土工格柵對受污道砟直剪特性影響的試驗研究

高 睿 ，石知政 ，劉洋澤鵬 ，陳 靜 ，張榮隆

（1. 武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072）

道砟層是鐵路軌道的重要組成部分，它通常由20～65 mm 的中粗顆粒組成[1]，具有減小枕木傳遞的荷載、提供橫縱向阻力以及優化排水條件等功能[2].在風力、雨水等自然條件的作用下，鐵路沿線的揚塵砂土等粉塵會散落在道床上，列車運行時的荷載會引起道砟的磨損和下層路基中小土石顆粒的上涌.污染物的沉積會弱化道砟層的力學性能，影響鐵路運營時基礎的穩定性和安全性，因此必須花費大量資源對受污染的道砟進行清理和替換[3]，所以研究污染物對道砟層的影響具有十分重要的工程和經濟意義.

當前，國內外學者已經對受污染道砟做了大量的研究. Akbar 等[4]研究道砟顆粒級配對含砂污染物道砟剪切力學性能的影響，發現砂臟污會減小道砟的剪切強度；Kashani 等[5]采用排水三軸試驗研究了不同含水率條件下受污染道砟的變形特征；徐旸等[6]對多種道床臟污評估指標進行綜合分析，認為道床抗剪性能的下降幅度與臟污程度有關；高亮等[7]通過直剪試驗研究黃砂和煤灰臟污對道砟力學特性的影響效果，發現煤灰材質所引起的道床臟污對散體道床剪切力學性能的削弱作用大于黃砂臟污.

為了控制道砟層的沉降和橫向位移，許多學者開始研究采用土工格柵來加強道砟層的整體性.Hussaini 等[8-9]通過對格柵加固道砟進行動力循環荷載試驗，發現土工格柵可以限制道砟的縱橫向變形；Chen 等[10-11]研究了土工格柵在不同形狀、位置等條件下的加固效果，確定土工格柵相對于道砟平均粒徑的最優孔徑比為1.4；Sweta 等[12]通過改變道砟直剪試驗的剪切速度，發現剪切速度可以在一定程度上影響土工格柵的加固效果.

現有研究大多僅關注土工格柵的加固作用或污染物的弱化作用，但是污染物進入道砟顆粒骨架空隙中，不僅對道砟本身的承載機制產生影響，更會影響土工格柵對道砟散體的加固效果. 土工格柵和污染物的綜合作用對道砟力學特性的影響規律尚不明晰，有待進一步研究. 因此，本研究利用自行研制的大型直剪儀，在考慮黏土污染的情況下，對土工格柵加固的道砟進行試驗，分析不同污染程度下道砟混合體剪切強度、變形特性等變化規律，得出了不同污染情況下非線性強度及參數的擬合曲線，對受污染道砟維護和加固具有重要參考.

1 直剪試驗

1.1 試驗材料

本次試驗采用的道砟材料是武漢地區附近未服役的一級鐵路道砟，母巖為花崗巖. 道砟樣本級配如圖1 所示，符合鐵道行業標準TB/T 2140—2008 中4.3.1 章節關于道砟級配的要求；道砟試樣的平均粒徑d50為42 mm，不均勻系數Cu為1.59. 試樣中加入的污染物是武漢地區Q4al+pl黏土，其參數見表1. 試驗中所用的格柵（圖2 所示）為實際工程中常用到的雙向土工格柵，其參數見表2.

圖1 道砟試樣級配Fig. 1 Particle size distribution of ballast samples

表1 試驗材料參數表Tab. 1 Physical properties of test materials

圖2 試驗土工格柵Fig. 2 Diagram of geogrid used in the experiment

表2 土工格柵參數表Tab. 2 Physical and technical properties of geogrid

1.2 試驗裝置

本研究根據道砟特點，結合以往學者[13-15]的研究，采用自行研制的大型直剪儀，直剪儀的布置如圖3. 剪切盒由固定的600 mm × 600 mm × 250 mm的上剪切盒和可移動的700 mm × 600 mm × 250 mm的下剪切盒組成，其尺寸約為道砟最大粒徑的9 倍，可以忽略尺寸效應的影響[16]. 法向壓力由固定于反力架橫梁上法向的15 t 高精度千斤頂提供，水平剪切力由抵在底座反力板上同型號水平向的千斤頂提供. 千斤頂通過與其相連的液壓伺服控制設備實時調控壓力，以保證法向壓力穩定和水平向的勻速加載. 在千斤頂頂頭底部安裝壓力傳感器，以實時監測記錄法向壓力和水平剪切力；同時，由連接在靜態電阻應變儀上的法向位移傳感器和水平位移傳感器實時監測記錄法向位移和水平位移.

圖3 試驗裝置Fig. 3 Diagram of direct shear test apparatus

1.3 試驗過程

為研究不同污染程度對土工格柵加固道砟的影響，試樣中要摻入不同量的黏土污染物，所選用的污染指標為Indraratna 等[17]提出的VCI （void contamination index,VVCI）：

式中：ef為污染物的孔隙率；eb為道砟的孔隙率；Gs,b為道砟的比重；Gs,f為污染物的比重；Mf為污染物的干質量；Mb為道砟的干質量.

本次試驗分別對表3 所示試樣進行直剪試驗.

表3 試驗方案Tab. 3 Experiment schemes

試驗前，對道砟材料進行清洗、曬干、篩分. 在配制試樣時，根據VCI 指標的計算結果稱取相應質量的道砟和黏土進行混合，控制道砟級配和所有試樣的總質量保持一致. 將混合均勻的材料分4 層裝入剪切盒中，每層裝填完成后，振動夯實至相同指定高度，使試樣密實并保證試樣初始狀態的一致性. 在裝填至上下剪切盒之間時，鋪設雙向土工格柵，格柵掛在固定于下剪切盒上的螺紋鋼筋上來模擬非位移邊界[18]. 整個試樣裝填完成后，用約100 kPa 的法向壓力進行預壓約1 min. 試驗開始后，先對試樣施加法向壓力，待法向壓力穩定后，進行水平向加載，使下剪切盒保持3 mm/min 的剪切速度. 當下剪切盒達到60 mm 的剪切位移（即樣本10%的剪切應變）時停止加載，加載過程中每達到1.5 mm 的水平位移做記錄點，記錄法向應力、剪切應力和法向位移等數據.

2 試驗結果分析

2.1 應力應變特征

所有道砟試樣直剪得到的剪切強度與水平位移關系曲線如圖4 所示，各曲線峰值剪切強度如表4，圖中：σn為法向壓力. 對比未加土工格柵不同污染程度下的剪切結果發現，在4 種法向壓力下，道砟試樣的剪切強度峰值都隨污染程度的增加而呈現下降趨勢；且在相同法向壓力下，VCI 大的試樣剪切強度上升趨勢更為平緩，說明黏土污染不利于道砟試樣剪切強度的形成. 其原因是試樣的剪切強度主要來源于道砟顆粒間的咬合力和摩擦力，而黏土污染物填充了道砟顆粒之間的空隙，起到了對道砟顆粒的潤滑作用，減少了道砟顆粒的咬合，從而降低了試樣的剪切強度. 在各污染程度下，土工格柵加固均可有效增大道砟試樣的剪切強度. 1 號、2 號、3 號試樣在4 種法向壓力下的平均峰值剪切強度分別比4 號、5 號、6 號試樣提高了17%，24%和22%. 對比1 號試樣與2 號試樣、4 號試樣與5 號試樣的結果發現，黏土污染使未鋪設土工格柵試樣的峰值剪切強度下降了13%，而采用了土工格柵加固的試樣的峰值剪切強度只下降了8%. 說明土工格柵可以減小黏土污染物對道砟試樣剪切強度的削弱作用. 原因是土工格柵的肋與節點可以限制道砟的移動，提供類似道砟顆粒間咬合的作用，減弱由于黏土顆粒填充孔隙對道砟顆粒咬合及摩擦帶來的不利影響，從而增加了試樣的剪切強度.

表4 峰值剪切強度數據Tab. 4 Results of peak shear stress

圖4 剪切強度與水平位移關系曲線Fig. 4 Shear stress-shear displacement curves of ballast samples

2.2 剪切強度特征

由于道砟散體的特性，線性的摩爾庫倫強度準則不能很好的表征出試樣剪切強度的變化規律[16].因此本文采用Indraratna 等[19]提出的非線性強度準則對道砟強度進行分析，如式（2）.

式中：τp為試樣的最大剪切強度；σc為道砟母巖的單軸抗壓強度；a、b為無量綱的擬合參數，后文分為有格柵（a1、b1）和無格柵（a2、b2）兩種.

對表4 中數據采用式（2）擬合，結果如圖5所示（σc=130 MPa）. 可以看出：隨著污染程度的增加，道砟剪切強度包絡線向下移動，道砟剪切強度降低.

從圖5 的擬合結果可以看出：擬合參數a、b隨污染程度的改變而變化，且在試驗涉及的污染范圍內（VCI = 0～40%）與VCI 有較高的相關性. 采用指數函數對參數a、b與VCI 進行擬合，結果如圖6 所示. 參數a、b增加會降低試樣的峰值剪切強度，從圖6 中可以看到：與無污染試樣相比，添加黏土污染試樣的參數均會增大，并且參數增加的速率隨著VCI 的增加而逐漸增大，從而說明污染物含量VCI的增加對道砟試樣剪切強度形成的不利影響是逐漸加劇的. 根據圖6 的擬合結果，在實際工程中，可以通過對VCI 的測量，對道砟的剪切強度做出初步的估計，對實際工程具有一定的參考意義. 例如，將通過圖6 擬合公式計算出的有格柵擬合參數a1、b1代入式（2）中，利用得到的強度包絡線與潔凈道砟的強度包絡線進行對比，可以判斷土工格柵的加固效果.而在VCI 大于40%時，試樣內黏土的含量較多，試樣峰值剪切強度下降較大，此時道砟層需要維護更新，不再具有應用的價值.

圖5 不同污染程度下道砟強度包絡圖Fig. 5 Strength envelops of ballast at different VCIs

圖6 非線性強度準則參數擬合曲線Fig. 6 Fitting curves by nonlinear failure criterion

2.3 剪切變形特征

圖7 顯示了試樣剪切位移和法向位移之間的關系曲線，可以看出不同VVCI條件下，所有試樣都是先剪縮后剪脹，符合密實材料變形的典型特征. 通常認為最大剪脹量小的試樣，顆粒間的咬合更加緊密，更有利于剪切強度的形成. 從圖中可以觀察到：相較未鋪設土工格柵時的結果，土工格柵的加固作用可以減小試樣的最大剪脹量，這和以往學者的研究相同[20-21]，并且本文在2 號試驗時，抑制剪脹的平均效果達到了26.6%，此時土工格柵的加固效果最明顯.然而也可以觀察到，如在75 kPa 法向壓力下，5 號和6 號的最大剪脹量相較于4 號，分別下降了40%和54%，即黏土污染會減少試樣的最大剪脹量，而且VVCI越大，試樣剪縮時間持續得越長，剪脹量減小得越明顯. 但是根據周躍峰等[22]的研究，該剪脹量的減小是由于填充于道砟顆粒間的欠密實黏土的剪縮引起的，對道砟的剪切強度并沒有提升作用. 相反，根據相關學者的研究[7,18]，占據了道砟空隙的黏土顆粒會減少道砟重新排列的空間，不利于道砟重新排列形成相互咬合，這也可以由前文黏土污染降低試樣剪切強度的試驗結果進行印證.

圖7 法向位移與水平位移關系曲線Fig. 7 Vertical displacement versus horizontal displacement curves

峰值剪脹角是水平位移和法向位移曲線中最大斜率與水平線的夾角，反映了材料剪切變形的特點.圖8 為不同法向壓力下，試樣的剪脹角隨著污染指標變化的關系圖. 從圖中可以看出：隨著VVCI的增加，所有法向壓力下試樣峰值剪脹角都呈現出減小的趨勢；1 號、2 號、3 號試樣的峰值剪脹角比4 號、5 號、6 號試樣約小0.7°～3.7°，說明土工格柵可以限制道砟顆粒和污染物的移動，起到了抑制試樣剪脹的作用.

圖8 峰值剪脹角與污染程度關系Fig. 8 Relationship between the peak friction angle and VCI under various normal stress

3 結 論

本文利用自主研發的大型直剪儀，采用黏土作為污染物，對不同VVCI的污染指標、不同格柵加固狀態下的道砟試樣進行了一系列的直剪試驗. 分析了直剪條件下，污染物及土工格柵相互作用對道砟體強度及變形的影響，得出以下結論：

1） 隨著黏土污染物含量的增加，道砟體的峰值剪切強度呈現下降的趨勢，剪切強度曲線上升趨勢更加平緩，削弱了道砟層的剪切力學性能.

2） 在相同污染程度下，土工格柵加固可以增大試樣的峰值剪切強度，減小試樣的最大剪脹量和約0.7°～3.7° 的峰值剪脹角；不同污染程度下，土工格柵的加固效果不同，本研究中在VVCI為20%條件下，格柵加固的效果最為明顯.

3） 采用土工格柵加固和未用土工格柵的道砟剪切強度均表現出典型的非線性，土工格柵會影響非線性強度準則中的無量綱參數. 在VVCI為0～40%時，污染指標和無量綱參數具有較高的相關性.可以利用該相關性，通過對污染指標測量，預估道床的峰值剪切強度，對實際工程中受污染道砟的維護工作具有一定的參考意義.