（道路与铁道工程专业论文）客运专线铁路基床填料动静三轴试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 作为客运专线无砟轨道结构基础的重要组成部分，路基基床应按一种高标 准的土工结构物进行设计、施工，其填筑材料、压实标准、变形控制等均较以 往铁路有更高要求，应具有足够的强度、刚度、均匀性及长期稳定性，因而对 填料的物理力学性质展开研究有重要意义。本文通过一系列室内试验，全面测 试描述基床填料状态有关的物理、力学参数，研究了路基基床土的物理性质和 荷载状态对动静强度及累积塑性变形的影响，基于试验数据的整理和分析，主 要研究工作及结论如下： 1 ) 对基床填料进行了颗粒分析、相对密度、击实、压缩和渗透试验。无砟 轨道基床主要填料为级配良好的级配碎石和a 、b 组填料，其渗透系数k f 1 0 。4 c m s ，属于自由排水无黏性粗粒土；具有可击实性，大型击实试验结果优于 标准击实；压缩系数随压实度的提高而减小，浸水后可压缩性增大；水力坡降 随着压实度提高而增大，渗透系数随压实度增大而减小。 2 ) 采用大型直剪仪和大型三轴仪，进行了不同压实度、含水状态和排气状 态的直剪和三轴压缩试验，分析了两种填料在不同状态下抗剪强度的变化。试 样的抗剪强度随着压实度的增大而增大，随围压的提高而增大，且黏聚力增加 明显，内摩擦角变化不大；直接剪切试验所得抗剪强度指标大于三轴压缩试验； 在密实度较小、反复剪切时，抗剪强度指标没有明显改变；当密实度较大、反 复剪切时，随着剪切次数的增加，黏聚力逐渐减小甚至消失，内摩擦角略有减 小；非饱和土及人工压实土本身均具有不同程度的吸力和负孔隙压力，在压力 不大时( 3 5 0 k p a ) ，不排水剪抗剪强度大于排水剪；排水条件下，浸水后试 样的抗剪强度、初始割线模量小于最优含水率状态，黏聚力减小，内摩擦角变 化不明显；压力较小时( i x 10 珥c m s ，b e i n gaf r e ed r a i n a g ea n dn o n s t i c k y c o a r s eg r a i n e ds o i l i ti sc a nb ec o m p a c t e d ，p r o p e r t yl a r g e s c a l ec o m p a c t i o nt e s t r e s u l t sm o r er e a s o n a b l et h a ns t a n d a r dc o m p a c t i o n c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fc o m p a c t n e s s ，t h ec o m p r e s s i b i l i t yo ft h es a m p l ew i l li n c r e a s e a f t e ri m m e r s i o ni nw a t e r c r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n ti n c r e a s e dw h e r e a sp e r m e a b i l i t y c o e f f ic i e n td e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo f c o m p a c t n e s s 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i r e c ts h e a rt e s ta n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t t h ep a p e r s t u d i e st h e p r o p e r t i e s o ft h et w ok i n d so f s a m p l e s ，d i s c u s s e sc o m p a c t n e s s ， w a t e r - b e a r i n gs t a t ea n dd r a i n a g ec o n d i t i o nw h i c ha f f e c ti t ss h e a rs t r e n g t h t h ei n i t i a l r e s e a r c h m e n ti s ：i t ss h e a rs t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e do fc o m p a c t n e s sa n d c o n f i n i n gp r e s s u r e ，t h ec o h e s i o ni si n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l ya n dt h ev a r i a t i o no fi n n e r f r i c t i o na n g l ei sn o ta p p a r e n t s h e a rs t r e n g t hi n d e xo fd i r e c ts h e a rt e s ti sl a r g e rt h a n t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t t h ev a r i a t i o no fs h e a rs t r e n g t hi n d e xi sn o ta p p a r e n tw h e n t h el o wd e g r e eo fd e n s i t ya n dr e p e a t e ds h e a r s t h ec o h e s i o na sg r a d u a l l yd e c r e a s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v 页 i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ i _ a sc u t t i n gf r e q u e n c i e si n c r e a s e de v e nd i eo u tc o m p l e t e l y , t h ei n n e rf r i c t i o na n g l e d e c r e a s e ss l i g h t l y , w h e nt h eh i g hd e g r e eo fd e n s i t ya n dr e p e a t e ds h e a r s u n d r a i n e d s h e a rs t r e n g t hl a r g e rt h a nd r a i n e ds h e a rs t r e n g t h ，w h e np r e s s u r ei sn o te v i d e n t ( a l 3 5 0 k p a ) ，b e c a u s e o ft h eu n s a t u r a t e ds o i l sa n da r t i f i c i a lc o m p a c t e ds o i l sh a st h e s u c t i o na n dn e g a t i v ep o r ew a t e r t h es h e a rs t r e n g t ha n di n i t i a ls e c a n tm o d u l u s ( i s m ) o fs a m p l e sw i t ht h eo p t i m u mw a t e rc o n t e n ta r el a r g e rt h a nt h eo n ea f t e ri m m e r s i o ni n w a t e r ，u n d e rd r a i n e dc o n d i t i o n s ，a sw e l la st h ec o h e s i o nd e c r e a s e da n dt h ei n n e r f r i c t i o na n g l ei sn o ta p p a r e n t t h es h e a rs t r e n g t ho fd i f f e r e n tk i n d so fw e l lg r a d e d g r a v e lw i t hd i f f e r e n tc o m p a c t n e s si sm o r et h a na & bg r o u pp a c k i n gw h e np r e s s u r ei s n o te v i d e n t ( a 1 1 时，即使达到瞬态极限平衡状态，试样仍 能继续承受荷载，距破坏尚远，采用这种破坏标准将过低估计土的动强度。 国内外很多学者都尝试着去确定路基永久变形的临界动应力，但却始终 没有一个很有说服力的判别标准。 l a r e wr “训等认为反复荷载下的破坏发生在应变率开始增大之时。g a s k i n 等在探讨s y d e n h a m 砂在反复荷载下的行为时，指出破坏的类型属永久变形 破坏，认为破坏发生的时机是应变率增大至最大时。b r o w n “1 等，研究了饱 和粉质黏土及不同过压密程度对破坏行为的影响，认为有些地区的路基上是 接近饱和的，对于饱和试验结果可用有效应力的观念加以分析。 w e r k m e i s t e f ”】等针对两类粒状土进行了不同轴差应力及围压下的三轴反 复荷载试验，发现粒状土在反复荷载过程中亦具有安定行为，可以观察到塑 性安定行为、塑性潜变形为和增量崩溃行为3 种类型的永久应变的累积，并 根据其行为特征确定了不同围压与轴差应力组合下路基土临界应力状态的范 围。 h e a t h t 川在整理伦敦粘土三轴试验累积应变和荷载作用次数关系时，发现 存在两组试验曲线，一组变形逐渐发展直到破坏，另一组的变形速率逐渐缓 慢最后达到稳定状态( 弹性条件) ；蔡英，等对重复加载下路基填土的临界动 应力和永久变形进行研究，提出永久应变与重复加载次数关系可以分为三类 即衰减型、破坏型和临界型。衰减型曲线的特点是加载初期，应变增加较快， 随加载次数的增加，由于相对较小的动应力水平，试样被压密，应变增量逐 渐减小，当加载到一定次数后，试样密度达到一定程度，能够抵抗外荷载的 作用，试样只产生弹性应变，永久应变基本趋于稳定。衰减型曲线可用下式 描述 占= 口( 1 + f l l o gn ) ( 卜8 ) 式中口、是动应力水平和土的性质有关的参数，为加载次数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 破坏型曲线的特点是试样的永久应变随加载次数非线性增加，一定的加 载次数后，由于重复加载导致试样的结构破坏，试样强度降低，变形增量迅 速增加，直到破坏。破坏型曲线近似符合下式： s = a n 6( 1 9 ) 式中，彳和b 的数值取决于动应力水平和土的性质，为加载次数。 介于衰减型和破坏型之间的曲线为临界型，其特点是应变有时变化较大， 有时变化较小，处于波动状态，表明土体处于稳定与破坏的临界状态，是区 分变形稳定与破坏的界限。这类曲线所对应的动应力为临界动应力，它是衰 减型和破坏型的动应力分界点，也可以作为土体动强度指标。 m i t c h e l l h 们等的研究结果显示，土体破坏的发生是因反复荷载下孔隙水压 的持续增大，最后发展到足以将有效应力路径落入由静态三轴试验所定义出 的破坏包络线区域内，致使有效应力随着荷载次数的增加而递减，而孔隙水 压的增大则与初始应力状态及应力水准大小相关，初始围压越大，孔隙水压 也越大，也有少数试样的有效应力路径尽管落在破坏包络线区域外但仍然产 生了破坏。r a y m o n d ”】等针对黏土进行了不同应力以应力水准为界，永久应 变可明显划分为两个类型当应力水准大于o 5 3 时，永久应变迅速增大直至 剪应力破坏发生当应力水准小于0 5 3 时，永久应变维持稳定累积。 廖化荣 2 结合安定理论和能量耗散观点，确定了不同含水量的红粘土在 循环荷载作用下的临界应力水准，并确定了不同含水量的路基红粘土在循环 荷载作用下的破坏包络线。 此外，临界应力水准与围压有着密不可分的关系。对于黏性土，除 b r o w n n ”等，对不同过压密度有过探讨外，其余多数学者在探讨临界应力水 准时都是将其界定于特定围压之下。伊能忠敏等副通过室内三轴试验，对三 种频率3 、3 7 、5 3 h z 下粘土的动强度进行了研究，得出随着振次的增加，土 的动强度逐步降低，并最后趋于稳定的结论。孙遇祺怕6 1 试验研究结果，也得 出：当振动超过一确定次数后，土的动强度指标将趋于稳定。一般认为，土 的动强度特性主要与土体的特性( 土的种类、含水量、密实度等) 及作用荷载 的特性( 荷载大小、作用频率、作用次数等) 有关，当土的含水量和密实度一 定的前提下，其动强度一般是随振动次数、振动频率、动应力大小等动力因 素的作用而有所降低“”- 。 姜朴2 1 认为动强度仍应以土在动荷载作用下能承受和不能承受的应力界 限来确定，它是土的真正属性。但由于动荷作用下土的应力可以多次、瞬时 地达到强度包线，而破坏只有在残余应变累积到足以视为破坏的数值时才能 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 出现。因此，对动强度和动破坏应明确地予以区别。动强度按强度包线确定， 动破坏按累积因变量确定。 对于地震和冲击荷载，作用时间很短，确定动强度时，指定的荷载循环 作用次数较少，当地震等级为8 级时，等效循环次数也只不过是3 0 次。对于 路基等工作在长期重复荷载作用下的介质，确定其动强度时应当与实际工作 情况相似，但是，由于长期重复荷载作用的条件室内很难模拟。因此，可以 确定而且对工程有实际意义的是由应变增长点控制的所谓“临界动应力 。 当动应力低于该临界动强度时累积变形发展缓慢，当动应力高于临界动应力 时，累积变形发展迅速旧“。在重复荷载下，土的不排水动强度一般为其静 强度的1 0 - - 8 0 【6 3 ，“1 。 通常认为土在动荷载作用下破坏的极限状态如用有效应力表示与其遭受 静荷载时的情形是类似的 6 7 4 7 1 ，。文献 7 0 ，7 1 用试验方法证实达到破环时土 单元具有与静力临界状态相似的性质，并证明有效动强度指标具有唯一性， 与初始应力状态及加荷过程无关，并且指出确定有效动强度指标要考虑累积 孔隙水压力的滞后性。 1 2 3 铁路路基基床填料研究现状 路基作为支撑轨道结构的土工结构物，其设计不仅要满足强度要求，还要 满足刚度要求，使轨道、路基组成的整体，满足列车高速、舒适、安全运行的 要求。因此，路基设计对路基填料提出了严格的技术要求。新建时速2 0 0 - 2 5 0 k m 客运专线铁路设计暂行规定( 铁建设 2 0 0 5 1 1 4 0 号) 明确规定：基床表层 应采用级配砂砾石或级配碎石等材料；基床底层采用a 、b 组填料或改良土， 基床以下路堤应优先选用a 、b 组填料和c 组块石、碎石、砾石类填料。基床 部分所用的级配碎石和a 、b 组填料，属粗颗粒土范畴盯“。粗粒土在自然界分 布广泛、粗粒料具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉 陷变形小、承载力高、地震荷载作用下不易产生液化等优良工程特性，符合 就地取材的条件，已在高土石坝、高速铁路路基、建筑物地基、海岸港湾护 岸、人工筑岛等工程中得到广泛应用。 粗粒土作为一种重要的工程材料，正在发挥着越来越重要的作用，但目前 一些土力学专著和教科书，多是以细粒土为主要研究对象，即使涉及粗粒土的 内容，也多限于砂土；虽然也有少量关于粗粒土的著作，但对粗粒土研究这门 学科而言，仍缺乏系统、全面论述的专著。 随着粗粒土工程应用范围的逐渐扩大，国内外学者对粗粒土工程特性的 研究也逐步深入。2 0 世纪5 0 年代，有许多土石坝工程利用砂砾石、堆石等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 填筑，但工程设计中采用的稳定分析指标，仍是以天然休止角代替内摩擦角， 粗粒土的工程特性不能充分反映出来，设计偏于保守，也不经济。6 0 年代以 后，陆续研制了一系列适用于粗粒土的试验仪器，例如大型直剪仪、大型三 轴剪切仪、大型击实仪、大型振动密实仪及大型管涌渗透仪等 ”，对粗粒土 的压实特性及压实方法、抗剪强度特性及其测试方法、应力应变特性及其参 数、渗透特性及渗流规律等进行了深入研究，提出了许多有实用价值的成果， 并在工程建设中发挥了重要作用，。 级配是影响级配碎石强度和刚度的关键因素之一，在级配方面众多研究人 员进行了大量研究工作。东南大学何兆益n5 “等通过关键粒径对级配碎石性能的 影响确定了各关键粒径的通过率范围，提出了最佳级配集料，给出了改善级配 碎石使用性能的合理建议。长安大学马毳”7 ，等利用自行研制的柔性材料剪切性能 测试仪，通过级配碎石抗剪切性能试验研究，分析了不同筛孔及其通过率对级 配碎石剪切性能的影响，推荐了关键筛孔的通过率。在尺寸效应上， m r o d g e r s 盯刚等认为尺寸比( 试件直径与试件最大粒径的比值) 选取恰当， 能很好的形成嵌挤，提高结构性的同时使得模量提高，三轴试验最佳的尺寸 比为5 左右。从成型工艺的角度来讲，王龙 盯等的研究表明，三轴试验无论 是国内还是国外均为捣实方法，对于主要以骨架形成强度的级配碎石难以有 效压实形成结构，且捣实法具有级配退化的负面影响，导致室内试验无法有 效的模拟施工现场，降低了试验结果的可信度。 胡仁伟旧- 等基于动三轴试验，在国内首次单独研究了试验前后道碴级配变 化、道床累积变形和变形率以及道床弹性随荷载作用次数的变化规律。何兆益 等【s “引通过室内动、静三轴试验对比研究，分别提出了级配碎石的动、静弹性模 量随应力状态而变化的非线性模型，并由此给出了两种模型间的关系，通过此 关系可用易于获得的静弹性模量近似的获取动弹性模量值。 为了适应目前土工建筑物应力和变形分析的需要，粗粒土的应力应变关 系成为岩土力学研究的重点内容之一，特别是动力变形强度特性已成为学术 界和工程界的重要课题。我国科技工作者相继在“七五”、“八五”、“九 五”期间对此进行了大量的研究，并取得了丰富成果旧3 “。这些高质量的研 究成果，不但满足了面板坝设计理论和工程实践方面的需要，并为粗粒土在 工程建设其他领域中日益广泛的应用起到了积极地推动作用。文献 8 9 ，9 2 研究了粗粒土的强度和变形特性，提出了各种状态下的应力应变特征及其本构 模型。 h a r g i s 9 副对重复荷载作用下颗粒材料动力特性进行了研究，通过对石灰石 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 集料的动三轴试验总结出回弹模量及永久变形的计算式。b a r k s d a l e h ”通过对 不同颗粒材料的永久变形进行研究时发现，在动应力水平较低时，塑性变形 的累积率随荷载作用次数的增大而减小，当动应力水平超过某一临界值后， 塑性变形的累积随荷载次数的增大而增大，并导出了轴向塑性变形的计算式。 m o n i s m i t h 伸副研究了在重复荷载作用下击实条件、应力水平和应力次序对粘性 路基土永久变形的影响，发现塑性应变率随荷载作用次数增加而减小，在受 到高应力水平作用前先受低应力水平的作用，其永久变形比直接受高应力水 平作用的要小，并导出了累积塑性应变的表达式。b r o w n 阳引通过对饱和黏性 土路基的永久变形的研究，提出了有效应力分析的方法，发现对于超固结比 的土，塑性变形即使到了荷载作用1 0 6 次后仍在发展。 u sd e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n 阳7 ，对道碴、路基材料及轨道系统做了综 合研究，其中包括道碴及路基土的永久变形特性，并给出了不同的计算模型， 认为路基土永久变形的计算式与m o n i s m i t h 相同，影响路基永久变形的主要 因素有含水量和密度、应力水平、应力历史、冻融循环等。b g e o r g e 旧刚基于 对动力问题的累积残余变形和由于蠕变而产生变形的对比性分析，提出了一 种计算砂土在反复荷载作用下永久变形和应力的数值模型，它采用蠕变公式 来代替往复荷载作用下的应力应变公式，可以描述三维情况下的应变累积， 还可以被应用于整个边界和动载条件，因公式是用有效应力来表示，故排水 和不排水问题可以用一套参数来解决。l i l 9 9 l 基于m o n i s m i t h 的路基土累积塑 性变形模型，对级配良好的路基土做了大量的试验，以此对m o n i s m i t h 模型 进行改进，提出了新的计算模型。 为了更好地进行粗粒土静、动变形和强度特性研究，国内外一些学者在 大三轴试验提出了静动荷载相耦合的复杂加载方式( 即在三轴剪切试验单调 加载途中不同应变水平处施加微小循环应变) ，并取得许多重要成果。如孔宪 京【- ”】针对姬砾和砾美砾深入探讨了等效动弹性模量的应力相关性；龙冈文夫 n 1 验证了粘土、软岩等在微小应变时呈线弹性，并讨论了小应变时塑性变形 特性( 等效阻尼比、等效动弹性模量的衰减、潜在液化势) 和弹性变形特性的 关系；蒋关鲁别针对西武和千叶砾石进行三轴压缩试验，定性分析了应力历 史与复杂加载路径对砾石静、动力变形和强度特性的影响。l op r e s t i n ”1 等采 用由计算机控制的常规三轴压缩试验仪，对丰浦砂和q u i o u 砂进行了两种加 载系列的三轴压缩试验，研究了应力历史、岩性、超固结比等因素对杨氏变 形模量的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 3 本文主要工作 依托武( 汉) 广( 州) 客运专线的建设，本文拟通过路基基床土的动、 静三轴试验，全面测试描述基床填料状态有关的物理、力学参数，研究路基 基床土的物性和所受荷载状态对动、静强度及累积变形的影响。累积变形和 强度分别是路基由计划维修向状态维修过渡和路基结构仿真计算分析的依 据，为设计计算及有限元分析方法提供数据基础。具体内容包括： 1 为比较全面系统地了解基床填料的物理、力学性质，测定基床填料的 基本物理、力学性质参数。现行的铁路工程土工试验规程关于粗粒土的 试验规程还不完善，参照水利部土工试验规程，测定级配碎石和a 、b 组填料的基本物理力学性质指标。具体内容包括：测定两种填料的颗粒级配； 采用相对密度仪测定两种填料的最大、最小干密度；用标准重型击实仪和大 型电动击实仪对两种填料的最大干密度和最优含水率进行测定，对比分析两种 试验的优缺点；采用大型压缩直剪仪，分析两种填料在不同压实度下的抗剪 强度和残余强度，通过改变压实度和含水状态等条件对两种填料的压缩特性 进行分析和研究；采用大型垂直渗透仪用常水头法对填料的渗透特性进行研 究。 2 使用液压伺服大型动静三轴试验机，分别对级配碎石和a 、b 组填料进 行静三轴压缩试验，分析不同压实度、含水状态对两种试样抗剪强度的影响； 对比不同排水( 气) 条件对级配碎石抗剪强度的影响