高铁列车荷载作用下路基填料变形特性研究

董 恒

（西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

路基是一种常见的用来支撑轨道结构的下部构筑物。我国的高速铁路大多采用无砟轨道结构，有砟轨道和无砟轨道的路基结构具有相同的形式，从上到下分为基床表层、基床底层和基床以下路堤三部分。基床表层和基床底层在承载荷载（包括交通荷载）并将荷载分散到路基上起关键作用。基床表层和基床底层由碎石、粗砂等散粒材料组成。大量针对路基填料的研究表明，基床表层和基床底层的变形量可以占到整个路基总变形量的50%以上。粗粒土的长期动力特性评估大多是基于实验室内重复三轴试验进行的[1-3]。随着高速铁路的迅速发展，对高铁路基填料强度和变形特性的研究已经成为热点问题。因此有必要对非饱和高铁路基填料（粗粒土、级配碎石等）在不同工况下的变形特征进行深入研究。

该文以高铁路基基床底层填料为研究对象，考虑含水率和加载频率等因素，开展了一系列不同加载条件下的循环三轴试验。对比分析了加载频率和含水率等因素对高铁路基填料轴向累积塑性应变和回弹模量的影响规律。研究成果对长期处于高铁列车荷载作用下的路基动力稳定、变形控制和病害防治具有重要意义。

1 试验条件及试验方案

1.1 试验仪器

该文试验所采用的仪器是KTL微机控制的动三轴仪，如图1所示，主要由轴向加载系统、孔压传感系统，压力系统、测控系统和数据采集系统组成，轴向加载系统采用电磁激励器供电，最大加载能力为10kN，位移行程为100mm，最大加载频率为5Hz。围压由体积压力控制器提供，体积压力控制器最大加载压力为2MPa，体积压力控制器可以实现围压和反压的无限切换，为孔隙水的变化提高足够的体积。加载模式由计算机实时控制，可以实现不同加载模公式（包括多级加载模式）。该仪器的试样尺寸为直径100mm，高度200mm。

1.2 试验土样与制备

该试验所采用的高铁路基填料取自成都附近一个采石场，在实验室对高铁路基填料进行了复配。该试验所用三轴设备所能测试的试样尺寸为100mm直径和200mm高度。为了消除试验尺寸的效应影响，试样内颗粒最大粒径不应大于试样直径的1/5。为了更好地消除尺寸效应，该试验所用粗颗粒材料最大粒径为10mm。为了模拟哈大高铁基床填料的粒度分布，按照平行相似法对原始路基填料的级配进行了缩放，将五种不同粒径的土（包括砾石，砂和粉质黏土）按预定的比例混合在一起，缩放前后的级配曲线如图2所示。可以看到，缩放前后的两条级配曲线基本平行，具有良好的对应关系。现场原型粗粒土与缩尺后的粗粒土在颗粒形状和表面粗糙度上相近，而且两类颗粒均为硬质砾石，模量等物理量是相近的。因此，可以认为材料差异引起的试验结果差异很小。

该文将粒径小于2mm的土定为细粒土。该试验所混合的小于0.075mm的土液限是27.48%，塑限是17.23%，塑性指数是10.25%。根据土壤分类系统，小于0.075mm的土定名为粉质黏土，按照《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）[4]中击实试验相关规定，对级配碎石及细粒土进行了压实试验，得到级配碎石最优含水率为5.7%，最大干密度为2.08g/cm3。细粒土的最优含水率为13.3%，最大干密度为1.87g/cm3。根据铁路路基设计规范（TB 10001—2016）[5]，试样的压实系数取为0.95，试样的制备过程参照《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）[4]进行。

该试验所测试的圆柱形试件高度为200mm，直径为100mm。为了保证样品的一致性，采用了标准的常规制备程序。首先计算出用于制备试样的粗粒土、细粒土和水的质量，取出所需质量的细粒土，加水至最优含水率13.3%，然后用塑料袋密封，放置在密闭容器中静置24h，以达到水分均质。然后将静置后的细颗粒土与粗粒土混合，混合完毕后静置于塑料箱中密封保存48h，使混合料中的水分达到初步均匀状态。在最优含水率下对试验混合料进行制样。采用分层击实的方法进行制样，并严格控制试样每层的层高和试验材料质量。采用直尺从四个角度量测各层的相对高度，从而保证每层层高相等且没有明显高差。对试样每层顶面进行了拉毛处理，以保证试样的完整性。完成试样的击实后，进行套膜与安装。将制备好的试样转移至动三轴试验仪器的装样台上，检查试样密封性后开展试验。

该研究所有的循环三轴试验都是在不排水条件下进行的。所进行测试的试样也均为非饱和试样。根据中国铁道科学研究院[6]进行的路基土动力特性现场试验，0m～2.5m路基的围压约为25kPa～60kPa，因此试验围压设定为30kPa。为了综合分析路基变形的稳定性、危害性和破坏状态，将动应力幅值范围扩大到30kPa～180kPa。

模拟列车荷载选用的波形通常有正弦波和半正弦波。在列车实际运行条件下，路基既承受列车作用的循环动载，又承受由上部结构（如道床、轨枕、钢轨）传递的静偏应力。施加半正弦波仅对试样产生单向应力，施加正弦波则产生双向应力。由于高铁列车经过不对土体产生拉应力，仅产生压应力，因此宜选用半正弦波作为加载波形的基础波形。该试验选2个荷载频率（f=0.5Hz和3.5Hz），3个动应力幅值（30kPa，90kPa和180kPa）及两个含水率（10.3%和13.3%）进行加载。采用取分步加载的试验方案。首先对试样进行各向同性加载持续10min，然后对试样施加15kPa的静偏应力，模拟上部结构对路基的静偏应力作用。最后，对试样施加不同幅值的动荷载。加载停止条件设定为加载总振动次数达到10000次或者试样总轴向应变达到10%。具体加载试验方案见表1。

表1 加载试验方案

2 变形特性试验结果及分析

为了研究不同加载条件下高铁路基填料轴向累积塑性应变的发展规律，分析含水率和加载频率等因素对土体轴向累积塑性变形的影响。为了便于在一个图形中对不同加载条件进行对比，采用振次作为后续分析的横轴。

2.1 含水率对高铁路基填料累积塑性变形的影响

图3给出了不同含水率条件下试样轴向累积塑性应变随振次的变化情况，其中ω为试样含水率，qampl为动应力幅值。随着含水率的降低，试样的轴向累积塑性应变也随之降低。为了进一步探究含水率对高铁路基填料轴向累积塑性应变的影响程度，对不同含水率下的轴向累积塑性应变进行了对比。动应力幅值为30kPa、90kPa和180kPa时，含水率从10.3%增大至13.3%，路基填料的轴向累积塑性应变分别增大了75.4%、83.2%和128.3%。随着动应力幅值的增大，含水率对试样轴向累积塑性变形的影响也变得更显著。所以对高速铁路，路基填料含水率的变化所引起的轴向累积塑性变形的变化不容忽视。

2.2 荷载频率对高铁路基填料累积塑性变形的影响

图4 给出了不同荷载频率作用下，试样轴向累积塑性变形随振次的发展情况。可以看出，在动应力幅值较小时（qampl≤90kPa），0.5Hz和3.5Hz所对应的轴向累积塑性应变相差不大，说明在低循环应力幅值下，频率对高铁路基填料的轴向累积塑性变形影响不大。当动应力幅值增至180kPa时，频率对轴向累积塑性变形的影响显著，随着频率的增加，试样轴向累积塑性变形增大。当动应力幅值为30kPa、90kPa和180kPa时，加载频率从0.5Hz增至3.5Hz，路基填料的轴向累积塑性应变分别增大了81.8%、13.6%和44.9%。频率增大，使粗粒土的颗粒更容易发生破碎，土体孔隙变小，荷载作用时间缩短，土体孔隙中的水来不及排出，导致超静孔隙水压力增大，进而导致累积变形增大。

2.3 含水率对高铁路基填料回弹模量的影响

图5 说明了不同含水率下路基填料的回弹模量随振次的变化情况。总体来看，含水率增大，回弹模量随之减少。动应力幅值为30kPa、90kPa和180kPa时，含水率从10.3%增至13.3%，回弹模量分别减少了432.6%、179.3%和159.4%。由此可以看出，动应力幅值越低，含水率对回弹模量的影响越显著。

2.4 荷载频率对高铁路基填料回弹模量的影响

图6说明了不同荷载频率作用下路基填料回弹模量随振次的变化情况。总体来看，荷载频率增大，回弹模量随之减少。动应力幅值为30kPa、90kPa和180kPa时，荷载频率从0.5Hz增至3.5Hz，回弹模量分别减少65%、23%和34%。

3 结语

该文针对非饱和高铁路基填料设计并进行一系列循环三轴试验，研究了不同加载条件下高铁路基填料轴向累积塑性应变和回弹模量的变化规律，分析了加载频率和含水率等因素对高铁路基填料轴向累积塑性应变和回弹模量的影响，得到了以下结论：1） 含水率对高铁路基填料变形特性影响显著。含水率越高，路基填料的轴向累积塑性应变越大，回弹模量越小。动应力幅值越低，含水率对回弹模量的影响越显著。2） 频率对高铁路基填料的变形特性有较大的影响。在低应力幅值作用下，频率对高铁路基填料的轴向累积塑性应变影响不明显，在高应力幅值作用下，随着频率的增加，试样轴向累积塑性变形增大。随着频率的增加，高铁路基填料的回弹模量逐渐减少。