高鐵列車荷載作用下路基填料變形特性研究

董 恒

（西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

路基是一種常見的用來支撐軌道結(jié)構(gòu)的下部構(gòu)筑物。我國的高速鐵路大多采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，有砟軌道和無砟軌道的路基結(jié)構(gòu)具有相同的形式，從上到下分為基床表層、基床底層和基床以下路堤三部分。基床表層和基床底層在承載荷載（包括交通荷載）并將荷載分散到路基上起關(guān)鍵作用。基床表層和基床底層由碎石、粗砂等散粒材料組成。大量針對路基填料的研究表明，基床表層和基床底層的變形量可以占到整個路基總變形量的50%以上。粗粒土的長期動力特性評估大多是基于實驗室內(nèi)重復三軸試驗進行的[1-3]。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，對高鐵路基填料強度和變形特性的研究已經(jīng)成為熱點問題。因此有必要對非飽和高鐵路基填料（粗粒土、級配碎石等）在不同工況下的變形特征進行深入研究。

該文以高鐵路基基床底層填料為研究對象，考慮含水率和加載頻率等因素，開展了一系列不同加載條件下的循環(huán)三軸試驗。對比分析了加載頻率和含水率等因素對高鐵路基填料軸向累積塑性應變和回彈模量的影響規(guī)律。研究成果對長期處于高鐵列車荷載作用下的路基動力穩(wěn)定、變形控制和病害防治具有重要意義。

1 試驗條件及試驗方案

1.1 試驗儀器

該文試驗所采用的儀器是KTL微機控制的動三軸儀，如圖1所示，主要由軸向加載系統(tǒng)、孔壓傳感系統(tǒng)，壓力系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，軸向加載系統(tǒng)采用電磁激勵器供電，最大加載能力為10kN，位移行程為100mm，最大加載頻率為5Hz。圍壓由體積壓力控制器提供，體積壓力控制器最大加載壓力為2MPa，體積壓力控制器可以實現(xiàn)圍壓和反壓的無限切換，為孔隙水的變化提高足夠的體積。加載模式由計算機實時控制，可以實現(xiàn)不同加載模公式（包括多級加載模式）。該儀器的試樣尺寸為直徑100mm，高度200mm。

1.2 試驗土樣與制備

該試驗所采用的高鐵路基填料取自成都附近一個采石場，在實驗室對高鐵路基填料進行了復配。該試驗所用三軸設備所能測試的試樣尺寸為100mm直徑和200mm高度。為了消除試驗尺寸的效應影響，試樣內(nèi)顆粒最大粒徑不應大于試樣直徑的1/5。為了更好地消除尺寸效應，該試驗所用粗顆粒材料最大粒徑為10mm。為了模擬哈大高鐵基床填料的粒度分布，按照平行相似法對原始路基填料的級配進行了縮放，將五種不同粒徑的土（包括礫石，砂和粉質(zhì)黏土）按預定的比例混合在一起，縮放前后的級配曲線如圖2所示。可以看到，縮放前后的兩條級配曲線基本平行，具有良好的對應關(guān)系。現(xiàn)場原型粗粒土與縮尺后的粗粒土在顆粒形狀和表面粗糙度上相近，而且兩類顆粒均為硬質(zhì)礫石，模量等物理量是相近的。因此，可以認為材料差異引起的試驗結(jié)果差異很小。

該文將粒徑小于2mm的土定為細粒土。該試驗所混合的小于0.075mm的土液限是27.48%，塑限是17.23%，塑性指數(shù)是10.25%。根據(jù)土壤分類系統(tǒng)，小于0.075mm的土定名為粉質(zhì)黏土，按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB 10102—2010）[4]中擊實試驗相關(guān)規(guī)定，對級配碎石及細粒土進行了壓實試驗，得到級配碎石最優(yōu)含水率為5.7%，最大干密度為2.08g/cm3。細粒土的最優(yōu)含水率為13.3%，最大干密度為1.87g/cm3。根據(jù)鐵路路基設計規(guī)范（TB 10001—2016）[5]，試樣的壓實系數(shù)取為0.95，試樣的制備過程參照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB 10102—2010）[4]進行。

該試驗所測試的圓柱形試件高度為200mm，直徑為100mm。為了保證樣品的一致性，采用了標準的常規(guī)制備程序。首先計算出用于制備試樣的粗粒土、細粒土和水的質(zhì)量，取出所需質(zhì)量的細粒土，加水至最優(yōu)含水率13.3%，然后用塑料袋密封，放置在密閉容器中靜置24h，以達到水分均質(zhì)。然后將靜置后的細顆粒土與粗粒土混合，混合完畢后靜置于塑料箱中密封保存48h，使混合料中的水分達到初步均勻狀態(tài)。在最優(yōu)含水率下對試驗混合料進行制樣。采用分層擊實的方法進行制樣，并嚴格控制試樣每層的層高和試驗材料質(zhì)量。采用直尺從四個角度量測各層的相對高度，從而保證每層層高相等且沒有明顯高差。對試樣每層頂面進行了拉毛處理，以保證試樣的完整性。完成試樣的擊實后，進行套膜與安裝。將制備好的試樣轉(zhuǎn)移至動三軸試驗儀器的裝樣臺上，檢查試樣密封性后開展試驗。

該研究所有的循環(huán)三軸試驗都是在不排水條件下進行的。所進行測試的試樣也均為非飽和試樣。根據(jù)中國鐵道科學研究院[6]進行的路基土動力特性現(xiàn)場試驗，0m～2.5m路基的圍壓約為25kPa～60kPa，因此試驗圍壓設定為30kPa。為了綜合分析路基變形的穩(wěn)定性、危害性和破壞狀態(tài)，將動應力幅值范圍擴大到30kPa～180kPa。

模擬列車荷載選用的波形通常有正弦波和半正弦波。在列車實際運行條件下，路基既承受列車作用的循環(huán)動載，又承受由上部結(jié)構(gòu)（如道床、軌枕、鋼軌）傳遞的靜偏應力。施加半正弦波僅對試樣產(chǎn)生單向應力，施加正弦波則產(chǎn)生雙向應力。由于高鐵列車經(jīng)過不對土體產(chǎn)生拉應力，僅產(chǎn)生壓應力，因此宜選用半正弦波作為加載波形的基礎波形。該試驗選2個荷載頻率（f=0.5Hz和3.5Hz），3個動應力幅值（30kPa，90kPa和180kPa）及兩個含水率（10.3%和13.3%）進行加載。采用取分步加載的試驗方案。首先對試樣進行各向同性加載持續(xù)10min，然后對試樣施加15kPa的靜偏應力，模擬上部結(jié)構(gòu)對路基的靜偏應力作用。最后，對試樣施加不同幅值的動荷載。加載停止條件設定為加載總振動次數(shù)達到10000次或者試樣總軸向應變達到10%。具體加載試驗方案見表1。

表1 加載試驗方案

2 變形特性試驗結(jié)果及分析

為了研究不同加載條件下高鐵路基填料軸向累積塑性應變的發(fā)展規(guī)律，分析含水率和加載頻率等因素對土體軸向累積塑性變形的影響。為了便于在一個圖形中對不同加載條件進行對比，采用振次作為后續(xù)分析的橫軸。

2.1 含水率對高鐵路基填料累積塑性變形的影響

圖3給出了不同含水率條件下試樣軸向累積塑性應變隨振次的變化情況，其中ω為試樣含水率，qampl為動應力幅值。隨著含水率的降低，試樣的軸向累積塑性應變也隨之降低。為了進一步探究含水率對高鐵路基填料軸向累積塑性應變的影響程度，對不同含水率下的軸向累積塑性應變進行了對比。動應力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時，含水率從10.3%增大至13.3%，路基填料的軸向累積塑性應變分別增大了75.4%、83.2%和128.3%。隨著動應力幅值的增大，含水率對試樣軸向累積塑性變形的影響也變得更顯著。所以對高速鐵路，路基填料含水率的變化所引起的軸向累積塑性變形的變化不容忽視。

2.2 荷載頻率對高鐵路基填料累積塑性變形的影響

圖4 給出了不同荷載頻率作用下，試樣軸向累積塑性變形隨振次的發(fā)展情況。可以看出，在動應力幅值較小時（qampl≤90kPa），0.5Hz和3.5Hz所對應的軸向累積塑性應變相差不大，說明在低循環(huán)應力幅值下，頻率對高鐵路基填料的軸向累積塑性變形影響不大。當動應力幅值增至180kPa時，頻率對軸向累積塑性變形的影響顯著，隨著頻率的增加，試樣軸向累積塑性變形增大。當動應力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時，加載頻率從0.5Hz增至3.5Hz，路基填料的軸向累積塑性應變分別增大了81.8%、13.6%和44.9%。頻率增大，使粗粒土的顆粒更容易發(fā)生破碎，土體孔隙變小，荷載作用時間縮短，土體孔隙中的水來不及排出，導致超靜孔隙水壓力增大，進而導致累積變形增大。

2.3 含水率對高鐵路基填料回彈模量的影響

圖5 說明了不同含水率下路基填料的回彈模量隨振次的變化情況。總體來看，含水率增大，回彈模量隨之減少。動應力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時，含水率從10.3%增至13.3%，回彈模量分別減少了432.6%、179.3%和159.4%。由此可以看出，動應力幅值越低，含水率對回彈模量的影響越顯著。

2.4 荷載頻率對高鐵路基填料回彈模量的影響

圖6說明了不同荷載頻率作用下路基填料回彈模量隨振次的變化情況。總體來看，荷載頻率增大，回彈模量隨之減少。動應力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時，荷載頻率從0.5Hz增至3.5Hz，回彈模量分別減少65%、23%和34%。

3 結(jié)語

該文針對非飽和高鐵路基填料設計并進行一系列循環(huán)三軸試驗，研究了不同加載條件下高鐵路基填料軸向累積塑性應變和回彈模量的變化規(guī)律，分析了加載頻率和含水率等因素對高鐵路基填料軸向累積塑性應變和回彈模量的影響，得到了以下結(jié)論：1） 含水率對高鐵路基填料變形特性影響顯著。含水率越高，路基填料的軸向累積塑性應變越大，回彈模量越小。動應力幅值越低，含水率對回彈模量的影響越顯著。2） 頻率對高鐵路基填料的變形特性有較大的影響。在低應力幅值作用下，頻率對高鐵路基填料的軸向累積塑性應變影響不明顯，在高應力幅值作用下，隨著頻率的增加，試樣軸向累積塑性變形增大。隨著頻率的增加，高鐵路基填料的回彈模量逐漸減少。