第一作者冷伍明男，教授，博士生导师，1964年生

振动荷载作用下重载铁路路基粗颗粒土填料临界动应力试验研究

冷伍明，刘文劼，周文权

(中南大学土木工程学院， 长沙410075)

摘要：由于重载铁路路基表层为粗颗粒土填料，直接承受轨道结构传递的列车动载往复作用，其临界动应力会影响累积变形，利用自行开发的动三轴试验系统进行不同围压、动应力幅值、含水率条件下粗颗粒土填料的持续振动试验，获得粗颗粒土累积动应变与振次关系曲线，并分析围压、含水率对累积动应变增长影响；在获得不同含水率条件下粗颗粒土的临界动应力比线基础上提出计算临界动应力经验公式。

关键词：重载铁路；粗颗粒土；动三轴试验；累积动应变；临界动应力

基金项目：国家自然科学基金重点项目(U1361204)；国家自然科学

收稿日期：2014-08-20修改稿收到日期：2014-11-13

中图分类号:U214175文献标志码：A

Testing research on critical cyclical stress of coarse-grained soil filling in heavy haul railway subgrade

LENGWu-ming,LIUWen-jie,ZHOUWen-quan(School of Civil Engineering Central South University，Changsha 410075, China)

Abstract:The surface layer of heavy haul railway subgrade is mainly composed of coarse-grained soil (CGS).The accumulative deformation characteristic of CGS is a very important issue because the CGS directly supports the cyclical train loading transfered by upper structure. Previous researches reveal that critical cyclical stress ratio (CCSR) is a significant factor of accumulative deformation characteristic. By using a self-developed dynamic triaxial testing system, some sustained vibration tests were carried out on CGS with different confining pressures, dynamic stress amplitudes and water contents. Some curves of accumulative dynamic strain versus vibration times were obtained by the tests. The influences of confining pressure and water content on the increase of accumulative dynamic strain were discussed. Furthermore, the CCSR lines of CGS with different water contents were acquired. Finally, an empirical formula for calculating the critical cyclical stress was put forward.

Key words:heavy haul railway; coarse-grained soil; dynamic triaxial test; accumulative dynamic strain; critical cyclical stress

随对重载轨道交通的重视，长期动力循环荷载作用下重载铁路路基土体的累积变形规律颇受工程、学术界关注。列车运行对路基产生的荷载可简化为循环荷载，其对路基表层粗颗粒土填料影响最明显。由于重载列车的动力效应较大，粗颗粒土在列车循环动荷载长期作用下，除产生弹性变形亦产生塑性累积变形，若动应力过大或排水不畅累积变形会迅速增加，使路基产生较大附加沉降，甚至会导致失稳破坏。众多研究表明，列车产生的动应力与土体临界动应力间大小关系影响累积动变形的增长特点。确定路基粗颗粒土在某工作状态下的临界动应力对预测路基沉降具有重要意义[1-3]。

目前对土体临界动应力试验研究已取得一定成果，Seed等[4-6]通过动三轴试验研究频率、应力历史、压实度、围压等因素对土体产生的破坏影响；Heath等[7]对伦敦粘土进行动三轴疲劳试验，获得累积应变及荷载作用次数关系曲线，认为不同动应力作用下该曲线可分为两组不同走向，一组变形逐渐发展直到破坏，另一组变形速率逐渐缓慢最后达到稳定状态弹性条件，土体存在动应力临界值。蔡英等[8]提出将土体所受动应力与其临界动应力之比定义为动应力水平，并将不同动应力水平下的累积动应变增长曲线划分为破坏型、衰减型及临界型；焦贵德等[9]研究频率对冻土临界动应力影响，获得临界动应力随动荷载频率增大而减小的结论；唐益群等[10]研究土体固结对临界动应力影响，认为固结偏应力越大土体的临界动应力越大；孙明智[11]通过试验发现干湿循环作用会降低土体的临界动应力；刘增荣等[12]研究地铁列车荷载下饱和黄土与湿型黄土的临界动应力比范围，并用Langmuir及Freundlich函数对稳定型、破坏型黄土变形发展进行回归分析。

以上对动荷载下土体临界动应力的试验研究大多针对细颗粒土，而对粗颗粒土的研究较少；此外，现有对临界动应力研究多处于定性分析阶段，未提出定量表达式。为此，本文进行不同围压、动应力幅值、含水率条件下重载铁路路基粗颗粒土的大型动三轴试验，研究不同条件下土体累积动应变增长规律，分析围压、含水率对临界动应力影响，并在此基础上提出计算该类填料临界动应力的经验公式。

1试验仪器

铁路路基粗颗粒土填料深度一般在3.0 m以内，实际侧压较低，大型动三轴仪难以模拟低围压下粗粒土的实际受力环境。而国产大型动三轴试验较难胜任长时间循环荷载试验，且应力控制精度不理想，不能满足试验要求。为此本文设计并开发基于现有MTS与普通三轴围压室、可进行长时间振动及精准控制的大型动三轴持续振动试验系统，见图1，该系统主要包括MTS动力作用系统及控制系统、刚性反力架、大型围压室、导轨及支撑系统、真空及饱和系统、加水排水管路、变形测量系统、孔隙水压测试系统。篇幅有限，各部件间的连接此处不详述。

图1　大型动三轴试验系统全貌 Fig.1 Complete picture of the large-scale dynamic triaxial testing system

考虑施加动力范围及精度，本试验用MTS系统中100 kN动态疲劳级作动器为动力来源，动力施加由数字系统控制，采用多水泵冷却系统保证长时间持续振动，据经验振动次数可达数十万次，作动器施加的动应力先行标定，使其长时间振动条件下动应力控制精度能维持在约0.1 kPa，因而能充分满足本试验要求。试验用压力室为YS30-3A静三轴压力室，所需围压由一定水头高度的围压水箱提供，可通过调整水箱高程满足不同围压要求。需指出的是，因试样高60 cm，顶、底部水压相对差值约6 kPa，施加围压时统一取试样中部处侧向液压作为围压的控制标准(顶、底部水压相对差值较大，其影响需进一步探索)。围压系统连接水压力表对围压值进行实时监测，每次振动中围压波动幅值<0.3 kPa，基本可忽略。轴向位移可通过MTS机自动记录亦可通过安装在试样顶端的电子位移测量仪测量，并通过转换箱引入计算机实时监测、自动记录，测量精度为0.01 mm。

2试验过程

2.1试验用土

试验用土由河砂、圆砾石、粘土组成，按50:50: 14.63比例进行配比确保试验用土的级配能满足规范[13]中关于A类土填料要求，试验用土的基本物理性质见表1，其有效抗剪强度参数源于对该类粗颗粒土的大型静三轴试验。试验用土级配曲线及轴向荷载施加方法见图2。

图2　试验用土级配曲线图 Fig.2 Particle size distribution curve

最大干密度ρdmax/(g·cm-3)饱和含水率wsat/%不均匀系数Cu曲率系数Cc有效抗剪强度参数(饱和)φ'/(°)c'/kPa2.219.3801.253769

2.2试验方案

由于实际路基填料介于完全排水条件与完全不排水条件之间，而不排水条件下路基破坏的可能性更大。故考虑安全性本试验采用不排水方式。试样用各向等压固结方式，定义动应力比CSR为

(1)

表2　试验参数

*表示含水率为7.5%

据铁路规程[14]，将散状土制成压实系数0.97的圆柱体试样(高600 mm，直径300 mm)，基本符合重载铁路路基表层压实标准。饱和试样先进行约2 h抽真空，采用水头饱和方法达到饱和状态(孔隙水压力系数B>95%)，饱和土含水率经测定为9.3%。非饱和土含水率则由对散状土加入一定水量进行控制，经测定，在加动荷载前含水率相对变化在3%以内。固结过程中使等向围压作用于试样，当孔隙水压力<1 kPa时结束。为简单模拟道砟、轨枕及钢轨对路基产生的静压力，施加动荷载前先向试样施加轴向静偏应力(最小偏应力)qcyc,min=15kPa。由于列车运行对路基主要产生低频效应[15]，因此正弦动荷载频率设为1Hz以模拟速度50km/h的重载列车对路基产生的荷载主频。轴向荷载施加方法见图3。

图3　轴向荷载施加方法 Fig.3 The exerting method of axial loading

3试验结果及分析

土体在不排水动三轴试验会发生破坏或维持动力稳定，通常采取一定标准对此状态进行判定。试验中，若累积动应变增量在2h内小于1mm，则认为试样达到动力稳定状态。采用累积动应变εa达到某阈值方法进行破坏判定，该值设为15%。

3.1饱和土试验结果

图4　饱和土试样累积动应变与振次关系曲线 Fig.4 Saturated specimens’accumulative axial strainε a versus vibration number N

考虑不同试样εa的增长特点，将所有饱和试样分为三种类型，分类方法见表3。

表3　据累积动应变增长特点划分的试样类型

(2)

本文将该线定义为临界动应力比线CCSRL (Critical Cyclical Stress Ratio Line)。

图5　饱和试样动应力比与围压 Fig.5 Saturated specimens’ CSR versus confiningstressσ ′ 3,c

3.2非饱和粗颗粒土累积动应变

0.277 8ω2+2.91ω-3.1

(3)

图6　非饱和土试样累积动应变与振次关系曲线 Fig.6 Testingresults of unsaturated specimens’ accumulative axial strainε a versus vibration number N

(4)

由于该粗颗粒土的含水率通常在5%～9.3%之间，则式(4)第二项括号内的值随ω增大递减，且恒大于零，由此可知含水率越大临界动应力越小，围压越大临界动应力越大。经验算，计算结果符合大多数试样试验结果。

图7　非饱和试样的动应力比与围压 Fig.7 Unsaturated specimens CSR versus confining stress σ ′ 3,c

4结论

(1)在循环动应力作用下，含水量差异会导致土颗粒间作用力发生变化，影响累积动应变增长特点。与饱和试样相比，在相同围压下非饱和粗颗粒土需更大动应力才能发生破坏，且累积动应变增长速率较小。

(2)对粗颗粒土填料，据累积动应变随振次增长规律，可将土体划分为衰减型、破坏型、临界型。临界型对应的动应力为临界动应力，当实际动应力小于临界动应力时累积动应变随振次增加逐渐趋于稳定。因此应使列车产生的动应力低于路基填料的临界动应力。

(3)围压增大使土颗粒间相互约束更紧密，可提升整个土体结构抵抗外力破坏的能力。

(4)含水率越大粗颗粒土填料的临界动应力越小，从而增加路基发生破坏的可能性。路基排水应足够重视，必要时可采取措施，如在路基中埋置排水材料、设置排水沟等。

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