)計(jì)的大型直剪設(shè)備開展試驗(yàn)，如圖1所示.該設(shè)備可進(jìn)行600 mm （長(zhǎng)）×600 mm （寬）× 500 mm （高）的大型直剪試驗(yàn).設(shè)備可分為4部分：1）反力系統(tǒng)，包括反力底座及反力架；2）裝樣系統(tǒng)，由上、下剪切盒及頂板構(gòu)成；3）加載系統(tǒng)，包括水平向及豎向千斤頂，以及與之相連的液壓伺服控制設(shè)備；4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括水平、豎向位移傳感器，水平、豎向壓力傳感器以及與之連接的靜態(tài)應(yīng)變儀.設(shè)備采用的水平向及豎向千斤頂最大可提供15 t推力，充分滿足該直剪試驗(yàn)所需要求.剪切過程中，豎向千斤頂施加的法向壓力基本維持恒定，而水平向千斤頂由液壓伺服設(shè)備控制，以實(shí)現(xiàn)勻速水平推力.詳細(xì)設(shè)備介紹可參考文獻(xiàn)[16].

圖1 大型直剪設(shè)備Fig.1 Apparatus of large-scale direct shear tests

1.2 試驗(yàn)材料

選用的道砟取自湖北武漢地區(qū)某在建鐵路附近的采石場(chǎng)，材質(zhì)為花崗巖.經(jīng)測(cè)量，試驗(yàn)所用道砟級(jí)配滿足《鐵路碎石道砟》[17]一級(jí)道砟的標(biāo)準(zhǔn).需要說明的是，路基翻漿冒泥造成的黏土臟污在最初往往具有一定含水量，而侵入道砟層的黏土臟污質(zhì)之后長(zhǎng)期暴露于環(huán)境中，含水量減小并逐漸粉化，堵塞道砟骨架孔隙，不僅降低道砟骨料的承載力，還會(huì)嚴(yán)重影響道砟層的自由排水.因此，本研究未考慮黏土臟污質(zhì)含水量的影響，試驗(yàn)前將黏土進(jìn)行充分曬干處理.試驗(yàn)所采用黏土?xí)窀汕昂蕿?9.4% ～ 23.0%，曬干后測(cè)量黏土臟污質(zhì)級(jí)配如圖2所示.道砟及黏土相關(guān)工程性能指標(biāo)見表1.表中：Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；ωL為液限；ωP為塑限；e為孔隙比.采用雙向孔徑格柵對(duì)道砟集料進(jìn)行加固.為保證格柵提供最佳約束力，本研究采用Mcdowell 等[18]對(duì)格柵孔徑與道砟平均粒徑（D50）尺寸之比建議值，即1.4，作為格柵選取標(biāo)準(zhǔn)，其力學(xué)參數(shù)見表2.圖3為本試驗(yàn)所用相關(guān)材料.

圖2 道砟及黏土臟污質(zhì)級(jí)配圖Fig.2 Size distribution of ballast and clay fine

表1 道砟及黏土臟污質(zhì)工程性能指標(biāo)表Tab.1 Engineering properties of clean ballast and clay fines

表2 格柵參數(shù)表Tab.2 Mechanical properties of geogrid

圖3 試驗(yàn)所用材料Fig.3 Materials for the large-scale direct shear test

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

為量化道砟集料的臟污程度，采用VCI （void contamination index，VVCI）[19]作為黏土臟污指標(biāo)（如式（2））.相比于FI （fouling index）[20]或PVC （percentage void contamination）[21]等道砟臟污指標(biāo)，VCI可簡(jiǎn)化對(duì)臟污質(zhì)體積的測(cè)量，并可考慮臟污質(zhì)級(jí)配的影響.

式中：eb、Gsb、Mb和ef、Gsf、Mf分別為道砟集料與黏土臟污質(zhì)的孔隙比、比重、干重.

本研究共設(shè)置3種不同的黏土臟污程度（VCI為0、20%和40%）.實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，當(dāng)鐵道線路出現(xiàn)明顯臟污時(shí)，已及時(shí)采取夯實(shí)或重新?lián)Q填等舉措，故較少存在VCI大于40%的極端情況.試驗(yàn)分為無格柵加筋和受格柵加筋，具體設(shè)置情況見表3.

表3 試樣設(shè)置情況表Tab.3 Details of experimental specimens

試驗(yàn)中道砟具體用量通過預(yù)試驗(yàn)確定.預(yù)試驗(yàn)中，道砟集料的堆積密度為1 432 kg/m3，共275 kg.試驗(yàn)開始前，在上、下剪切盒接觸面、下剪切盒與底板接觸面均涂抹潤(rùn)滑油以減小摩擦.各組試樣所需黏土臟污質(zhì)質(zhì)量通過式（2）計(jì)算得出.稱取所需黏土質(zhì)與道砟集料充分拌合，共分4層裝入剪切盒內(nèi).根據(jù)Biabani 等[22]的研究，直剪試樣的初始密度對(duì)其剪切性能具有重要影響，故裝樣時(shí)，采用低錘重壓的方式對(duì)試樣進(jìn)行分層振搗密實(shí)至預(yù)定高度，以確保所有試樣達(dá)到相同的初始孔隙率，即0.39.對(duì)于受格柵加筋道砟試樣的制備，格柵布置在剪切面處并與下剪切盒固定，防止剪切過程中格柵產(chǎn)生滑移造成誤差.格柵具體布置可參考相關(guān)文獻(xiàn)[23].

試驗(yàn)中，對(duì)各組試樣共施加15、35、55 kPa不同法向壓力，并采用伺服控制，以維持其在剪切過程中的恒定不變.水平剪切力通過千斤頂施加，剪切速度為3 mm/min.通過布置位移計(jì)記錄剪切過程中試樣的水平及豎向位移.所有試樣剪切至60 mm剪切位移處，即10%剪切應(yīng)變，此時(shí)剪切應(yīng)力均已達(dá)到穩(wěn)定值，試樣出現(xiàn)明顯剪切破壞面.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度及變形特征

圖4為不同VCI值下，黏土臟污道砟集料的剪切應(yīng)力τs和法向位移δn隨剪切位移δs變化曲線.由圖可知：1）隨著法向應(yīng)力σn的增加，各組試樣呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即τs逐漸增加但δn受到抑制而逐漸減小.2）相比于未受格柵加筋的試樣，格柵加筋道砟的τs發(fā)展明顯較快，而δn卻由于道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)受到格柵縱橫肋的限制作用出現(xiàn)降低.3）在相同法向壓力條件下，隨著污染程度的加深，即VCI增加，格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟的峰值剪切強(qiáng)度均逐漸減小，這是由于黏土臟污質(zhì)附著于道砟顆粒表面，弱化了道砟顆粒間的咬合作用；同時(shí)，黏土臟污質(zhì)的“潤(rùn)滑劑效應(yīng)”可促進(jìn)道砟顆粒間的相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)[24]，故降低了道砟集料的抗剪強(qiáng)度.4）隨著污染程度的增加，在相同加筋情況下，試樣在剪切過程中產(chǎn)生的法向位移減小，這是由于黏土臟污質(zhì)填充于道砟骨架空隙，增加了集料內(nèi)部的密實(shí)程度，造成道砟顆粒在剪切過程中的翻轉(zhuǎn)阻力增加，故在試驗(yàn)中展現(xiàn)出更小的剪脹量.

圖4 受格柵加筋與未受格柵加筋道砟τs及δn與δs關(guān)系Fig.4 Relationships of shear stress τs vs.shear displacement δs and relationships of normal displacement δn vs.shear displacement δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast

2.2 應(yīng)力-剪脹關(guān)系

圖5為不同臟污程度下道砟集料的應(yīng)力比（τs/σn）與剪脹比（δn/δs）關(guān)系.圖中：m、n、k1、k2、k3均為擬合常數(shù).Do??yk-szypcio [12]的研究表明，粗粒土在直剪環(huán)境下應(yīng)力-剪脹關(guān)系可分為前峰值（pre-peak）和后峰值（post-peak）兩階段.本文僅針對(duì)前峰值階段進(jìn)行研究.對(duì)于干凈受格柵加筋道砟或未受格柵加筋道砟（圖5（a）），τs/σn與δn/δs基本呈一階線性關(guān)系.類似結(jié)果可見相關(guān)文獻(xiàn)[10，25].擬合結(jié)果顯示，隨著法向壓力的增加，干凈道砟的τs/σn-δn/δs曲線逐漸向坐標(biāo)軸左下方移動(dòng).這說明峰值狀態(tài)時(shí)，法向壓力越高，試樣的剪脹比越低.根據(jù)Rowe[8]研究，在相同δn/δs值下，試樣的τs/σn值為試樣抗剪摩擦角的函數(shù)，τs/σn值越大，試樣展現(xiàn)出的抗剪摩擦角越大.圖5（a）顯示：對(duì)于格柵加筋的干凈道砟或未受格柵加筋的干凈道砟而言，法向壓力越大，試樣的τs/σn值越低.法向壓力增加，試樣剪脹受到抑制，抗剪摩擦角由剪脹貢獻(xiàn)的部分會(huì)相應(yīng)降低[26].道砟集料抗剪摩擦角的此種“應(yīng)力相關(guān)性”也可見Indraratna等[27]關(guān)于煤渣臟污道砟的相關(guān)直剪試驗(yàn)中.相同法向壓力條件下，格柵加筋道砟的τs/σn值較未受格柵加筋道砟大，即由于格柵的加筋作用，道砟集料的抗剪摩擦角會(huì)明顯增加.

圖5 τs/σn-δn/δs關(guān)系Fig.5 Relationships between τs/σn and δn/δs

對(duì)于黏土臟污道砟集料，由于黏土臟污質(zhì)的添加，集料的組構(gòu)特征發(fā)生了改變，從而影響試樣的τs/σn-δn/δs關(guān)系.基于黏土臟污道砟試樣三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，Sarojiniamma等[15]提出黏土臟污道砟應(yīng)力比（q/p）與剪脹比（1 ? dεv/dε1）滿足二階多項(xiàng)式關(guān)系，如式（3）所示.

式中：q為剪應(yīng)力；p為平均應(yīng)力；a、b、c為無量綱常數(shù)，與臟污質(zhì)含量及試樣所受圍壓相關(guān).

由圖5（b）、（c）可以看出：直剪環(huán)境下，黏土臟污的受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟τs/σnδn/δs基本滿足二階多項(xiàng)式關(guān)系，如式（4）所示.

相比于干凈道砟，黏土臟污道砟在剪切后期表現(xiàn)出明顯塑性特征，即試樣的應(yīng)變以速率增加方式發(fā)展，而剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值后增長(zhǎng)緩慢或降低至殘余強(qiáng)度.故τs/σn-δn/δs曲線由一階線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槎A非線性關(guān)系.從圖5（b）、（c）可以看出：隨著VCI的增加，試樣的τs/σn-δn/δs非線性關(guān)系增強(qiáng)，這是由于黏土臟污質(zhì)具有塑性特質(zhì)，VCI越高，試樣將展現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性.

為探究黏土臟污對(duì)道砟集料應(yīng)力-剪脹關(guān)系的影響，圖6比較了同一法向壓力條件下未受格柵加筋道砟集料和格柵加筋道砟集料在不同臟污程度下的τs/σn-δn/δs關(guān)系.為節(jié)約篇幅，僅展示了法向壓力為35 kPa的試驗(yàn)結(jié)果.由圖6表明：隨著臟污程度的增加，τs/σn-δn/δs關(guān)系曲線逐漸向坐標(biāo)軸左下方移動(dòng)，試樣的剪脹比逐漸減小.由于黏土臟污質(zhì)的存在，集料骨架間因道砟顆粒相互錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的孔隙易被黏土顆粒所填充，從而降低了試樣的剪脹比.盡管如此，隨著VCI的增加，試驗(yàn)達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)力比（τs/σn）大幅降低.因受黏土臟污質(zhì)污染而引起的低剪脹比并不能彌補(bǔ)集料峰值強(qiáng)度降低帶來的損失.從圖6（a）可以看出：在VCI值從20%增加至40%時(shí)，格柵加筋道砟集料的τs/σn-δn/δs關(guān)系變化并不明顯，這是由于格柵的加筋作用提升了道砟集料的強(qiáng)度，一定程度上彌補(bǔ)了黏土臟污帶來的強(qiáng)度損失；在中度污染情況下（VVCI= 20%）,格柵可減小集料的剪脹比，降低集料發(fā)生變形破壞的速率.

圖6 τs/σn-δn/δs關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between τs/σn and δn/δs

3 結(jié) 論

為研究黏土臟污質(zhì)對(duì)道砟集料應(yīng)力-剪脹特性的影響，本文對(duì)不同臟污程度下受格柵加筋和未受格柵加筋的道砟集料進(jìn)行了一系列大型直剪試驗(yàn).研究了直剪條件下，臟污道砟集料剪切應(yīng)力及變形的發(fā)展規(guī)律；分析了不同法向壓力條件及不同臟污程度下，受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟集料的應(yīng)力-剪脹關(guān)系變化及差異.得到以下結(jié)論：

1）VCI增加，受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟集料的剪切應(yīng)力及法向變形均降低；由于受到格柵的加筋作用，道砟集料的剪切應(yīng)力會(huì)增加而法向變形會(huì)降低；

2）干凈道砟集料的τs/σn-δn/δs曲線可用一階線性關(guān)系描述.法向壓力增加，τs/σn-δn/δs曲線會(huì)向坐標(biāo)軸左下方移動(dòng)，峰值狀態(tài)下集料的剪脹比隨之降低；相比于未受格柵加筋的道砟集料，格柵加筋的道砟集料具有更高的剪應(yīng)力比，集料展現(xiàn)出更大的抗剪摩擦角；

3）由于受到黏土臟污質(zhì)的污染下，道砟集料塑性增強(qiáng)，導(dǎo)致其τs/σn-δn/δs曲線變?yōu)槎A多項(xiàng)式關(guān)系，即在達(dá)到峰值狀態(tài)時(shí)，集料具有較大的剪脹比而抗剪強(qiáng)度降低至殘余強(qiáng)度或增長(zhǎng)緩慢；

4）同一法向壓力條件下，由于黏土顆粒填充了部分道砟顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的孔隙，故降低了集料的剪脹比.然而格柵的加筋作用可彌補(bǔ)黏土臟污質(zhì)污染下道砟集料的強(qiáng)度損失，并降低集料的變形破壞速率，在實(shí)際鐵路工程中可用于減小黏土臟污引起的危害.