不同含水状态级配碎石临界动应力及变形规律研究

刘 宝，苏 谦，PHAM Duc Phong，，白 皓，LAM Thi Huyen Hanh

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. Le Quy Don技术大学 特种工程学院，越南 河内 100803；3.四川高速公路建设开发总公司，四川 成都 610041)

级配碎石属于无黏结散体材料，具有良好的强度、变形和渗透特性，是高速铁路无砟轨道路基基床较理想的填料。但在搬运、填筑和运营阶段，由于环境因素与机械动力作用，级配碎石发生颗粒破碎[1]，导致填料颗粒级配发生局部变化，细颗粒含量进一步增加，在水和动力耦合作用下易导致路基出现翻浆、脱空、不均匀沉降等病害[2，3]。

许多学者针对级配碎石在三轴循环荷载作用下的动力特性进行过研究。蔡英等[4]通过开展路基填土的动三轴试验，得出累计应变与荷载重复次数、频率、围压的关系。杨尧[5]采用大型动三轴仪，进行不同压实度、含水状态、荷载频率和初期轴向压力状态下基床填料的动三轴试验，分析土动力参数的变化对临塑动强度的影响。邓国栋等[6]采用大型动三轴仪对高速铁路路基粗颗粒填料进行试验研究，分析应力水平、固结围压、振动频率以及振动次数对动弹性模量和阻尼比的影响。王龙等[7]采用中型动三轴仪，在不同围压、动应力条件下，研究级配碎石基层在长期荷载作用下塑性变形的发展规律和分布状态。同时，也有部分学者针对级配碎石的动力稳定性开展大模型动力加载试验。詹永祥等[8]通过室内模型试验研究，分析循环加载条件下路基基床的动态力学特性。刘钢[9]用快速破坏、缓慢破坏、缓慢稳定和快速稳定四个状态描述累积变形的状态特征，建立基于累积塑性变形速率发展趋势的数学判别准则。文献[10-12]研究不同含水率下无黏性粗颗粒材料的累积变形规律，结果表明含水率对材料的动弹性模量及累积变形影响明显，含水量增大引起动弹性模量降低和累积变形增加。文献[13，14]系统开展循环荷载作用下不同含水率黏性粗颗粒材料的大型三轴试验，分析含水率对粗颗粒材料强度参数和累积变形的影响规律。

可以看出，针对级配碎石在不同含水状态下的动力特性研究较少。因此，本文通过室内大型动三轴试验针对最优含水率和饱和含水率下级配碎石的临界动应力、累积变形及其发生机理等进行探讨，为高速铁路路基长期动力稳定性研究和高速铁路运营安全提供参考。

1 试验方案

1.1 试验设备

试验采用FSC5-2000大型电液伺服动静三轴试验机，系统精度Fs≤±1.0%，该装置可对散粒料进行动、静力试验，主要分为加载系统、控制系统和采集系统等，加载系统如图1所示。

图1 大型三轴加载设备(单位：mm)

1.2 试验土样及制备方法

为保障试验级配碎石土样与实际高速铁路基床表层级配碎石颗粒填料一致，本试验级配碎石样品取自山西中南部铁路通道试验段工点。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[15]，通过颗粒筛分试验及Excel电子图表计算获得试样的级配曲线，如图2所示。试样由卵石、圆砾、砂以40∶30∶30的比例构成，其级配特征指标计算结果见表1。

图2 填料级配曲线

方孔筛边长/mm4531522471170501过筛质量百分率/%10095784852624812214级配指标不均匀系数Cu曲率系数Cc试样259151

利用DJ30-5大型电动击实仪测定其最大干密度ρdmax为2.35 g/cm3，最优含水率wopt为4.85%(图3)。三轴试验试件制作时，采用四分法称取样品，按最优含水率洒水并通过搅拌机拌均匀，放入封闭容器中浸润2 h，以保证含水率分布均匀。控制压实度为95%，利用夯实机在标准制样模具内分层击实制样，圆柱体试样尺寸为φ300×600 mm。

图3 级配碎石干密度与含水率关系曲线

1.3 试验方法

考虑到高速铁路路基基床的实际受力状态，将围压σ3分为三组：15 kPa、30 kPa和60 kPa。试验加载方案由计算机模块化程序控制，施加围压σ3至规定值稳定30 min，施加设定的初期轴向应力σs(15 kPa)，以保证动荷载作用时无冲击效应；静轴向应力作用下试样变形稳定后，施加动应力σd进行循环加载试验。每种围压下取5个动应力幅值(表2)，荷载采用正弦波载荷方式，频率为5 Hz模拟列车速度(图4)，控制方式为应力控制，循环加载次数为10 000～20 000次[16]。

表2 试验条件

图4 试验加载时程曲线

图5 动孔隙水压力时程曲线

2 不同含水状态累积变形规律分析

2.1 不同含水状态下级配碎石的累积变形

最优含水率条件下级配碎石累积变形已有大量的相关研究[4，7-20]，部分文献中变形状态的划分方法见表3。表3未对实际工况中含水率剧烈变化的影响性进行分析。

本文针对最优含水率(wopt=4.85%)、饱和含水率(ws=7.37%)工况，同时考虑不同围压和加载应力条件，分别进行多组三轴试验，以围压30 kPa为例，试验结果如图6、图7所示。由图6、图7可以看出，本文大型三轴试验的累积变形随作用次数的发展趋势与现有研究成果[21，22]一致，因此采用本试验装置进行不同含水率条件下级配碎石累积变形机理研究是可行的。

图6 wopt=4.85%，累积变形与作用次数关系曲线

图7 ws=7.37%，累积变形与作用次数关系曲线

图8 σ3=30 kPa，σd=229 kPa时不同含水率下的变形-作用次数曲线

由图6～图8可知，含水率对累积变形影响明显，含水率越高其对应的累积变形越大。累积变形随作用次数增加逐渐增大，当作用次数超过1 000振次后，含水率对累积变形的影响逐渐显现；当作用次数达到20 000 振次时，最优含水率工况对应的累积变形为1.21 mm，饱和含水率工况对应的累积变形为2.06 mm，相对增大了70%。级配碎石累积变形除来源于压密沉降之外，还需要考虑以下两个方面的影响。一方面，含水率增加导致细颗粒表面的水膜变厚，颗粒间的自由水增多，自由水直接起到润滑作用，细颗粒能够在级配碎石骨架结构的孔隙中移动，使级配碎石的黏聚力及内摩擦角降低[23]。另一方面，上部动荷载传递到级配碎石层，导致其内部孔隙水压增大，产生了动孔隙水压(图9)，同时发生向上排水，这一过程中细颗粒也随水流排除，使基床级配碎石出现级配变化(表4)和空隙，在长期荷载作用下会产生路基面不均匀沉降，甚至引起轨面严重不平顺、轨道板开裂等病害，尤其是在底座板接缝处。高速铁路路基面实际动荷载远小于级配碎石的临界动应力，但是无砟轨道路基翻浆病害依然较严重，说明这一现象主要是水与动力荷载耦合作用产生的。

图9 试件底部动孔隙水压力

筛径/mm4531522471170501通过率/%A层10095884852624612629B层10095784852624712324C层10095784752724812318D层10095784852624712113

加载完成后，将试样从其顶面至底座均分为4层(图1)，将每层进行颗粒级配分析。试样中每层的粗颗粒含量基本不变，细粒土含量发生了变化。细粒土含量沿试样高度向下依次递减，其中A层细粒土含量最高，约为D层的3.2倍，细粒土含量分布具有明显的差异性，表明在循环加载过程中试样中的细颗粒发生了从下到上的迁移运动。加载时动孔隙水压力逐渐上升(图5)，形成超孔隙水压；卸载后超孔隙水压开始消散，循环加载使孔隙水压反复增加和消散，使水在骨料间的空隙中流动。结合自由水的细颗粒不断被水驱动经试样底座往顶面迁移，使上层试样的细颗粒含量增多，当不断有水补充时就会出现较明显的翻浆现象。

图10分别为最优含水状态与饱和含水状态时，动孔隙水压与循环振动次数的关系曲线。由图10可知，开始阶段孔隙水压增长速率较快，经过一定的振动次数后，孔隙水压幅值缓慢增长直至稳定。在荷载加载初期，试样在动荷载作用下发生压密变形，且速率较快，使孔隙水压力迅速上升；随着荷载作用次数的增加，试样的弹性变形趋于稳定，孔隙水压力的发展也趋稳。此外，最优含水状态时，试样有较强的变形抵抗能力，产生的累积变形幅度较小，引起超孔隙水压的变化幅度也较小；饱和含水状态时，大量自由水的存在降低了试样的抗变形能力，导致试样产生较大幅度的累积变形，超孔隙水压的变化幅度也较大[24]。

图10 σ3=30 kPa，σd=229 kPa时动孔压与振次关系曲线

2.2 不同含水率级配碎石的累积变形计算模型

为分析不同含水率级配碎石累积变形计算模型，本文参照文献[4]的相关研究仍将级配碎石的累积变形状态划分为衰减区和破坏区，计算结果如图11、图12所示。

图11 wopt=4.85%，累积变形线型分类

图12 ws=7.37%，累积变形线型分类

参考已有相关研究，若不考虑初期振次的影响，衰减型曲线可用Stewart模型[25]表示：s=α+βlnN，式中：α、β为与动应力水平和试样物理性质有关的参数；N为加载次数。破坏区的变形曲线常用Monismith模型[26]表示：s=ANb，式中：A和b的数值取决于动应力水平和试样的物理性质；N为加载次数。根据上述分析方法，本文针对不同含水率级配碎石在循环动荷载作用下累积变形和加载次数的回归方程进行拟合，结果见表5。

饱和含水率工况累积变形曲线与最优含水率工况规律基本一致，仍然具有较明显的分区现象，上述函数能够较好表示其变化规律。但是，饱和含水率工况对应的临界区间远小于最优含水率工况，相同应力水平对应的回归方程系数也相差较大，饱和含水率工况累积变形曲线的曲率更大。差别原因主要是衰减型Stewart模型参数α、β和破坏型Monismith模型参数A、b是动应力水平、压实度、含水状态、循环加载条件等因素的多元函数，最优含水状态与饱和含水状态级配碎石不仅含水状态不同，而且对应的临界动应力有较大差别。即在含水率不同、加载动力幅值接近时，上述模型中对应的方程系数随含水率的不同产生差异，使累积变形随荷载作用次数表现出不同的状态特征。级配碎石饱和含水状态时，由于孔隙水对级配碎石软化作用造成其变形抵抗能力下降，级配碎石试样累积变形发展速率增大，较最优含水状态下模型方程的曲线梯度增大。

表5 累积变形回归曲线

3 不同含水状态临界动应力分析

由以上分析可知，饱和含水率工况和最优含水率工况累积变形曲线均存在临界动应力。当级配碎石基床的动应力小于该临界动应力[27]时，在无其他影响因素的前提下，基床的永久变形会得到有效控制，这与文献[28]中循环荷载下土体破坏的准则一致。动应力水平低于临界值时，累积变形随着作用次数的增加不断增大，变形速率不断减小直至趋近稳定；动应力超过临界值时，累积变形随循环作用次数持续增长直至发生渐进剪切破坏。临界动应力和累积变形由级配碎石的物理性质和受力状态决定，不同含水率级配碎石的累积变形曲线斜率(Δs/ΔlgN)随荷载作用次数N的变化规律如图13、图14所示。

当动应力等于临界动应力时，累积变形曲线斜率等于0，文献[9]认为大于或小于临界动应力微小范围内，累积变形曲线斜率(Δs/ΔlgN)与作用次数N呈线性关系。因此，利用累积变形曲线斜率接近0的多条曲线，可建立动应力与累积变形曲线斜率之间的线性函数关系式，进而求得临界动应力值σdc，结果如图15所示。

图13 wopt=4.85%，累积变形曲线斜率与作用次数的关系

图14 ws=7.37%，累积变形曲线斜率与作用次数的关系

图15 不同含水率下临界动应力与围压关系

由图15可以看出，试样的临界动应力与其对应的弹性变形随围压的增加而增大，含水率分别为4.85%和7.37%时，围压由15 kPa增大到60 kPa，临界动应力分别增大约37%和48%，说明围压值对试样的临界动应力影响较大。可以理解为围压提高后颗粒间的接触更紧密，试样表现出更好的线性变形规律，克服相互移动的摩擦力增大，动强度以及对应的弹性模量都有所提高。另外，饱和含水率工况对应的临界动应力较最优含水率工况平均小13%，而且围压越小时两者相对差值越大，说明围压越大颗粒挤压越紧密，动水压力的相对影响量就越小，这也是现场基床病害主要发生在表层的原因。因此，高速铁路无砟轨道路基需要注意路基面排水效果检查，基床表层级配碎石填料不应长期受雨水下渗浸泡，避免水与动力荷载耦合作用引起翻浆病害。

另外动孔隙水压力逐渐上升，易导致动抗剪强度降低[29]。根据主应力σ1d=σ3+σdc和σ3d=σ3可以给出动抗剪强度线与莫尔圆，然后得出动黏聚力Cd和动内摩擦角φd，相同试样与物理力学条件下，利用静三轴试验可以得出静黏聚力Cs和静内摩擦角φs，结果见表6。

表6 动、静三轴试验指标

级配碎石的静破坏偏应力(σ1-σ3)和临界动应力大小由其本身的物理性质决定，并且受不同加载方式及应力状态的影响，两者存在一定的联系，因此，定义临界动静应力比为：Kr=σdc/(σ1-σ3)。在不同含水状态(4.85%、7.37%)下，围压为15 kPa、30 kPa、60 kPa时，临界动静应力比Kr分别为0.41、0.38、0.37和0.40、0.37、0.35，临界动静应力比的平均值分别为0.39和0.37，与已有研究(0.3～0.6)[22，30]相符。这说明含水率提高对级配碎石动静态物理力学特性都有影响，含水率越高临界动静应力比越小。随着含水率增大，颗粒之间的自由水增多，包裹细颗粒的水膜变厚，使颗粒黏聚力及内摩擦角的作用减弱，导致黏聚力及内摩擦角减小，减少级配碎石的抗剪强度，从而降低基床级配碎石抵抗水侵害的能力。

4 结论

本文通过室内大型动三轴试验，对不同含水状态级配碎石的累积变形规律与临界动应力等进行分析，得出以下结论：

(1)累积变形随作用次数增加而逐渐增大，其变化速率与动应力水平紧密相关，当作用一定次数后含水率的影响才逐渐显现；当作用次数达到20 000振次时，饱和工况的累积变形相对最优含水率工况增大了70%。

(2)选用Stewart模型和Monismith模型分别描述不同含水率下级配碎石衰减型和破坏型累积变形曲线具有较好的拟合效果，不同含水率级配碎石对应的临界动应力有差别，使得模型中对应的方程系数随含水率的不同产生差异，比较而言，饱和含水率条件下累积变形曲线梯度较大。

(3)级配碎石临界动应力随含水率增大而减小，饱和含水率工况对应的临界动应力较最优含水率工况平均小13%，围压越小时两者相对差值越大。

(4)含水率变化对级配碎石动静强度均有影响，且影响程度相当，本文中最优含水率与饱和含水率状态下级配碎石的动静应力比的平均值分别0.39和 0.37。

(5)基床表层级配碎石填料不应长期被水浸泡，避免水与动力荷载耦合作用引起翻浆病害，因此高速铁路无砟轨道路基需要注意路基面排水效果的检查。

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