不同荷载形式下的路基粗粒土填料稳定性分析

2019-03-14

公路工程 2019年1期

(郑州市市政工程总公司，河南郑州 450000)

0 引言

随着交通事业的发展，越来越多的高铁、地铁工程项目得到修建[1-3]。路基作为铁路线路的基础结构，在线路投运过程中，受到行驶列车的循环载荷，容易造成路基粗粒填料稳定性发生改变，导致铁路线路发生结构变形，带来安全隐患[4-10]。因此，针对路基粗粒土填料的使用性能研究迫在眉睫，而高速铁路路基在循环荷载下的路基粗粒土填料所表现的应力-应变关系以及累计变形问题成为保障铁路路基稳定性的重要因素[11-15]。国外Indraratna[16]等采用较低围压三轴试验研究了颗粒破碎、围压、粒料密度、含水量等对粗粒料力学变化规律的影响因素；并指出粗粒土力学性能主要受围压和密度的影响，而颗粒破碎率主要影响粗粒土的剪切强度；张玉琴等[17]采用大三轴剪切仪、击实仪等设备探讨了粗粒土在循环荷载下的剪胀规律，进一步分析了粗粒土与结构接触面受力变形规律。骆永春等[18]通过大量粗粒料击实试验研究指出压实效果可提高粗粒土路基填料的压实系数，在实际施工过程中，可通过增加压实次数来改善路基填料的压实系数，降低路基变形量。

对相关研究成果分析可见，大部分研究工作更多的是通过室内三轴试验来分析粗粒土填料的各项力学性能，针对循环荷载作用下的路基填料宏观力学性能研究相对较少。而现实铁路道路工程中更多的是受到循环荷载作用。因此，本文结合传统三轴试验和PFD3D软件进行粗粒土静荷载和循环荷载作用下的路基粗粒土填料力学性能研究，为铁路路基建设的稳定性提供一定的理论依据。

1 试验方法

1.1 试验对象

根据《铁路路基设计规范》中对路基填料的分类及颗粒级配标准，对于重载铁路填料原料，要求粒径大于2 mm的颗粒占总质量50%；细粒土宜采用粉质黏土，液限指数应小于40%，含量在4%～13%，路基填料的拌合参比：20%～25%的卵石，57%～75%的砂砾石，5%～8%的细粒土。本文中小于0.075 mm的细料部分取自黑龙江元和材料公司，大于0.075 mm的粗料部分来自黑龙江玉泉采石厂的砾石土。路基基床填料颗粒级配见表1。

表1 路基粗粒土填料颗粒级配Table 1 Gradation of coarse grained soil filler in roadbed粒径/mm百分率/%粒径/mm百分率/%60～2017.32～0.516.6520～1019.670.5～0.07514.3010～2 27.08<0.0755.00

从表1可以看出，小于0.075 mm的细粒土部分含量为5%，低于标准值上限值，满足要求，根据填料的级配曲线，路基粗粒土填料的不均匀系数为10，曲率系数保持在1～3之间，属于级配良好级。

由于本文拟采用三轴试样，要求试样直径101 mm,径径比大于5，因此要求土样最大粒径为20 mm。基于此，为保证试样满足要求，采用等量替代法来替换掉原始土料级配中的超粒径部分。获得符合三轴试样的路基粗粒土填料颗粒级配见表2。

表2 路基粗粒土填料颗粒新级配Table 2 The new gradation of coarse grained soil filler in roadbed粒径/mm百分率/%粒径/mm百分率/%20～1029.571～0.59.1510～2 33.480.5～0.07514.302～1 7.5<0.0755.00

根据《铁路工程土工试验规程》,测定新的路基粗料土填料的比重为2.74 g，塑限18.2，液限29.8，塑性指数10.6，液性指数-1.24，填料最大干密度2.207 g/cm3，最优含水量6.5%。

1.2 试样制备与仪器

采用上述路基粗粒填土颗粒作为传统三轴压缩试验原料，试样高645 mm，直径254 mm。为将三轴试验中的粗粒土混合均匀，按照Akke S.J.Suiker提出的9层填料振实法，9层填料采用相同的厚度，压实度控制在95%～97%，对每一层样本进行20次加压，如图1为制备的成品试样。为研究路基粗料土填料在不同围岩下的应力-应变形式，分别选取围压10、40、70 kPa的静载压力进行大型三轴排水压缩试验。

图1 试验用试样形貌Figure 1 Morphology of test specimens

1.3 模型建立

为探讨粗粒土循环荷载下的路基粗粒土填料力学响应，采用PFD3D软件进行粗粒土三轴试样生成。首先根据实际三轴试样的几何尺寸，生成直径254 mm，高645 mm的三维颗粒流数值模型。同时基于颗粒流FISH语言，按照表1中的粗料土颗粒级配进行颗粒级配计算，获得稳定的算法模型。球颗粒间的接触形式为接触刚性模型，最大粒径38 mm,共6 959个计算土颗粒，如图2所示，每一种颜色表示一段级配。为降低模拟过程中内嵌应力的影响，采用三向轴向应力确定各向同性应力，通常取无限侧抗压强度的1/100。

图2 路基粗粒图填料模型结构Figure 2 Structure of roadbed coarse grained and filling model

本节中为实现试样的循环初始荷载的加载，通过对颗粒流程序编入循环加/卸载程序。采用伺服控制系统设定加压室上下速度为0.1来实现模型内颗粒的相互挤压。挤压完成后，在模型中输入循环荷载，循环荷载的控制参数见表3所示。

表3 循环荷载控制参数设置Table 3 Cyclic load control parameter setting 参数类型语言代码参数类型语言代码轴向速度P-vel加载load循环荷载数量P-cyc卸载unload

2 结果分析

2.1 静载作用下的性能分析

2.1.1体积应变随偏应变关系

图3为3个不同围压作用下粗粒土的体积应变和偏应变关系曲线。对图3分析可知，当围压为10 kPa时，偏应变提高到0.002 5，此时的粗粒土体缩达到最大值，随着偏应变的增加，粗粒土由体缩向体胀开始转变，并不断增加，对应的偏应变达到0.28%；当围压为为40 kPa时，偏应变提高到0.005，体缩达到最大值，随后由体缩向体胀开始转变，对应的体应变为0.48%；当围压为70 kPa时，偏应变提高到0.006，体缩达到最大值，随后由体缩向体胀开始转变，对应的体应变为0.5%。可以看出，当围压不同时，偏应变与体积应变曲线变化相似，随着偏应变的持续增大，粗粒土由体缩变形向体胀变形转变，且3种不同围压下的粗粒土偏应变响应均在0.01以下，同时，当体积应变越大，则粗粒土由体缩向体胀转变的偏应变越大。

上述分析可知，路基填料粗粒土的性质与松散砂土相似，当受到围压应力后，首先发生体缩后转变为体胀，这是因为实验前，路基填料粗粒土颗粒间存在较大空隙，随着围压的不断增强，土颗粒间相互挤压变密，发生体缩现象，此时土颗粒间的抗剪强度和偏应力均增大，随着围压的持续增加，土颗粒间约束增强，相对移动难度增大，当外界荷载提高到试样屈服破坏时，粗粒土颗粒发生移动和翻滚，此时粗粒土颗粒的运动超过附近细粒土，宏观上变现出体积增大的现象，即体胀[19]。

图3 不同围压下偏应变-体积应变曲线Figure 3 Deviation strain-volume strain curve under different confining pressures

2.1.2应力比随偏应变关系

图4为不同围压下的粗粒土应力比(偏应力/静水应力不变量)-应变曲线。从图中可以看出，当围压10 kPa时，随着偏应变的提高，应力比先增大后维持不变，当偏应变提高到0.01时对应的应力比达到最大值1.8；当围压为40 kPa时，偏应变在0.02时取得最大应力比；当围压为70 kPa时，偏应变在0.05时取得最大应力比。可以看出，不同围压下的应力比-应变曲线变化基本相同，随着偏应变的增大，应力比达到最大后基本保持不变，当围压增大时，达到最大应力比的偏应变值增大，粗粒土处于最紧密状态。

图4 不同围压下偏应变-应力比曲线Figure 4 Deflection strain-stress ratio curve under different confining pressures

2.2 循环荷载作用下力学性能分析

2.2.1循环荷载下的模型特性分析

图5为粗粒土进行一次循环加载下的轴应变与偏应力关系曲线。可以看出，在施加循环荷载阶段，曲线初期变陡，后期变缓。卸载初期，曲线较陡，当偏应力下降到一定幅度后，卸载曲线下降变缓，这种随轴应变的增加偏应力曲线表现出典型的“滞回圈”[20]，一个完整的“滞回圈”表示一个循环加载全过程。

图5 循环荷载下轴应变-偏应力曲线Figure 5 Axial strain-deflection stress curve under cyclic load

图6为循环加载10次时，轴应变与偏应力的关系曲线。图中分析看出，在循环荷载卸载阶段，颗粒具有恢复到初始位置的变化趋势，但不可能完全恢复，因而产生不可逆变形。在循环荷载加载阶段，颗粒产生轴向变形。同时可以看出滞回圈随着循环加载次数的增加更为明显，但不可逆变形趋于稳定。

图6 循循环加载10次模型轴应变-偏应力曲线Figure 6 Axial strain-deflection stress curve of the model subjected to cyclic loading for 10 times

2.2.2时间步长下的模型力学性能

图7为循环加载10次时的体积应变-时间步长关系曲线。从图中可以看出，在循环荷载作用下，粗粒土表现出明显的体胀和体缩现象。由于试验初期，粗粒土颗粒间较为松散，随着外部荷载的增强，土颗粒由最初的挤压转化为填充，因而在加载前期粗粒土出现体缩变形，此时颗粒间的摩擦和咬合约束进一步增强。当应力持续增大，路基填料颗粒间约束进一步增强，颗粒间的宏观移动变得非常困难。当循环荷载加载到接近屈服段时，各粗粒间的相互移动和翻滚可能性增大，此时粗颗粒的运动轨迹大于相邻颗粒，整个路基粗颗粒结构表现出典型的体积膨胀现象。

图7 路基粗粒土模型时间步长-体积应变曲线Figure 7 Time step-volume strain curve of subgrade coarse grained soil model

图8为循环加载10次时的时间步长与应力比关系曲线。可以看出，随着时间步数的增加，应力比在极短的时间内达到最大峰值，随后在循环荷载的作用下，应力比呈现出上下波动变化，每一次循环荷载加载/卸载，应力比均表现出周期性的增大或减小，但基本上维持在1.65～2.25区间，并不会出现较大幅度的波动。

图8 路基粗粒土模型时间步长-应力比曲线Figure 8 Time step-stress ratio curve of subgrade coarse grained soil model

图9为时间步长与偏应变的变化曲线。可以看出，偏应变随时间步长的增加表现出线性增大趋势。在循环荷载加载阶段，偏应变线性增大。循环荷载卸载阶段，偏应变线性减小。偏应变随着循环荷载的加载/卸载呈线性变化过程，且随着循环次数的增加，偏应变值主要集中在0.013～0.021，不可逆变形接近于0.013，不可逆变形值相对较小，表明本文中采用的路基填料具备较大抗变形能力。