重载铁路路基低液限粉土的动力特性

李长生

(朔黄铁路发展有限责任公司,河北 肃宁 062350)

货运重载化是当今世界铁路的发展方向，也是我国提高煤炭运输能力的重要途径。我国重载铁路起步晚，建设标准低，如朔黄(神池—黄骅)铁路路基多采用细粒土填料填筑。目前，在高密度行车作用下重载铁路路基已产生了较多的病害，随着列车轴重增大和编组的增加，病害进一步恶化，直接影响行车安全。为评价重载列车作用下既有路基的动力稳定性急需开展路基填料的动力特性研究。

室内动三轴试验是研究细粒土填料动力特性的重要手段。文献[1]针对武广客专路基填料进行了大型静动三轴试验，分析了路基基床土的动静强度与土的种类、围压、密实度、含水率等的关系。文献[2]采用大型动三轴仪对高速铁路路基粗粒土填料进行试验研究，分析了应力水平、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。文献[3]研究了黄河冲击粉土的强度特性，分析了动应力幅值、加载频率、围压、含水率对粉土动力特性的影响。文献[4]对砂土开展了循环荷载下的排水剪切试验，研究了偏应力及球应力对砂土的轴向应变、体应变的影响规律。文献[5]针对武广高铁武汉试验段的重塑粉质黏土进行了动静三轴试验。研究了不同加载方式对动强度的影响，并指明围压对动强度参数有较大的影响。文献[6]针对钱塘江粉土，研究了不同性质粉土在交通循环荷载作用下的临界动强度，确立了土体强度与破坏振动次数关系。文献[7]通过针对珠三角地区饱和软黏土的循环三轴试验，研究饱和软黏土的轴向累积应变发展规律，并考虑了循环荷载、围压、塑性指数等对饱和软黏土变形特性的影响。文献[8]针对高温冻土试样，通过施加不同频率的循环荷载，进行单轴压缩试验，探究了冻土在循环荷载作用下的累积变形特性。文献[9]针对钱塘江粉土开展了一系列的循环三轴试验，探讨了土体物理条件(相对压实度、含水率)和应力特征(频率、围压、动应力比)等对粉土累积轴向应变、动模量、阻尼比等的影响。

目前，细粒土动力特性试验研究中主要研究对象为砂土和黏土。朔黄铁路为运行多年的运煤专线，路基多采用沿线的低液限粉土填筑，但对重载铁路荷载作用下路基填土中低液限粉土的动力特性研究甚少。而研究低液限粉土的动强度、动弹性模量特性及其影响因素，可为路基状态评估及路基病害整治提供参考。本文通过在朔黄重载铁路路基现场取土，室内制备不同含水率的试样，对试样开展不同围压、不同动应力幅值的动三轴试验，分析低液限粉土的动强度及动弹性模量特性。

1 试验方案

选取朔黄重载铁路西柏坡路段路基现场的低液限粉土为试验土样，通过开展室内基本物理试验，确定了土样的物理性质参数，见表1。动强度及动弹性模量试验所用的试样及试验仪器均相同。

严格按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)[10]的规定将所选土样制作成高80 mm、直径39.1 mm的标准圆柱体试样。试样包括饱和、不饱和试样。饱和试样采用抽气饱和法进行浸水饱和，将抽完真空后的试样静置24 h左右，在密闭真空容器中进一步浸水饱和。制作完成的试样在施加动荷载前，需要进行固结处理。固结方式采用等压固结。固结时，预先施加一定的固结围压，保持围压恒定至观测到的固结排水量<0.1 cm3/h时，则认为固结完成。

表1 土样物理性质参数

试验仪器采用DDS-70电磁式振动三轴仪。动荷载通过电磁式激振器施加，荷载输出频率的设置范围为0～10 Hz，可施加的最大轴向动荷载为1.372 kN。

1)动强度试验

为研究饱和度对低液限粉土动力响应特性的影响，制作4种饱和度的试样进行动强度试验。其中，饱和试样代表路基填料处于最不利情况。路基填料实际所受围压较低，本次试验设置围压分别为60，120，150 kPa。重载铁路对路基填料的压实度要求较高，不同填料压实度均>0.92，故本次试验设置试样的压实度为0.93。动强度试验参数见表2。

表2 动强度试验参数

文献[3]中提到，在列车荷载作用下，铁路路基内产生的循环动应力特征体现为：低幅、主应力轴连续旋转、重复作用，可以近似用正弦波形进行模拟。本文使用正弦波形来模拟重载列车作用下路基土体中动应力波形。重载列车运行速度较低，一般不超过80 km/h，列车运营条件下对路基的作用频率较低，因此，本次动力试验设置加载频率为1 Hz，以模拟时速为50～60 km/h 的重载列车运行时对路基的动力作用。固结比固定为1.0不变。以试样在预估振动次数左右破坏时的动应力幅值与破坏振动次数为试验参数对试样进行加载。

2)动弹性模量试验

动弹性模量试验参数见表3。

表3 动弹性模量试验参数

动弹性模量试验试样制作、饱和、固结的方法均与动强度试验相同。在动弹性模量试验中，轴向应力分级施加，每级压力按预计试样破坏主应力差的1/10～1/12施加，试验循环荷载共分10级，大小分别为20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 N，每级加载控制时间为10 s。加载过程中关闭排水阀，每一级加载结束后，打开排水阀门5 min，使因振动引起的超孔隙水压力得到消散。周而复始，直至试样加载结束。具体的轴向加载过程如图1所示。

图1 轴向加载过程示意

由于本试验主要用于测定试样在小变形条件下的弹性模量，因此试样变形不宜过大，否则试样将产生塑性变形甚至会发生破坏，对试验结果造成影响。因此，设定试样轴向位移振幅上限值为2 mm(约2.5%轴向应变)，若某一级循环荷载的轴向变形超过此值，则停止试验。

由于土的动应力-应变关系具有明显的非线性特征，在周期荷载作用下轴向应变幅值与动应力的关系可近似用双曲线进行描述，即

(1)

式中：σd为动应力；εd为轴向应变幅值；a,b为模型参数，取决于试样的物理状态。

动弹性模量Ed的计算公式为

(2)

由式(1)和(2)可得

(3)

公式(3)为动弹性模量的计算和分析提供依据。

2 动强度试验结果分析

2.1 动剪应力-破坏振动次数关系曲线

动剪应力的计算公式[11]为

(4)

式中：τd为动剪应力。

经动强度试验及公式(4)计算，可得不同围压条件下试样破坏时加载振动次数和对应动剪应力的关系曲线，见图2。

图2 动剪应力-破坏振动次数关系曲线

由图2可知：在任一饱和度和围压条件下，随着试样破坏振动次数的增加，曲线均明显下降，说明振动次数的增加，试样的动强度值逐渐减小。

在试验过程中，试样的具体破坏振动次数难以控制，为统一振动次数，分别取图2中振动次数为10，20，30时对应的动剪应力值为分析基础数据，可得试样动剪应力与围压的关系曲线，见图3。

图3 动剪应力-围压关系曲线

由图3可知：在同一饱和度条件下，随着围压的增加，动剪应力值明显增加。对数据进行线性拟合，得相关系数均大于0.91，因此，动剪应力-围压之间近似成线性关系。这表明在实际工程中，可以采取增大路基低液限粉土所受围压的措施，提高低液限粉土填料的动强度值和路基的动力稳定性，进而减少路基病害。

围压120 kPa、不同振动次数时，动剪应力-饱和度关系曲线见图4。

图4 动剪应力-饱和度关系曲线

由图4可知：随着饱和度(含水率)的增加，对应动剪应力值都逐渐减小，当饱和度由0.25增加至1.0时，动剪应力下降了25%左右，且减小幅度基本一致，这说明含水率对粉土的动强度影响显著。当以低液限粉土作为路基填料时，随着含水率的增加，在相同振动次数条件下，路基填料的动强度值减小，路基的动力稳定性相应降低。这表明在实际工程中，应尽可能降低低液限粉土填料的含水率，尤其在暴雨过后，应采取措施尽快疏干路基中的水分，尤其避免路基处于饱和状态，这可以显著提高路基的动力稳定性能并减少路基病害的发生。

2.2 液化应力比-破坏振动次数关系曲线

液化应力比反映了土体抗液化的能力，其值越大则土抗液化的能力越高。液化应力比与围压有关，具体计算公式[10]为

(5)

式中：R为液化应力比；σ3为围压。

经动强度试验及公式(5)计算，可以得到不同围压、饱和度下的液化应力比-破坏振动次数关系曲线，见图5。

图5 液化应力比-破坏振动次数关系曲线

由图5可知：①破坏振动次数对液化应力比影响显著。破坏振动次数越大，对应的液化应力比越小，因为同一破坏应变条件下，振动次数越大，则所需动力幅值越小。②围压对液化应力比影响显著，但是饱和与非饱和试样中变化规律不一致，饱和试样中，液化应力比随围压增加而增加，说明饱和土体中动剪应力随围压的变化速率大于围压自身的变化速率;而非饱和试样中，规律则正好相反，液化应力比随围压增加而减小。

不同饱和度条件下液化应力比-破坏振动次数的关系曲线见图6。

图6 不同饱和度下液化应力比-破坏振动次数关系曲线

由图6可知，饱和度对于液化应力比影响显著。基本呈现饱和度降低，液化应力比增大的趋势。饱和土体液化应力比最小，饱和度为0.25时试样的液化应力比最大，饱和度为0.75，0.50时二者液化应力比差异不大，居于中间。饱和度对液化应力比的影响实则反映了含水率的变化对液化应力比的影响，可见，当试样含水率为饱和含水率时，试样的液化应力比显著下降，实际工程中应尽快排出路基土体中的水分，降低其含水率，从而提高低液限粉土的抗液化性能。

2.3 动强度参数分析

动强度是在一定动应力重复作用下产生某一指定破坏应变所需的动应力。摩尔-库仑抗剪强度理论是常用的评价土体动强度的准则。

动强度参数的确定方法：在同一个固结比的动剪应力与破坏振动次数关系曲线上，截取3个不同围压σ3作用下破坏振动次数为Nf时对应的动剪应力τd，并以总剪应力τsd(τsd=(σ1-σ3+σd)/2，其中σ1为轴向应力)为纵坐标，以主应力σ为横坐标，以(σ1+σ3)/2+τd为圆心，以(σ1-σ3)/2+τd为半径，绘制总应力抗剪强度包线，据此包线的纵截距和斜率即可求得不同破坏振动次数Nf下动内摩擦角φd和动黏聚力cd。

根据上述方法，可得不同条件下的动内摩擦角φd和动黏聚力cd。汇总结果见表4。

表4 动强度数值

由表4可知，动强度参数受饱和度的影响显著。动内摩擦角、动黏聚力基本随饱和度的减小而增加，这说明随着含水率的降低，低液限粉土的动黏聚力和动内摩擦角均增大，低液限粉土的抗剪强度提高。因此在实际工程中降低低液限粉土的含水率，可显著降低动荷载作用下路基发生强度破坏的可能性，提高路基的动力稳定性能。

3 动弹性模量试验分析

3.1 围压、固结比的影响

饱和度为1.00时，不同固结比、围压条件下动弹性模量-动应变关系曲线见图7。

图7 动弹性模量-动应变关系曲线

由图7可知：动弹性模量受围压和固结比的影响显著。围压越大，对应的动弹性模量越大，且围压越大，动弹性模量随动应变增大减小的速率越大。相同围压和饱和度条件下，固结比越大，动弹性模量越大。动弹性模量反映了动荷载作用下试样抵抗弹性变形的能力，弹性模量越大，路基的刚度越大，路基产生的弹性变形越小。可见，提高围压和固结比，对抵抗粉土路基弹性变形有积极作用，从而保障列车运行安全。

3.2 饱和度的影响

不同饱和度下最大动弹性模量试验数据见表5。可知：有2组试样随饱和度减小最大动弹性模量增加；1组试样随饱和度减小最大动弹性模量减小；其余6组试样的数据没有规律，说明饱和度对于动弹性模量的影响规律不显著。综合以上分析可知，饱和度对低液限粉土的动强度和抗液化能力有显著影响，而围压和固结比则是影响低液限粉土动弹性模量的主要因素。

表5 不同饱和度下最大动弹性模量试验数据

4 结论

1)围压和饱和度对低液限粉土填料的动剪应力影响显著，动剪应力随围压的增大近似线性增大，随饱和度的增大而降低。低液限粉土的黏聚力和内摩擦角随含水率的降低而增大，低液限粉土的抗剪强度提高，动力稳定性能增强。

2)破坏振动次数越大，对应的液化应力比越小。围压对液化应力比影响显著，饱和试样液化应力比随围压的增加而增加，而非饱和试样液化应力比随围压的增加而减小。液化应力比基本呈现随饱和度降低而增大的趋势。

3)动弹性模量随着围压和固结比的增大而增大，饱和度对于动弹性模量的影响规律不明显。

4)获得了朔黄重载铁路低液限粉土路基在不同饱和度(含水率)、不同围压、不同动应力作用下的静动力特性参数。其结果已应用于朔黄重载铁路路基动力特性的分析评价及其高路堤的加固强化工程中，取得了较好的效果。上述结果亦可为类似工程路基填料的研究与处治利用提供参考。

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