列車振動荷載作用下南京細砂動強度變化規律研究①

陳　磊， 莊海洋， 沈禮偉， 李　浩

(1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司， 江蘇 南京 210005；

2.南京工業大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

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列車振動荷載作用下南京細砂動強度變化規律研究①

陳磊1， 莊海洋2， 沈禮偉2， 李浩1

(1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司， 江蘇 南京 210005；

2.南京工業大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

摘要：以南京細砂為研究對象，采用空心圓柱扭剪儀模擬列車振動荷載作用對應的土體單元所受應力路徑，考慮試樣圍壓、加載幅值和排水條件，研究列車振動荷載作用下土體動強度的變化規律。試驗結果分析表明：在模擬列車振動荷載作用對土體豎向應變的影響時，采用橢圓應力路徑來代替心形應力路徑是切實可行的，能克服試驗儀器高頻加載時無法有效模擬心形應力路徑的缺點；其次，當圍壓和加載幅值都較小時南京細砂主要表現為在振動初期強度強化特征，當振動次數達到一定數量后強度也達到一個穩定階段；當試驗圍壓較大時，隨振動次數增加，南京細砂的強度變化主要以強度弱化階段為主；同時，排水條件對其強度變化的主要影響表現為對其振動前期強度強化階段的影響，對其強度弱化階段的影響并不明顯。

關鍵詞：列車振動； 南京細砂； 動強度； 室內試驗

0引言

列車運行引起的路基長期沉降問題是目前軌道交通建設與運營過程中存在的重大技術難題之一[1]。例如瑞典建在深厚軟土地基上的高速鐵路，經瑞典國家鐵路局和其他單位聯合進行的高速列車振動現場測試，發現高速列車的運行引起了非常大的沉降，已超過保證鐵路安全運營的界限[2]；上海地鐵1號線在通車后8個月內沉降竟達到30~60 mm，四年內甚至達到了140 mm ，充分說明在快速軌道交通列車運行振動引起的動應力作用下，地基的長期附加沉降是非常可觀的，甚至直接影響工程的正常使用。

近幾年隨著國內高鐵和城市軌道交通的快速發展，對交通荷載作用下土的力學特性有了較多的研究。例如陳云敏、沈揚、姚兆明和唐益群等[3-6]分別對交通振動荷載作用下土體的累計變形特性、應力應變關系和強度變化等主要動力學特性進行了卓有成效的研究。國外學者Wichtmann和Gidel等[7-8]也進行了相近的研究。已有的研究成果已為生產實踐提供了很好的指導和工程應用。

飽和新近沉積土在各類交通荷載作用下的動力學特性是預測路基長期沉降的重要基礎。早期由于受到試驗條件的限制，一般都采用常規振動三軸儀進行室內試驗，即只能模擬土體在大主應力軸向循環應力路徑下的動力學特性。本文擬采用較為先進的空心圓柱扭剪儀模擬列車振動荷載作用對應的土體單元應力路徑，以南京地區新近沉積的細砂為研究對象， 試驗研究試樣圍壓、加載幅值和排水條件對南京細砂動強度的影響規律。研究成果可為南京及其長江中下游地區軌道交通路基變形的計算與分析提供有力的幫助。

1試驗概況

1.1南京細砂的物理特性及試樣制備

試驗土樣為南京細砂，對其進行重塑樣。試驗土樣的基本物理指標為：平均天然重度ρ=18.5 kN/m3；最大孔隙比emax=1.14，最小孔隙比emin=0.62；不均勻系數cu=2.31；曲率系數cc=1.07；重塑土樣相對密度Dr=0.5。對應的顆粒級配曲線圖如圖1所示。

試驗采用三瓣銅模制樣器制備砂土試樣，分4層裝樣，逐層擊實至控制重塑樣指標，將砂土均制成內直徑60 mm、外直徑100 mm、高200 mm的試樣。試樣制備完成后，首先采用抽氣通循環水進行飽和，直至連續10分鐘內不出現氣泡；將制備好的試樣安裝到GDS循環儀上，采用壓力控制器將反壓控制在100~150 kPa范圍內，繼續通循環水進行飽和，直至沒有氣泡冒出，調整內壓、外壓和反壓，測得有效圍壓接近預定值時開始固結。試驗達到有效圍壓并固結完成后即加循環荷載，開始振動特性試驗分析。

圖1　南京細砂的顆粒級配圖Fig.1　Grain size distribution diagram of Nanjing　　　 fine sand

1.2列車振動荷載的試驗加載

試驗儀器采用南京工業大學土木工程與防災減災實驗室內的GDS空心圓柱扭剪儀喧[圖2(a)]。該儀器上土樣尺寸:10 cm(直徑)×20 cm(高)，最大圍壓2.0 MPa，最大動態扭轉角度可達1 080°，可做實心、空心土樣在復雜應力路徑下靜、動力試驗。GPS儀器可對試樣施加四個獨立的荷載：軸力W、扭矩MT、內圍壓pi和外圍壓po。由于試驗儀器無法在各種試驗條件下較好地完成心形應力路徑加載，故試驗對心形應力路徑進行了簡化，采用橢圓形應力路徑代替，如圖2(c)中所示。為探明兩種加載應力路徑對試驗結果的影響，分別對兩種應力路徑下土的累計變形特性進行對比，如圖3所示。

圖2　試驗儀器與加載應力路徑Fig.2　 Test instrument and the loading stress paths

從圖3中可以發現，在不同加載幅值條件下，兩種應力路徑下豎向應變增長趨勢十分接近，增長幅度基本相同，100列次之后的累積豎向應變最大偏差出現在加載幅值25 kPa時，而此時的差值也僅為0.022%。由于試驗儀器影響及制樣裝樣過程中不可避免會存在一定偏差，兩者豎向應變的增長過程中存在較小的差值屬于正常現象。因此可以初步得到結論：在模擬列車振動荷載作用對土體豎向應變的影響時，橢圓應力路徑可以代替心形應力路徑。具體試驗方案見表1。

圖3　兩種不同加載應力路徑下試驗豎向應變時程對比 (圍壓120 kPa)Fig.3　Comparison of vertical strain time-histories tested under two different loading stress paths

試驗目的相對密度有效圍壓/kPa加載頻率/Hz動力加載幅值/kPa排水條件累積變形特性100.580115不排水200.51201101520不排水排水

2南京細砂動強度變化規律分析

2.1循環荷載作用下動模量等效計算方法

通過分析動模量動力參數，探究其隨累積軸向應變和偏應力的變化情況，來揭示南京細砂土動模量的發展變化規律。動模量及阻尼比的計算可采用圖4中所示的方法進行計算：

(1)

式中：Ed為動模量；σdmax、σdmin分別為應力-應變滯回圈中土樣的最大及最小動應力；εpmax、εpmin分別為應力-應變滯回圈中土樣的最大及最小動應力所對應動應變值。

圖4　模量阻尼計算示意圖Fig.4　Calculation diagram of dynamic modulus and damping

2.2動模量變化規律試驗結果分析

列車振動荷載作用下動模量的變化分為兩個階段，即振動開始之后的上升階段和一定振次之后的下降階段或者穩定階段。上升階段：在振動初期土體會隨著振動逐漸密實；下降階段：當應變繼續發展到一定程度土體顆粒結構開始發生改變，土體強度降低，動模量開始出現下滑趨勢；穩定階段：若加載幅值偏小，動模量在經歷上升階段后強度無法在現有振動水平下降低，則會保持一定模量值而不再變化。圖5給出了不排水條件下有效圍壓分別為80 kPa和120 kPa時南京細砂動模量隨列車振動次數的變化情況。

當有效圍壓為80 kPa時，振動初期隨著列車振動次數的增加，土樣逐漸被振動密實，土體強度有一個明顯的增強過程。隨著加載幅值變大，土體強度增長量及其增長速度也隨之變大。當加載幅值增大到25 kPa時，由于試驗控制精度不夠，動模量的變化較為離散，但總體上可以看出有一個明顯的下降趨勢；當有效圍壓為120 kPa時，南京細砂的動強度在振動初期的增強速度大大增加，尤其是當加載幅值增大到15 kPa時土體強度很早就出現了弱化現象，特別是隨著加載幅值由15 kPa增加到25 kPa時，這種弱化現象尤為明顯。

造成上述兩種不同圍壓下南京細砂強度變化規律明顯不同的主要原因為：當圍壓較小時振動加載幅值的變大很容易改變南京細砂顆粒的平衡狀態，轉化為更為緊密的顆粒結構排列，主要表現為剪縮狀態；當圍壓較大時，上述剪縮過程大大縮短，隨著振動次數的增加，孔壓增長也變得更加明顯，對土體強度的弱化作用也隨之增強。圖5中分別給出了強度變化不同階段對應的擬合公式。

圖5　不排水條件下動模量隨列車振動次數的變化Fig.5　 Dynamic modulus changes with the increase of vibration number under undrained condition

圖6　兩種不同排水條件下動模量變化規律對比 (圍壓120 kPa,加載幅值25 kPa)Fig.6　 The change of dynamic modulus under two different drainage conditions

圖6為兩種不同排水條件下對應的動模量與列車振動次數的關系。由圖6可知，在試驗為排水條件下南京細砂動模量的變化有兩個階段，即上升階階段和下降階段。此變化規律明顯區別于不排水條件下對應的試驗結果，即排水條件主要對南京砂土前期的強度強化階段有明顯影響，而對強度弱化階段的影響并不明顯。

3結論

對南京細砂重塑土樣開展交通荷載作用下土動強度變化特性試驗研究，通過對不同試驗條件下試驗結果的分析，得到如下主要結論：

(1) 通過試驗結果發現：橢圓應力路徑和心形路徑對土體豎向應變的影響基本相同，為了試驗方便可以用橢圓應力路徑代替列車振動荷載作用對應的心形應力路徑；

(2) 列車振動荷載作用下南京細砂的強度隨振動次數的變化階段并不完全呈兩階段變化，即當圍壓和加載幅值都較小時主要表現為在振動初期土體強度強化特征，當振動次數達到一定數量后強度達到一個穩定階段，且隨著加載幅值變大，振動初期土體強度強化越明顯；

(3) 當試驗圍壓較大時，南京細砂的強度隨振動次數增加的變化階段主要以強度弱化階段為主，且隨著加載幅值變大強度弱化現象也越來越明顯；

(4) 排水條件對南京細砂強度變化的主要影響表現為對其振動前期強度強化階段的影響，對其強度弱化階段的影響并不明顯。

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Variation Rule of Dynamic Strength of Nanjing Fine Sand under Train-induced Vibration Load

CHENL ei1， ZHUANG Hai-yang2，SHEN Li -wei2，LI Hao1

(1.JiangsuProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Nanjing210005,Jiangsu,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing210009,Jiangsu,China)

Abstract:Using a GDS hollow cylindrical torsional shear apparatus to model the stress path of strain-induced vibration, we investigated the dynamic strength of Nanjing fine sand under different loading conditions. To simplify the loading method, we modeled the relationship of the normal and shear stresses with an oval, rather than heart-shaped, stress path. Our results show that when the confining pressure and the amplitude of the train-induced vibration are small, the dynamic strength of the Nanjing fine sand first increases and then stays stable over time. However, when the confining pressure increases, the increasing stage of the dynamic strength of the Nanjing fine sand is very short and the dynamic strength values are also much smaller. After some vibration time, the dynamic strength of the Nanjing fine sand decreases almost linearly with increasing vibration. Also, as the amplitude of the vibration increases, the dynamic strength weakens more quickly. This also proves that the drain condition mainly affects the increasing stage of the dynamic strength and has very little influence on its weakening stage.

Key words：train-induced vibration; Nanjing fine sand; dynamic strength; laboratory test

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0089

中圖分類號:TU44

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0089-05

作者簡介：陳磊(1982-)，男，江蘇南京人，博士，高級工程師,主要從事軌道交通路基變形研究。E-mail：Emerald1982@126.com。通信作者：莊海洋(1978-)，男，副教授，主要從事軌道交通防災減災與防護研究。E-mail：zhuang7802@163.com。

基金項目：江蘇省自然科學基金青年項目(SBK201241288)；江蘇省研究生科研創新計劃項目(CXLX12_0436)

收稿日期：①2014-08-20