循環荷載下兗石鐵路路基膨脹土的動力特性試驗研究*

陳 強 彭永良 曹正正 汪 維

(西南交通大學地球科學與環境工程學院 成都 610031)

0 引 言

當今我國鐵路事業發展迅速，以列車提速和新建高速鐵路作為新的發展方向，預計2020年建設客運專線1.6×104ikm以上，其中眾多線路需穿越膨脹土分布的地段。膨脹土作為一種特殊的黏性土，在列車長期循環荷載和水的作用下，常常發生路基下沉、翻漿冒泥、邊坡失穩等病害。而對于既有鐵路線，由于建成時制定的標準低，隨著列車提速、載重量增大、荷載作用深度加深、路基承受的循環荷載次數增加，加劇了病害的產生(王立軍等， 2005)，其強度、變形、穩定問題難以保證，給鐵路健康運營埋下了更大的安全隱患。因此，研究循環荷載作用下膨脹土動力學特性具有實際工程價值，同時為進一步的理論研究打下基礎。

影響循環荷載作用下黏性土動力特性的因素很多，主要有：(1)土體的性質(飽和度、密實度、顆粒組成等)； (2)動荷載類型、頻率、作用時間等； (3)固結條件； (4)應力水平(吳世民， 2000)。蔡英等(1996)利用動三軸試驗研究了路基填土的永久變形隨加載次數、頻率的變化規律，結果顯示土的臨界動應力隨振動頻率的增大而逐漸減小，且存在一條漸近線。雷勝友等(1995， 2004)對膨脹土及石灰改性膨脹土動力學特性進行了研究，并根據累計應變的發展規律提出了彈性、強化、破壞3種狀態，同時發現振動頻率對土體變形無明顯影響。周小生(2010)研究了雙向循環荷載作用下膨脹土動彈性模量和阻尼比隨圍壓、含水率的變化規律。周葆春等(2009)進行了振動三軸試驗，探討了石灰改良膨脹土脆性破壞機理以及影響臨界動應力的因素。楊廣慶等(2003)通過動三軸試驗研究了水泥改良土的累計塑性應變、彈性模量和回彈模量的影響因素及變化規律。毛成等(2005)分析了膨脹土與改性膨脹土動強度指標等動力特性，結果表明：改良后的膨脹土力學特性得到了顯著提高。盧永貴等(1998)、郭志勇(2003)的研究結果也表明改性膨脹土動強度明顯增強。

目前針對膨脹土動力特性的研究較少，且多集中于改良土方面，而某些因素對膨脹土動強度的影響規律尚未達成一致觀點，如頻率的影響等。同時，含水量是影響土動力性質的最主要因素之一(Li， 1994)，膨脹土作為一種不良填料，其動強度對含水率的變化極其敏感。再者，路基基床受大氣降水影響，潮濕程度變化幅度大，特別是路塹處，濕度變化是路基基床發生翻漿冒泥的重要原因，有必要研究不同潮濕程度下膨脹土的動力學特性。為此，本文以兗(州)石(臼所)鐵路路基膨脹土為研究對象，開展動三軸試驗，研究含水率、振動頻率以及動應力幅值對重塑膨脹土累計塑性應變、動強度和臨界動應力的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器及土樣

試驗采用英國GDS動三軸儀，激振頻率為0.1～5.0Hz，測試精度高，允許用戶自定義動荷載類型。試驗用土為兗石鐵路臨沂段路基膨脹土，取樣位置為DK123+908； 土樣呈棕紅色，結構密實，硬塑狀態，中等膨脹性。具體物理性質指標、礦物成分與顆粒級配見表 1與表 2。

表 1 膨脹土物理性質指標Table 1 Physical properties of expansive soil

表 2 膨脹土礦物成分與顆粒組成Table 2 Mineral compositions and particle component of expansive soil

1.2 試樣制備

1.3 試驗方案

圖 1 循環荷載加載曲線Fig. 1 Curve of cyclic loading

本次試驗采用應力控制的加載方式，定義半正弦曲線近似模擬交通荷載(圖 1)。有關鐵路人員實測資料表明，鐵路路基表層的側壓力為20～60kPa(韓自力， 2002)，所以試驗控制圍壓為50kPa，所有試樣采用等壓固結。為了充分模擬膨脹土潮濕程度隨氣候水文環境的變化，配制含水率分別為15%、18%、21%、23%、24.5%、25.8%(飽和狀態)的試樣。列車振動頻率范圍通常為f≤2.35Hz(劉建坤等， 2009)，本次循環三軸試驗時，對于研究頻率的影響，取f分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz，其余試驗均取1Hz。試驗停止標準為：動力加載8000次或試樣軸向累計塑性應變大于10%； 試樣破壞標準為：軸向累計塑性應變達到5%。

2 試驗結果及分析

2.1 含水率對膨脹土累計塑性應變、臨界動應力及動強度的影響

圖 2 不同含水率下累計塑性應變與循環次數的關系曲線Fig. 2 Relation between permanent deformation and cycle-index without water contenta. ω=15%； b. ω=18%； c. ω=21%；d. ω=23%； e. ω=24.5%； f. ω=25.8%

由于臨界動應力的具體值是很難準確測試的，通常是取近似值。雷勝友(1995)定義膨脹土臨界動應力為強化狀態下的最大動應力水平，但筆者研究認為此方法找出的臨界動應力偏大。因為強化狀態下的曲線可能對應的是破壞型曲線，如圖 2d中動應力幅值為190kPa時對應的曲線，試樣顯然已經達到破壞標準，從工程安全角度來說，此方法得出的臨界動應力偏于危險。為了保險，本文定義臨界動應力為穩定型曲線下對應的最大動應力，并以此辦法來尋找不同影響因素下膨脹土的臨界動應力。從圖 2可以找出，含水率為15%、18%、21%、23%、24.5%、25.8%(飽和狀態)的膨脹土，臨界動應力分別約為520kPa、470kPa、295kPa、185kPa、115kPa、40kPa。含水率從15%變化到25.8%的過程中，膨脹土臨界動應力衰減了480kPa，衰減率高達92.3%。由此表明，臨界動應力受含水率的影響顯著，尤其處于飽和狀態下的臨界動應力只有40kPa。對于鐵路路基來說，受雨季降水量增多的影響，路基土含水率變化較大，當處于飽和或接近飽和狀態時，路基基床是不穩定的，可能發生路基下沉、邊坡滑塌、翻漿冒泥等病害，應引起重視。

為了更加直觀、定性地分析膨脹土臨界動應力與不同潮濕程度(飽和度)的關系，將試驗得到的臨界動應力與對應的飽和度繪制于σd-Sr坐標紙中，判斷在該飽和度下試樣處于穩定、臨界還是破壞狀態，此曲線稱為臨界狀態線(劉建坤等， 2009)，曲線見圖 3。臨界動應力與飽和度呈線性關系，擬合度較高。該曲線可作如下解釋：在土樣含水率穩定的前提下，動應力幅值在臨界狀態線以上時，土體會產生破壞的危險； 當動應力幅值在臨界狀態線以下時，則土體處于相對安全狀態，這一規律對于類似膨脹土路基地區具有參考意義。

圖 3 飽和度與臨界動應力的關系曲線Fig. 3 Relation between the amount of water and critical dynamic stress

圖 4 不同含水率的動強度曲線Fig. 4 Curves of water content on dynamic strength

土的動強度常被理解為一定動荷載振次下產生某一破壞標準所需的動應力(謝定義， 1998)。如前所述，本次試驗以累計塑性應變達到5%作為膨脹土的破壞標準。由于動三軸試驗采用的是等壓固結，根據三軸試驗原理可知，試樣在45°面上的動剪應力為σd/2，本文根據試驗結果，繪制不同含水率下膨脹土的動強度曲線(圖 4)。

從動強度曲線也能看出含水率對膨脹土的動抗剪強度影響顯著，含水率相差越大，動抗剪強度相差越明顯，表明膨脹土的強度對含水量的變化非常敏感，這與前述分析的飽和度對膨脹土臨界動應力的影響結果一致。從圖 4中還可以看出，動抗剪強度隨循環次數的增加而降低，近似冪函數關系(賴夏蕾等， 2016)，函數關系見式(1)：

τd=AN-B

(1)

式中，τd為動抗剪強度；N為試驗加載次數；A、B為土性和應力水平相關的無量綱參數，數據擬合結果見表 3。

表 3 動強度曲線擬合參數Table 3 Fitting parameters of dynamic strength

通過對表 3中不同含水率ω和參數A之間的關系進行擬合，可得兩者之間的經驗公式，見式(2)：

A=-23.693ω+69 285R2=0.9171

(2)

由式(2)可知，含水率與參數A擬合度非常高，筆者認為，是由于含水率的變化改變了土體的物理性質，參數A代表著土體本身的性質。

2.2 振動頻率對膨脹土累計塑性應變、動強度及臨界動應力的影響

圖 5 不同振動頻率下累計塑性應變與循環次數的關系曲線Fig. 5 Relation between permanent deformation and cycle-index without frequencya. f=0.5Hz； b. f=1Hz； c. f=2Hz； d. f=5Hz

圖 6 不同頻率下的動強度曲線Fig. 6 Curves of frequency on dynamic strength

圖 7 不同頻率下循環次數與累計應變的關系曲線Fig. 7 Relation between permanent deformation and cycle-index without frequency

圖 8 頻率與臨界動應力的關系曲線Fig. 8 Relation between the frequency and critical dynamic stress

由圖 8可以看出，膨脹土的臨界動應力隨頻率的增大而增大，大致呈線性變化。當振動頻率較低時，試樣有時間變形伸展，在較大動應力下，很快達到破壞標準； 在高頻作用下，試樣沒有充足的時間變形伸展，而被不斷地壓密，變形速率越來越小，從而具有一定的強度。所以，相同條件下，高頻荷載作用下土的臨界動應力更大。蔡英等(1996)對成都黏土的研究結果表明：振動頻率f=2～10Hz時，臨界動應力隨著頻率的增大而降低；f=10～15Hz時，臨界動應力趨于穩定，這顯然與本文的研究結論相反。但無論如何，頻率對黏性土動強度的影響是真實存在的，白冰等(1999)總結到，加載頻率對黏土的影響可能與土的黏滯性、測量對象的敏感程度及判斷標準有關。

3 結 論

本文根據室內循環三軸試驗，研究了含水率、振動頻率對膨脹土動力學特性的影響規律，并得到以下結論：

(1)循環荷載作用下累計塑性應變與循環次數關系曲線可分為3類：穩定型、臨界型、破壞型，并從工程安全角度出發，建議臨界動應力取穩定型曲線對應的最大動應力。

(2)含水率對膨脹土動強度、臨界動應力影響顯著，低含水率時，動強度很高，高含水率時，動強度極低。飽和狀態下臨界動應力只有40kPa，低于鐵路路基表面動應力，應引起重視，雨季應限速行車。

(3)頻率對膨脹土動力特性的影響為：f=0.5～5Hz時，動強度、臨界動應力隨著頻率的增大而增大； 膨脹土臨界動應力隨著加載頻率的升高而增大，在0.5～5Hz范圍內近似線性增加。關于振動頻率對膨脹土動力特性的影響仍需進行深入的研究。