（岩土工程专业论文）重载铁路路基评估的试验研究.pdf

摘要 随着大秦线重载铁路运量的提高，路基承受的荷载增大，作用次数增多。本 文通过对大秦重载铁路的现场调研、现场原位测试、2 5 t 轴重货车实车动测、宅 内常规土工试验、动三轴试验、混化试验以及有扰动湿化试验，对路基的承载能 力进行了评估，本文所做工作如下： 首先，对大秦铁路路基进行调研，分析其现存问题。采用各种现场测试手段， 检测路基的承载能力。并结合室内土工试验分析了路基土体的基本性质。在路 基表层埋设各种传感器，测试列车通过时的路基压应力、加速度等指标，并与其 标准值比较。 其次，模拟5 0 0 0 吨、1 0 0 0 0 吨及2 0 0 0 0 吨列车通过路基土体的受力情况， 在室内进行动三轴试验，分析了粉质粘土与粉土孔隙水压变化规律，得出2 0 0 0 0 吨列车作用完后粉质粘土试样的有效应力比5 0 0 0 吨列车下降7 。并在列车作用 完后对试样做静三轴试验，分析试样承载力的变化规律，得出在2 0 0 0 0 吨列车作 用完后试样承载能力将比5 0 0 0 吨列车下降8 7 。并且得出了粉士破坏次数与荷 载等级的关系曲线。 最后，对路肩及边坡的冲刷情况进行研究。在室内做湿化试验，分析了士性、 压实度对试样抗冲刷能力的影响。模拟降雨作用对路基的冲刷，得出压实度对土 的抗冲刷能力影响明显。模拟雨水流动对土体的剪切作用，做有扰动的湿化试验， 并与常规湿化试验比较，得出有扰动的湿化试验比常规湿化试验更能模拟实际的 冲刷情况。 关键词：路基评估动三轴试验湿化试验现场检测 a b s t r a c t t h el o a do fs u b g r a d eb e c o m e sl a r g e r , a n dt h ea c i o n tt i m e sb e c o m em o r ew i t ht h e i m p r o v e m e n to ft r a n s i t i o nc a p a c i t yo ft h ed a q i nr a i l w a y h i sp a p e rh a sm a d ea r l a s s e s s m e n tt ot h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es u b g r a d et h r o u g ht h eo n - s i t er e s e a r c h ，f i e l d t e s t ，d y n a m i cl o a dt e s to ft h et r a i n ，r e g u l a rl a b o r a t o r ys o i l t e s t ，d y n a m i ct r i a x i a lt e s t ， s l a k i n gt e s ta n ds l a k i n gt e s tw i t hf l o w i n gw a t e r t h ep r i n c i p a lw o r ki sa sf o l l o w ： f i r s t l y ，t h ed a q i nr a i l w a ys u b g r a d ew a sr e s e a r c h e da n di t sp r o b l e m sw e r e a n a l y z e dt h eb e a t i n gc a p a c i t yo ft h es u b g r a d ew a sm e a s u r e dw i t hf i e l dt e s t s ，a n d c o m b i n e dw i t ht h el a b o r a t o r yt e s t s t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u b g r a d es o i lw a s a n a l y z e d s o m ek i n d so fs e n s o r sw e r eb u f f e di nt h es u b g r a d es u r f a c et om e a s u r et h e f a c t o r so ft h es t r e s sa n dt h ea c c e l e r a t i o no fs u b g r a d ew h e nt r a i n sp a s s e d s e c o n d l y , t h ed y n a m i ct r i a x i a lt e s tw a sc a r r i e di nt h el a b o r a t o r yt os i m u l a t et h e p r e s s u r eo fs u b g r a d es o i lu n d e r5 0 0 0 t ，l0 0 0 0 t ，2 0 0 0 0 tt r a i n ，a n dt h ep o r ep r e s s u r eo f s i l ta n ds i l t yc l a yw a sa n a l y z e d t h er e s u l ti st h a te f f e c t i v es t r e s so ft h es i l tc l a ya f t e r 2 0 0 0 0 tt r a i ni sr e d u c e d7 t h a nt h a ta f t e r5 0 0 0 tt r a i n t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s tw a s t a k e na f t e rt h ed y n a m i ct r i a x i a lt e s t ，t h ec h a n g eo ft h eb e a r i n gc a p a c i t yu n d e ri tw a s a n a l y z e da n dt h er e s u l tw a st h a tt h eb e a r i n gc a p a c i t ya f t e r2 0 0 0 0 tt r a i ni sr e d u c e d 8 7 t h a nt h a ta f t e r5 0 0 0 tt r a i n a n dt h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nt h el o a da c t i o nt i m e s w h e nt h es o i lf a i l e da n d1 0 a dg r a d eo f s i l tw a sg i v e n f i n a l l y , t h eo u t w a s ho ft h er o a ds h o u l d e ra n ds l o p ew e r er e s e a r c h e d t h r o u g h s l a k i n gt e s t 、t h ei n f l u e n c eo f t h es o i lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e g r e eo f c o m p a c t i o no n t h eo u t w a s hr e s i s t a n c eo f t h es o i lw e r ea n a l y z e d t h es u b g r a d eo u t w a s hu n d e rt h er a i n w a ss i m u l a t e d ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ed e g r e eo fc o m p a c t i o nh a da no b v i o u s i n f l u e n c eo nt h er e s i s t a n c eo u t w a s ho ft h es o i l t h es l a k i n gt e s tw i t hf l o w i n gw a t e r w a sc a r r i e d c o m p a r e dw i t ht h er e g u l a rs l a k i n gt e s t ，t h es l a k i n gt e s tw i t hf l o w i n g w a t e rw a sm o r ea c c o r dt ot h ef a c t t h ek e yw o r d s ：s u b g r a d ea s s e s s m e n t d y n a m i ct r i a x i a lt e s t s l a k i n gt e s t o n s i t em e a s u r e 铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：王过善 日期：2 u o 晦1 月i 工白 铁道科学研究院硕。| - 学位论文 第一章绪论 1 1 重载铁路发展及路基相关问题 随着我国国民经济的持续快速发展，铁路运输面i 临的压力越来越大，货运重载、客 运高速铁路成为今后铁路建设的方向。由于各国货运的特点，提高货运能力大致形成= _ 种不同的运输方式：牵引吨数大，行车密度小：牵引吨数小，行车密度大；牵引 吨数大，行车密度高。 重载运输是指在一定的技术装备条件下，扩大列车编组长度，大幅提高列车重量， 达到提高运输能力和运输效率的目的。重载列车运送大宗货物是铁路的一个长处。从2 0 世纪6 0 年代以来，一些煤炭、矿石等大宗货物运量很大的国家，如美国、加拿大、南 非、巴西、澳大利亚等重载运输得到很快的发展。1 9 8 6 年在加拿大召丌的国际铁路重载 运输会议确定重载列车的标准定为列车的重量至少要达到5 0 0 0 吨。世界各国铁路的重 载运输有两种技术路线：一种是以美国、加拿大以及巴西、南非、澳大利亚这些出口矿 产的国家，它们的运量主要是在些货运线路上，采取固定编组的单元列车，重量可达 到一万吨以上甚至几万吨，采用真达运输循环装卸的方法，列车在装卸时不停车，周转 极快，效率极高。另一种是以前苏联为代表，为解决客货混运的繁忙干线列车数量多、 行车密度大、运能紧张的矛盾，组织开行重量在5 0 0 0 吨乃至万吨以上，以超长超重列 车和合并列车为主要形式的重载列车。 列车重量越大，运输效率和运输能力也越高。所以重载列车的重量也越来越大。美 国一级铁路的货运烈车的平均重量在2 0 世纪6 0 年代是3 3 2 3 吨，到8 0 年代提高到4 6 6 7 吨。同时期内，前苏联的列车平均重量则由2 0 9 9 吨增加到3 1 2 0 吨。美国和前苏联铁路 在运营试验过程中部曾经组织开行过4 万吨以上的重载列车。1 9 8 9 年8 月，南非的理查 兹湾运煤专线曾经开行了一列由6 6 0 货车组成的列车，总重7 6 1 0 0 吨，长度7 3 0 0 米， 由1 6 台机车牵引。创造了当时铁路重载列车世界纪录。近年来，澳大利贬铁路又不断 刷新重戴列车的世界纪录：1 9 9 6 年5 月b l i p 铁矿公司在长4 6 2 k m 的纽曼山一黑德兰港 之间开行了总重7 2 1 9 7 的列车。列车由5 4 0 辆货车编组成长度5 8 9 2 米，由1 0 台机车牵 引，一名司机操纵，平均速度5 8 k m h ，最高速度7 5k m h 。2 0 0 1 年6 月，b l i p 铁矿公 司又在扬迪尔一黑德兰港2 7 5 k m 线路上开行了一列编组6 8 2 辆，长度7 3 0 0 米，总重9 9 7 3 4 铁道科学研究院硕士学位论文 吨的列车，由8 台交流传动内燃机牵引，这是迄今为止重载列车的世界之最。 铁路路基是经开挖或填筑而形成的直接支撑轨道、满足轨道铺设和运营条件而修建 的土工结构物，是铁道工程的重要组成部分。它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷 载，并将荷载向地基深处传递扩散，因此路基应具有足够的强度和稳定性，应该能够抵 抗自然因素的破坏而不产生有害变形。 国外铁路的发展方向是重载和高速铁路。发展重载铁路的国家都制定了较高的路基 技术标准和严格的簏工工艺，具有以下特点： ( 1 ) 强化路基基床：包括路堤、路堑及不填不挖地段，特副是对基床表层的填料和强 度有严格的要求，如日本设罱了强化基床表层，采用级配矿渣层或增设沥青混凝土表层 等，并用直径为3 0 e m 的平板荷载试验求出的地基系数控制压实效果；法国曾对全国既 有铁路的路基进行了详细、全面的调查，发现轨枕下道床加热层的厚度对防止路基病害 的产生有重要作用，当总厚度超过6 0 c m 时，线路良好，基床病害的发生概率较小。德 国6 0 7 0 年代是经济迅速发展阶段，铁路运量激增，轴重提高，速度加快，随之而来 的是路基病害日趋严重。使铁路运输的发展受到了制约。为摆脱这一困境，德国铁路部 门对如何提高路基承载能力，消除基床病害进行了深入的研究。提出了在路基表面设置 保护层的根本性措施。 ( 2 ) 严格控制路基填筑：包括对路基填料的分类、填筑压实标准和检测方法等，并开 发了一系列的检测设备和施工机械。各个国家根据本国的特点对路基填料进行了详细的 划分，并对每类填料的力学性能进行试验研究，从而确定它的试验范围。对路基填士质 量标准，多采用物理和力学性能双指标控制。如日本采用地基系数标准和压实系数标准 控制填筑质量；德国采用e v 2 和压实系数控制压实质量，并研发了可时时监控压实系数 的碾压机械。 ( 3 ) 加强路基的防排水措施，加强边坡和灾害的防护。要求防护工程与主体工程同时 完成，增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害。日本在基床表层设置5 c m 的 沥青混凝土层，就是防止雨水深入路基土层，从而引起路基病害。德国和法国分别在基 床表层中设置了隔水层，也是防止雨水下身，保护路基。 我国铁路路基工程经过几十年的发展取得了许多成就，积累了丰富的经验，但是随 着铁路运量的增加，轴重的增大，特别是大范围提速后既有线路基出现的病害日趋增多， 严重影响了铁路运输能力。 2 铁道科学研究院硕士学位论文 路肩作为路基的重要组成部分，有着重要的作用。要保证路基本体的整体稳定性 路肩应该有足够的宽度。我国不同等级铁路路肩宽度及线间距见表l 一1 表1 - 1不同等级铁路路肩宽度及线间距 等级路堤( m )路堑( m )线间距( m ) 普通铁路o 8o 64 0 2 0 0 k m h 客运专线 1 o o _ 84 4 京沪高速铁路 1 41 45 0 大秦重载铁路 o 8 o 64 o 路肩宽度主要取决于以下几个因素：路基稳定的需要，特别是浸水以后路堤边坡 的稳定性。根据日本、德国的经验，在降雨量大的地区，增加路堤宽度宽度对于保证线 路畅通有重要作用，可使因边坡坍滑中断列车的事故大幅度减少。一般路堤浸水后，边 坡部分土质软化，在自重与列车产生的振动加速度的共同作用下，容易发生边坡的浅层 滑坡。路肩较宽时，如果发生浅层坍滑，对路堤承载部分影响不大，从而不会对列车的 正常运行构成威胁。此外，路肩部分需要设置接触网支柱、电缆槽、通信、信号设备等， 为避免埋设这些设备而影响路肩部分的稳定，需要也有一定的宽度。满足养护维修的 需要，线路维修时搁置或推行小型养路机械需有一定的路肩宽度。为路堤压密与道床 边坡坍落留有余地，特别是路堤较高、沉降较大地段。如果陆地正常工后沉降o 1 m ，道 床坡脚就要加宽o 1 9 m ，再加上路堤本身的压密和道碴坍落，每侧多预留0 3 m 0 4 m 的宽度是必要的。确保人员安全避站距离的要求。 大秦线是我国货运重载铁路之一，是我国主要运煤通道之，其主要技术标准为： 线路等级：i 级 正线数目：双线 限制坡度：重车方向4 ，轻车方向1 2 最小半径：4 0 0 m 桥涵设计荷载：中一活载 牵引种类：电力 机车类型：s s 4 、s s 3 、d j l 牵引质量：4 0 0 0 吨、6 0 0 0 吨、1 0 0 0 0 吨 到发线有效长度：1 0 5 0 m 。部分车站1 7 0 0 m 铁道科学研究院硕士学位论文 闭塞方式：自动 其轨道结构为： 钢轨：重车线7 5 k g m ( p d 3 钢轨为主，部分p d 2 钢轨、稀二e 轨) ，跨区间无缝线路( 辙 叉前后接头采用冻结) ，轻车线6 0 k g m ( u 7 1 m n ) ，有逢线路。 轨枕：以i i 型枕为主，铺设9 4 8 4 k m ，i i i 型枕铺设5 92 k i n ，2 6 隧道内铺设轨枕板 11 0 6 k m ，混凝土桥枕1 2 0 5 k m ，另铺设少量i 型枕。 扣件：1 i 型弹条扣件3 3 7 6 k m ，i 型弹条9 1 7 3 k m 。 道床：碎石道床，石灰岩与玄武岩混碴道床。 路基：韩家岭至化稍营，路堤为主，高度小于6 m ；化稍营至涿鹿，路肇为主，商 度6 1 2 m ；涿鹿至延庆，路堤为主，高度6 1 2 m ；延庆至茶坞，几乎桥隧相连，路基 以半堤半堑为主；茶坞至木林，以路堤为主，高度6 - - 1 2 m ：木林至柳村，路堤为主， 高度小于1 2 m 。 道岔：重车线铺设7 5 k g m 道岔1 3 2 组，铺设6 0 k g m 道岔1 0 4 组；轻车线铺设6 0 k g m 道岔2 0 4 组。 大秦线开通以来，运量逐年增长，1 9 9 8 年2 0 0 3 年重车线通过总重见表l 一2 。 表1 2 大秦线1 9 9 8 2 0 0 3 年重车线通过总重( 单位：m t k m k m ) 年度 韩家岭湖东茶坞大石庄西张庄 湖东茶坞大石庄西张庄 柳村南 1 9 9 89 47 9 57 47 5 6 14 3l 1 9 9 9 1 2 o8 9 18 797 1 25 6 5 2 0 0 01 4 41 0 9 31 0 5 78 9 3 6 7 8 2 0 0 l2 8 51 3 1 31 0 6 21 0 6 21 2 2 5 2 0 0 22 0 41 4 5 71 1 7 61 1 7 6 8 5 6 2 0 0 32 6 41 7 3 31 0 6 21 0 6 29 0 6 随着运量的增加，设备病害发生和发展速度加快。大秦线有些地段路基仍在下沉， 特别是路桥及路涵过渡段地段不均匀沉降严重；许多地段路肩严重不足，一些地段己无 路肩：一些地段由于路基翻浆导致道床翻浆冒泥和板结。这些病害给运行万吨列车甚至 两万吨列车带来了安全隐患。 由上述可知，随着大秦线运量的逐年递增，路基承受的连续动荷载也将加大，尤其 4 铁道科学研究院硕士学位论文 是要开行2 0 0 0 0 吨货车，其连续作用次数将成倍增加。路基土体在列车循环荷载作用下 的强度需要我们作进一步评估，以确保路基的承载能力；易液化土体将产生许多路基病 害，翻浆区域土体的液化现象也需作进一步的评估：路肩及边坡的冲刷将降低路基的整 体稳定性，土体的抗冲刷能力需要进一步的评估。 要对大秦重载路基进行整体评估，我们要对以下几方面进行分析与研究： 1 运用多种检测方法与手段对现场路基土体的压实度、承载能力等指标进行检测； 2 ，进行路基动荷载测试，分析在7 5 k m 钢轨以及道床厚度为4 5 c m 的轨道结构卜， 运行2 5 吨轴重货车时基床表层动应力水平； 3 分析路基土体在连续循环荷载作用次数增加时土体承载能力的变化，分析连续作 用次数增加时土中孔隙水压的变化规律，并分析其液化的可能性，为运行2 0 0 0 0 吨货车 提供依据； 4 对路肩宽度不足、冲刷严重情况，对土体在水中的崩解情况进行研究。 1 2 基床动应力研究现状 国内外做了大量的工作，对不同轨道结构、不同轴重下基床动应力进行了测试。其 中对客车的研究比较多，对货车的研究比较少，尤其是7 5 k g m 型钢轨，4 5 c m 道碴厚度 下，轴重为2 5 0 k n 时基床动应力测试没有，大秦重载铁路要加大运量，运行2 0 0 0 0 吨 货车，有必要对此种情况下的基床动应力等参数进行测试。 1 3 土的动强度及液化研究现状 1 3 1 土的动强度研究现状 运行2 0 0 0 0 吨货车将导致路基所受荷载连续作用次数的增加，路基土体在此作用下 的动强度的变化以及孔隙水压的变化规律需要进一步进行分析。并对于土体的液化可能 性进行探讨。 土体是靠土颗粒间的接触和连接而形成的。若土颗粒间存在某种引力或胶结，则它 在没有法向压应力作用下也可以保持一定形状的土体，例如粘性土、胶结性黄土等。若 颗粒间不存在上述引力或胶结，则它必须依靠土颗粒间的压应力，通过摩擦阻力作用形 成一定形状的土体。当土不能成为土体或不能保持定形状时，就没有作为或是失去作 铁道科学研究院硕士学位论文 为工程材料的价值。所以土的强度，可以理解为土体在自重及外荷载作用下，为了保持 其一定形状，所不许超越的极限或临界应力状态。 动力作用与静力作用是不同的，动力作用是指作用在土体上的力随时间而变化，且 变化较快的情况。在土力学中作为动力问题处理的。主要有机器基础振动、车辆路基及 机场跑道振动、爆炸作用和地震运动引起的土动力学问题。动力作用从它的表现形式可 以分为冲击型和振动型两大类。冲击型中开始有一很大的冲击峰，然后较快地衰退下去。 振动型一般以某一振幅按一定周期重复循环进行。但还有变振幅、变周期、变波形等小 规则振动，以及长时期振动和短时期振动之别。在实际情况中，还可以出现兼有冲击和 振动两种型式的动力作用。 哈佛大学于1 9 4 6 1 9 4 8 年研究了加荷时间对土动强度的影响【1 i ，所谓加衙时间即从 开始加荷至试件破坏荷载达到峰值的时间。试验结果得出粘性土的抗压强度随加荷时 一j 的缩短而增大，干砂的抗压强度随加荷时间的变化不明显，随加荷时阊的缩短抗压强度 略有上升的趋势，但很微弱。麻省理工学院研究了应变速率对对土动强度的影晌【2 j ，试 验结果得出粘性土的抗压强度随应变速率的增大而明显提高，应变速率对干砂的强度影 响很小，松砂的强度随应变速率增大而增大的趋势很缓慢，密砂随应变速率增大而增大 的趋势大于松砂。粘性土在快速试验中反应出比静力试验强度提高很多，主要可能是： 土颗粒问连接力的滞后破坏；与剪应变速率成正比的粘滞阻力的作用；试件破坏 面上土体剪胀引起的孔隙水压力下降较快，由于粘滞渗透系数小，在快速加荷的短暂时 间内未及在全试件中重新调整而造成破坏面上的有效压力较大和抗剪强度变大。密砂在 高围压下强度随应变速率有较大提高，l e e 等认为应归之于土颗粒被挤碎引起的。关于 干砂在高速试验中都有上升趋势的原因，则被多数人认为试件侧向惯性力引起的。 s e e d 等( 1 9 5 5 年) 3 1 在研究车辆彳亍驶重复荷载对公路路基土强度和变形影响的工作 中，开始采用了应力控制和重复加荷三轴压缩仪进行试验，以使轴向累计应变毛达到某 一定值( 例如5 ) ，并将此时的轴向重复加荷应力值q 与相应的重复次数，关系曲线 作为评价土在重复加载作用下强度的标志。常亚屏( 1 9 8 4 ) 1 4 】曾在6 0 年代采用固定在竖 向振动台上的轴向惯性式振动三轴试验机研究了干砂的抗剪强度。试验得出密砂再开始 振动后摩擦系数即开始下降；松砂的摩擦系数在振动初期则有上升，然后再下降。但长 6 铁道科学研究院硕士学位论文 期振动以后于砂的摩擦系数最后降低程度仅在1 0 左右。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 6 ) 5 1 根 据无粘性土在剪切变形过程中的体积变化特性，即剪胀( 密的膨胀) 和剪缩( 松的紧缩) ， 认为两者之间存在一个临界密度，在此临界密度状态，土经受任何大的剪切变形或流动 时将无体积变化。如栗个处于临界密度的饱和无粘性土在连续剪切变形过程中孔隙水 来不及排出，将引起孔隙水压力上升和有效应力抗剪强度降低，以致失稳，甚至发生流 滑。反之，在任何情况下都不会有流滑危险。 铁路路基设计规范中把粗砂、中砂、细砂、黏砂、砂粉土、砂黏土都放入填料 之列，其中细粒士含量小于15 的粗砂、中砂为优质填料，细粒土含量在1 5 3 0 的 细砂、黏砂、砂粉上、砂黏土为良好填料，许多实践经验与室内实验都表明：饱和砂土 以及含一定粘粒的粉土在动力荷载作用下会发生液化，丧失承载力。而且含黏粒较少的 砂土、粉土在流水作用下的抗冲刷能力很低。 土体液化条件是抗剪强度为0 ，即有效e = 0 ，o - = 0 ，对于有触变性的高灵敏度粘土在 扰动后可能出现c = 0 的情况，属于触变现象一般不在液化问题讨论中，所以对液化问题 的研究主要集中于无粘性土或仅有微弱黏聚力的少粘性土。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 6 ) 6 1 根据无糙性土在剪切变形过程中体积变化的特性，即剪胀和剪 缩，认为两者之间存在一个临界密度，在此临界密度状态，土体经受任何大的剪切变形 或流动时将无体积变化。如果一个处于低于临界密度的饱和无粘性土在连续剪切变形过 程中孔隙水来不及排出，将引起孔隙水压力上升和有效应力抗剪强度降低，以致失稳， 甚至发生流滑。反之，在任何情况下都不会发生流滑危险。t e e z a g h i 等( 1 9 4 8 ) 【7 】在实 用土力学一书中引述了c a s a g r a n d ei 临界孔隙比的概念。t a y l o r ( 1 9 4 8 ) 博j 在土力学 基础较详细地讨论了砂土临界孔隙比的试验测定方法问题。s e e d 等( 1 9 6 6 ) 1 9 j 发表了 采用循环三轴试验模拟低级饱和沙层在地震波水平循环剪切作用下产生液化的研究成 果，他以首次出现等于o - 。3 0 的状态称为“初始液化”，并绘制了达到“初始液化”的盯。幅 值与，的关系图( l 为达到初始液化的循环次数) 。s e e d 经常把“初始液化”( j = c r 3 ) 和轴向应交幅占。或应变值占。的界限值( 例如= 2 5 或毛= 5 ) 作为饱和砂的液化 破坏标准，因为两者往往同时出现。 7 铁道科学研究院硕士学位论文 1 3 2 液化机理 就饱和无粘性土而言，主要有三种不同典型的液化机理： f 1 ) 砂沸 当一个饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头的变化而上升到等于或超过它 的上覆压力时该饱和砂沉积体就会发生上浮或砂沸现象，并且丧失全部承载力，这个 过程与砂的密实程度和体积应变无关，而是渗透压力引起的液化，常被考虑为渗透不稳 定现象。 f 2 ) 流滑 饱和松砂的颗粒结构在单程剪切作用下呈现不可逆的体积压缩，在不排水的条件下 引起孔隙水压力增大和有效应力减小，最后导致无限度的流动变形。 ( 3 ) 循环性活动 循环性活动主要曾被发现于相对密度较大的饱和无粘性士的固结不排水循环三轴 或循环单剪和循环扭剪试验中。 影响地基土液化的因素很多，主要有以下几个方面： ( 1 ) 与土中颗粒含量有关 一般说，细粒较粗粒容易液化，颗粒均匀的较颗粒级配好的容易液化。细砂容易液 化的主要原因是其透水性差。 ( 2 ) 相对密度 松砂较密砂容易液化，粉土是粘土与无粘土之间的过渡性土壤，其粘性颗粒含量决 定了这类土壤的性质，从而也就影响了液化程度，粘土颗粒少的比粘土颗粒多的容易液 化，当粘土颗粒含量超过表1 3 的限值时，即不发生液化。 表1 3 液化时粘性颗粒含量界限值 烈度 粘性粮径小于o 0 0 5 m m 的含量p ( ) 7l o 81 3 91 6 ( 3 ) 地下水位的影响 地下水位浅时较地下水位深时容易液化。对于砂土，一般地下水位小于4 米时容易 8 铁道科学研究院硕十学位论文 液化，超过此水位则不发生液化。对于粉土，在7 度、8 度、9 度区内地下水位分别小 j 二1 5 米、2 5 米、6 0 米时容易液化，超过此值则不发生液化。 ( 4 ) 地震烈度和地震持续时间的影响 多次震害调查表明，烈度越高越容易发生液化， 一般5 6 度及以下地区和少看到 液化现象。地震持续时间长时容易液化，即使地震烈度低也有可能发生液化。 ( 5 ) 土层深度有关 实验研究结果表明，土的侧压力越大，越不容易发生液化。侧压力的大小实际上及 映了土层的埋深，所以砂土层埋深越大，即有效覆盖压力越大，就越不容易液化，地震 时，液化土层的深度一般在l o 米以内m i 。 1 3 3 土的液化研究现状 砂土液化主要是由于孔隙水压力的变化引起的。周海林等研究了孔隙水压力随振 动次数变化规律。s e e d 等根据饱和砂土的动三轴试验资料，提出了一种计算孔压得应力 模型，在土体等向固结时表示为： _ p g ：当+ 三a r c s i n 【2 ( n n 。) 一l 】( 1 - 1 ) 盯o2石 。 7 其中p 。为振动孔隙水压力，口1 。为初始有效固结应力，。为无初始水平剪应力视 始液化时的振动次数，口为经验系数，与土的类型和密度有关，通常可取0 7 ( 如图1 - 1 所示) 。 蓑。1 崮0 6 0 4 彗0 2 阳0 ， -_ oo 20 4o 60 8l 周数比 图1 - 1 孔隙水压与振动周数比的关系曲线 粉土是一种具有特殊工程性质的土类，由于其土体性质、颗粒组成与砂土有明显差 异，不能单纯地套用针对砂土得到的液化判别参数。因此，进行粉土的动力特性和液化 9 铁道科学研究院硕士学位论文 问题的研究，探i 寸其规律性具有实际意义。 y o k e l 和d o b r y 等人提出采用应变控制的循环三轴试验，以动剪应变幅代替动应力 比作为判别土壤液化的指标。水平地面深度h 处的等效地震动剪应变y e 可以表示为： 趾嘶s h 警i 蒜 2 ， 昱l m u 【b b 一j l ( i ) 其中，n 为折减系数，决定于土体的密度和深度。g 、a m 。分别为重力加速度和地 面的最大水平地震加速度。盯，为深度h 处上层上覆压力，( g ，g 。) ，为相应于剪应变y ， 时的动剪模量比。将以与液化时相应的土体临界剪应变以，相比，当几 时，则该土体液化。 对于临界剪应变的取值，工程界尚未达成共识。y o k e l 和d o b r y 以使试样内不产 生超孔隙水压力的门槛剪应变值一( 1 0 - 2 ) 来预估液化势。很明盥，该取值对于工程界普 遍认同的初始液化判别标准( 仃。”= 1 ) 来说过于保守。而石兆吉等【6 】通过对已震场地 的经验分析提出= 2 。该参数相差如此之大，可见在土体抗震液化分析中，临界液化 剪应变的取值仍是一个难题1 2 】。 大量粉土液化试验研究表明，粉土液化取决于：1 ) 粘粒含量；2 ) 于重度；3 ) n 结压 力；4 ) 动应力；5 ) 动应力循环次数等。 血 立 吐 ； o 口 - j 一 - ： r 】 - 摹 ；笋 图l - 2 动剪应力比与干重度关系曲线 由图1 五动剪应力比与干重度关系曲线可知，粉士中无论粘粒含量如何，都有随干 重度增大抗液化强度增强的规律，即干重度愈大，的抗液化强度愈高，反之，抗液化 l o 铁道科学研究院硕士学位论文 强度降低”i 。 以上对影响土动强度及液化的各种因素进行了分析，但是对连续作用次数的增加对 土动强度及液化的影响的研究不多，尤其是对粉土及粉质粘土。大秦重载铁路路基填料 多为粉土及粉质粘土，这两种土质在连续作用次数增加时的动强度及孔隙水压变化规律 需要进行进一步研究。 1 4 土的湿化性状研究现状 路肩及边坡冲刷情况在既有线大量存在，路基在雨水冲刷作用下的整体稳定性降 低。土体在水中的崩解性状需要进步的评估，室内湿化试验能够反映土体在水中的崩 解性状。 土的湿化性是指其遇水后所发生的吸水崩解现象。目前国内外关于岩士湿化性的研 究日益增多，归纳起来集中在两个方面：利用直接浸泡的简易方法定性地观察和研究 湿化性；利用浮筒法或湿化耐久性试验对湿化性作出定量地评价。国外文献大多论及 软岩的湿化耐久性和软化效应，并将其作为软岩分类指标之一。m o r i w a k i ( 1 9 9 4 ) 提 出了岩土崩解的三种机理：1 由于被封闭的孔隙或裂隙中气体的压缩导致了了张应力的 产生；2 出予差异膨胀而产生张应力或剪应力；3 出于溶蚀等原嚣造成矿物颗粒闻胶结 物的削弱【1 4 1 。1 9 8 1 年c h u c h 或m i s s a v g e 也提出了类似的见解”1 。 国内近年来陆续开展了一些岩土湿化性的初步研究，对湿化性【3 】及其化学改良方法 4 1 有7 一定认识。但大多数的研究偏重于岩石崩解性1 6 2 0 。王小军等研究了膨胀岩 的湿化性状，赵明华等2 2 研究了红砂岩的崩解性状，林进也研究了粉砂岩的崩解性状， 认为崩解指数与岩石的塑性指数、孔隙比、干容重及粒度指标有关，通过试验得出岩石 崩解指数随塑性指数的增高呈上升的趋势，随着天然孔隙比的增大星上升趋势以及随着 干容重减小成上升趋势。李志安2 卅研究了化学制剂对粘性土崩解性状的影响，得出有机 质水合物制剂能有效地抑制粘土的湿化特性，其中有机质活性胶体成分是引起改良桔性 土水理性质变化的主要因素。 路肩及边坡的冲刷是由于土体在水中崩解及随流水流失所致，所以土的冲刷现象与 土的湿化性状密切相连。 铣j 苴科学研究院硕士学位论文 认识坡面冲刷应解决两个关键问题1 2 5 埘】：一是冲刷发生条件；二是冲刷强度。罗斌 等【2 从三种途径来认识冲刷的物理力学机制：从坡面流剪力入手。使土颗粒脱离土体 运动和流失，归根到底是坡面流拖曳力的作用。从坡面流流速入手。降雨强度大历时 长，坡面径流深，水流速度就大，就越容易发生冲刷，冲刷强度也越大。从坡面流能量入 手。坡面表层土体运移流失必然消耗一定能量，也就必须有能量来源，除了雨滴的动能，能 量只有来自于坡面流的动能。由于坡面流剪力、流速和能量之间存在一定关系，这3 个方 面可以建立联系，并互相补充。田伟平等1 2 9 j 对沿河路基分析了水流因素、河床土质因素， 几何边界条件等方面对冲刷深度的影响。 既有线路路肩及边坡冲刷现象大量存在，以上分析了影响冲刷及土体湿化的各种因 素，但很少对雨水冲刷作用下各种士体的抗冲刷能力进行评价。 1 5 本文主要研究内容和研究方法 我国铁路货运面临的压力越来越大，大轴重、高密度运输方式成为主要的方向随着 列车轴重与速度的增加。路基所受应力也将增加，就目前重载路基能否承受增大的应力 需要我们进行迸一步的研究。而且我国重载铁路目前存在不少问题，主要有路肩宽度不 足、路基下沉、路基松软、翻浆冒泥等病害，主要是由列车荷载以及作用次数的增加导 致路基强度不足和砂土液化所引起的，所以要进一步大幅提高运量，首先需要对路基在 动力作用下的各种指标进行测试，以确保路基的稳定性，其次要对多雨水地区的路基抗 冲刷能力作进一步评估，确保路肩有足够的宽度。本文从以下几个方面进行研究： 1 选择典型路段，采用深层核子密度仪、声波检测和动力触探等方法和必要的室内 试验对基床表面压实系数、基床模量及承载能力进行检测。 2 针对2 5 吨轴重货车进行实车动态测试，了解路基荷载的分布及变化规律。并且分 析列车轴重、轨道结构等对路基基床表层动应力的影响。 3 分析长大列车通过时连续作用次数的增加对孔隙水压累计变化的影响，针对易出 现翻浆冒泥和动力液化的基床土质进行室内动三轴试验，根据实际情况确定试验参数， 对路基土质动力特性进行评估。 4 针对普遍存在的路基不足的问题，在室内对土的崩解性做湿化试验，了解其抗冲 刷能力。以保证路肩有足够的宽度，确保路基整体稳定性。 铁道科学研究院硕士学位论文 2 1 试验概述 第二章路基现场检测 2 1 1 试验目的与意义 国外重载铁路修建时路基的标准相对较高，对填料和施工要求比较严格，而我国既 有铁路路基普遍先天不足。由于路基填料压实和强度不足经多年运营后往往会形成多种 状态而不仅仅是逐渐被压密，就目前的现状而言，也存在不少问题，主要有路肩宽度不 足、路基下沉、路基松软、翻浆冒泥等等。重载线路与一般线路之主要差别是运量大、 车流密度高，路基所受的动载强度及疲劳作用加大，轨道恶化加快。所以尽管大秦铁路 已重载运营多年，但要再大幅度提高运量，路基还要作进一步的评估。首先应对路基进 行现场测试，对其现状进行评估。 2 1 2 试验地点 试验区段位于秦西工务段k 4 1 4 和k 4 1 6 两处。其中k 4 1 4 为路桥过渡段，路基下沉 严重，道床较厚，后经加固整治己趋稳定，如图2 一l 所示；k 4 1 6 为路堑区段，路基存 在翻浆冒泥等病害，仍可见道床翻浆冒泥、边沟排水不畅等现象如图2 2 所示。 图2 - 1k 4 1 4 路桥过渡段区段 铁道科学研究院硕士学位论文 2 2 测试方法及试验仪器 2 2 1 测试方法 图2 - 2k 4 1 6 路堑区段 ( 1 ) 轻型动力触探试验 用1 0 k g 重锤，以0 5 m 的落高将相应标准尺寸的圆锥探头贯入土层，以每3 0 c m 锤 击数为测定结果来区分地层及确定其物理力学指标。用于基床填筑情况和承载能力的检 测。本次试验为了提高对地层的分辨率，以每贯入1 0 c m 锤击数记录，然后折算成每贯 入3 0 c m 锤击数，对于局部的急剧变化，分析时应取其平均值。 ( 2 ) 便携式可变能动力触探试验 为一种新型的动力触探仪，以手锤方式打入探头，全程记录锥头贯入阻力，既有轻 型动力触探试验的方便与灵活又具有静力触探高分辨率的特点。用于调查道床厚度和基 床的填筑情况及承载能力。 ( 3 ) 核子密度湿度试验 利用核子密度湿度仪，通过测量y 射线在经物质散射前后的强度变化和测试快中子 的散射能量可以确定被测物质的密度和含水量，从而可以判断路基及基床的压实程度。 压实度系数有现行的设计标准可以参照。 ( 4 黻速测试试验 在路堤的两侧分别确定振源点和接收点，测得剪切波在路堤土体中的传播速度。根 据剪切波在岩土介质中的传播特性，确定路基的物理力学参数，评价路基的力学状况。 1 4 铁道科学研究院硕士学位论文 f 5 ) 面波测试 应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分 析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的r 波，这些不 同频率的r 波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲振 动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的r 波分离出来，并求得相应的v r 值，进而绘制面波频散曲线。 ( 6 ) 室内常规土工试验 利用现场取土通过室内试验测试原状土的含水量、液塑限、最优含水量、最大干密 度等物理力学指标，确定土的类别及填料的组别，为其他试验资料分析及解释提供依据。 2 2 2 测试仪器 表2 1 测试仪器 名称型号数量备注 轻型动力触探1 套 核子密度湿度仪 m c ，3 l 台美国 面波1 台 波速测试系统1 套 室内土工试验仪器1 套 便携式可变能动力触探试验 p a n d a 1 台法国 2 3 测试结果分析 2 3 1 室内常规土工试验 利用现场取土，在室内分别作土样的击实实验、液塑限联合测定试验等，试验结果 如表2 2 。根据室内试验的结果，按照铁路路基设计规范( t b l 0 0 1 ) 的有关规定， 确定两个区段填料均属c 组。 铁道科学研究院硕士学位论文 表2 - 2 室内常规士工试验结果 、 位置 d k 4 1 6 + d k 4 1 6 + d k 4 1 4 坡脚d k 4 1 4 路肩 指标 3 7 04 0 0 最优含水量0 ) 一( ) l o 2 1 5 最大干密度p 。( g ，c m 3 ) 1 9 41 8 4 液限t f l l 2 2 5 3 0 4 4 63 5 塑性指数l ，6 5 51 2 61 1 2 土名 粉土粉质粘士粉质粘十粉质粘十 填料组别 cccc 根据试验结果，路基填料为粉土及粉质粘土，本文主要研究这两种土体循环荷载p 的动强度特性以及湿化性状。 2 3 2 核子密度湿度测试 在轻型动力触探测试相对应的各个位置分别作了核子密度湿度试验，如图2 3 所示。 图2 - 3 核子湿度密度仪现场测试 试验结果为含水量1 8 9 3 3 7 4 ，干密度1 4 6 1 7 7 9 e r a 3 ，与室内重型击实试验得 到的最大干密度相比，压实系数为0 7 9 0 9 6 。测试的结果表明路基含水量偏高，分析 认为这与测试期间本地区的降水有关，具体试验结果见表2 - 3 。 铁道科学研究院硕士学位论文 表2 - 3 核于密度湿度测试结果汇总 指标 d k 4 1 4 d k 4 1 4 深度( c n 泠 含水量干密度压实系数含水蹙干密度 压实系数 03 3 7 41 ，5 2o 8 32 4 9l | 5 00 8 1 1 0 3 3 7 41 5 2d 8 32 3 61 5 60 - 8 5 2 03 3 4 5】5 5 0 8 42 1 31 6 00 8 7 3 02 8 91 5 7o 8 5 2 3 11 6 0o 8 7 4 02 6 3 91 5 9o ，8 6 2 3 11 6 0o 8 7 5 02 3 6 31 6 70 9 l 2 2 71 6 20 8 8 6 02 2 。21 7 4o 9 52 2 1 1 7 0o 9 3 指标 d k 4