謝偉君

【摘要】以地鐵車部膨脹土為研究對象，通過結(jié)合鐵路路基的受力狀態(tài)、徑向動應(yīng)力幅值及含水量等因素對地鐵路基膨脹土動力特性進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果說明：不同含水率膨脹土?xí)艿胶实挠绊?；以及隨著徑向動應(yīng)力水平的提高，動彈模量的衰減幅度不斷增大；土體的阻尼比隨含水量的降低而減小，隨圍壓的增加而減小。

【關(guān)鍵詞】 膨脹土；動力特性；動彈模量；阻尼比

1 試驗方法與試驗過程

1.1 試驗儀器

本項目對膨脹土試驗時，采用用動全自動雙向激振三軸試驗系統(tǒng)，主要由主機(jī)、測量傳感器、加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成，同時在水平和軸向施加不同的動荷載，動荷載形式包括不規(guī)則波型和正弦波型的有規(guī)則波型。一般而言，正弦波荷載試驗的結(jié)果雖然比較保守，但從方便與實用的角度來看，在土動力學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 土樣試驗

試驗中所使用的膨脹土是弱膨脹土，呈褐黃色，硬塑態(tài)，物性控制指標(biāo)見表1。

表1

1.3 土樣制備

膨脹土含水量為 15.5%，最大干密度為1.77g/cm3。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定要求，鐵路黏土路基壓實度為95%，確定制樣控制指標(biāo)，如表2所示。

表2

試驗試樣采用 50mm×100mm的圓柱狀，其制備按照表2中控制試樣的制樣重量和含水率，將配備好的預(yù)定含水量重塑膨脹土分5層倒入厚壁鋼模具中，并進(jìn)行撫平，同時采用千斤頂靜壓法靜壓成型，試樣要確保均勻壓實。最后采用保鮮膜包裹好每個試樣并用封裝袋密封，以保持其含水率。在進(jìn)行試驗時，在恒溫恒濕箱中采用吸濕的方法以滿足含水率要求。

1.4 試驗方案

由于影響土的動力特性試驗的因素眾多，因此本次試驗在雙向循環(huán)振動的作用下，主要考慮到豎向動應(yīng)力幅值、徑向動應(yīng)力幅值、固結(jié)圍壓以及飽和度等影響因素。

在進(jìn)行豎向動應(yīng)力幅值選取時，需要按照 《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 規(guī)定要求：基床面的動應(yīng)力≤100kPa，因此試驗最大豎向動應(yīng)力取為100kPa，并且為了防止振動過程中試樣帽與土樣發(fā)生脫離，要確保動應(yīng)力大小應(yīng)小于豎向固結(jié)應(yīng)力。

在曲線軌道上列車行駛產(chǎn)生的橫向振動一般小于豎向動荷載。按照鐵路規(guī)范對曲線軌道的超高、軌道半徑運(yùn)行速度、路基填筑等方面的規(guī)定，并考慮到在路基中橫向循環(huán)動應(yīng)力的衰減，其橫向動應(yīng)力在試驗中分別取 10kPa、20kPa 和30kPa。

通常而言，三軸試驗中圍壓最大值應(yīng)不小于土體承受的最大有效應(yīng)力，最小值應(yīng)大于土層覆蓋層壓力。出于路基上鋪軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜荷載考慮，試驗中圍壓分別取50kPa、75kPa、 100kPa、200kPa。

膨脹土的最優(yōu)含水量為15.5%，結(jié)合實際工況，試驗前所選取土樣初始含水率分別為17.0%、20.9% 與 21.9% （飽和含水率）。

試驗采用應(yīng)力控制加載方式，選取正弦波，雙向激振，逐級施加動荷載。由于圍壓室水壓要確保穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，能常需要5次左右的振動調(diào)節(jié)過程，因此以循環(huán)5次后采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，每級動應(yīng)力振動設(shè)為 13 次，分8級加載。同時，要確保試樣有明顯的動應(yīng)變，初始豎向動應(yīng)力徑向動應(yīng)力差應(yīng)大于 10kPa。這樣不僅可以避免試樣因個體差異而引起的試驗結(jié)果錯誤，而且可以節(jié)省試驗時間和工作量。

對每個試樣施加最后一級動荷載過程中，需要增加荷載的振動次數(shù)，以探討振動次數(shù)對膨脹土動模量的影響。因儀器功能不足問題，試驗采用同相位雙向振動三軸試驗，記錄試樣的軸向動應(yīng)變。排水方式采用固結(jié)不排水，試驗方案見表3。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 圍壓對動力特性的影響

各初始含水率土在不同圍壓下的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。

圖1

根據(jù)圖1分析得知，試驗中土樣的固結(jié)比為1.2，頻率2Hz，徑向動應(yīng)力為20kPa。由圖可以發(fā)現(xiàn)，土動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線符合雙曲線變化規(guī)律；同一初始含水率下，土動應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線斜率隨固結(jié)圍壓增大而增加，對應(yīng)同一動應(yīng)力，動應(yīng)變隨圍壓的增大而減 小。動彈模量隨固結(jié)圍壓的增大而增加是土壓硬性的表現(xiàn)，符合土的一般特性。

各初始含水率土體在不同圍壓下的動彈模量Ed與動應(yīng)變εd關(guān)系曲線見圖2。

圖2

由圖2可以看出，各初始含水率中土的動彈性模量隨動應(yīng)變增大基本呈線性衰減。

2.2 徑向動應(yīng)力幅值對動力特性的影響

動彈模量Ed 隨動應(yīng)變εd的變化曲線見圖3。

圖3

根據(jù)圖3分析得知，徑向動應(yīng)力對動彈模量影響較大。在相同條件下，隨著徑向動應(yīng)力的減小，Ed-εd 關(guān)系曲線隨著徑向動應(yīng)力水平的提高，動彈模量的衰減幅度斷增大。從中可以發(fā)現(xiàn)，雖然同相位雙向振動提高了土的動彈模量，但其模量的衰減幅度比單向振動更大。

2.3 含水量對動力特性的影響

由圖1可以看出，隨著含水率的減小，動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在相同圍壓和動應(yīng)力作用下的土樣，其動應(yīng)變隨著含水量的減小而減小，這是由于含水量的減小，土體強(qiáng)度增加，從而在相同應(yīng)力狀態(tài)下動變形減小。

由圖2可以看出，膨脹土隨著含水量的減小而抗動荷載的能力不斷增強(qiáng)。但是從另一個側(cè)面也說明了膨脹土水穩(wěn)性較差，浸水后重塑膨脹土抗荷載能力降低較為顯著。同時，隨含水量的降低，土體阻尼比逐漸減小，這主要是在含水量的減小的情況下，增強(qiáng)了土體間的膠結(jié)作用，使得顆粒間更加緊密，減少了顆粒間傳遞的消耗量。

3 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)地鐵路基膨脹土動力特性試驗分析，得到了以下幾個方面的結(jié)論：

（1）膨脹土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈雙曲線型，隨著固結(jié)圍壓和含水量的增大動應(yīng)力應(yīng)變曲線動應(yīng)變隨固結(jié)圍壓和含水量的減小而減小，隨徑向動應(yīng)力的減小而增大，這是由同相位試驗條件引起的。

（2）同一條件下土的動彈模量隨圍壓的增高而增大，隨含水量的增大而減小，而動彈模量在雙向振動中隨徑向動應(yīng)力水平的提高，動彈模量的衰減幅度不斷增大，這是由于土體結(jié)構(gòu)在較大徑向動應(yīng)力時產(chǎn)生了更大的疲勞損傷，這與前人的結(jié)果有所差異。

（3）振動次數(shù)對膨脹土動力特性的影響較大，動彈模量隨振動次數(shù)的增大而逐漸減小，當(dāng)振動次數(shù)達(dá)到一定量后，其衰減幅度放緩，并達(dá)到了一個穩(wěn)定值。

參考文獻(xiàn)

[1]白灝.固結(jié)比對石灰土動力特性的影響試驗研究.巖土力學(xué)，2009，30（6）.

[2]齊劍鋒.飽和黏土動剪切模量與阻尼比的試驗研究.巖土工程學(xué)報，2008，30（4）.