王永霞
(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司,太原 030032)
土體在經(jīng)歷凍融循環(huán)后其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的改變。在土的物理性質(zhì)方面,文獻(xiàn)[1-5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)指出凍融作用可導(dǎo)致土的孔隙率、滲透性、干密度和回彈模量發(fā)生變化,并分析了土的初始狀態(tài)(如密實(shí)度、含水率、顆粒級(jí)配)、凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度梯度對(duì)土體物理特性的影響規(guī)律,提出了凍融殘余孔隙比理論[6]。關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)土的靜力特性的影響,文獻(xiàn)[7]通過(guò)剪切試驗(yàn)分析了黏土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系;文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)采用石灰改良的粉土在凍融循環(huán)后其強(qiáng)度出現(xiàn)降低。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)后雖然其強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化,但土的強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系變化較小。根據(jù)靜三軸試驗(yàn)結(jié)果,文獻(xiàn)[10-13]一致認(rèn)為凍融循環(huán)會(huì)對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響,且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加土的彈性模量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。針對(duì)一般條件下土的動(dòng)力特性有大量研究[14-18],并取得了豐富的成果,但目前有關(guān)凍融作用對(duì)土動(dòng)力特性影響的研究相對(duì)較少。根據(jù)粉煤灰改良的粉質(zhì)黏土動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果,文獻(xiàn)[19]得出土的動(dòng)強(qiáng)度和剪切模量將隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低;針對(duì)長(zhǎng)春粉質(zhì)黏土的動(dòng)力特性,文獻(xiàn)[20]也得出了基本相同的結(jié)論。文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果表明土的剪切模量隨其凍融次數(shù)的增加而逐漸增大。
神朔鐵路路基病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明路基的凍脹和融沉給線路的日常維修帶來(lái)較大困難,在病害嚴(yán)重地段須封鎖線路對(duì)病害進(jìn)行處理。神朔鐵路線路長(zhǎng)期處于大軸重和季節(jié)性凍融耦合作用之下,路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化失效而影響線路安全運(yùn)營(yíng)。因此,本文針對(duì)凍融前后重載鐵路路基粉土填料進(jìn)行靜動(dòng)三軸剪切試驗(yàn),分析靜動(dòng)荷載作用下凍融作用引起填料力學(xué)性質(zhì)的變化特點(diǎn),為神朔鐵路路基的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。
試驗(yàn)用土取自神朔鐵路上行線K223+200 路肩至0.5 m 深范圍內(nèi)。根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》做顆粒篩分試驗(yàn),得到填料的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。其中粒徑0.075 mm 以下顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的71.9%,不均勻系數(shù)Cu為4.6,曲率系數(shù)Cc為0.18。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,土樣的最優(yōu)含水率wopt為14.5%,最大干密度為1.886 g/cm3。顆粒相對(duì)密度2.754 g/cm3,塑限為17.2%,塑性指數(shù)為8。
圖1 路基填料顆粒級(jí)配曲線
選用圖2(a)中應(yīng)力控制式的多級(jí)循環(huán)荷載加載方式,試驗(yàn)過(guò)程中多級(jí)循環(huán)加載分為初始軸向應(yīng)力加載和循環(huán)荷載加載2個(gè)過(guò)程。初始軸向應(yīng)力加載過(guò)程中,待圍壓穩(wěn)定后直接施加初始軸向應(yīng)力σs,同步記錄試樣的軸向應(yīng)變。待軸向應(yīng)力穩(wěn)定在σs后,該加載過(guò)程結(jié)束。初始軸向應(yīng)力加載結(jié)束時(shí),循環(huán)荷載加載過(guò)程立即開(kāi)始。以σs為平均荷載,自10 kPa 的初始振幅開(kāi)始,單級(jí)荷載振動(dòng)N次后,振幅增大10 kPa,依此加載直至試樣破壞。
圖2 多級(jí)循環(huán)荷載加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
首先將每級(jí)循環(huán)加載最后一個(gè)滯回圈的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的交點(diǎn)(圖2(b))相連后,再與初始軸向應(yīng)力加載過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相接,便得到該試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(骨架曲線),如圖2(a)所示。根據(jù)文獻(xiàn)[22]取應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為動(dòng)強(qiáng)度。
靜荷載加載方式為應(yīng)變控制式,試驗(yàn)過(guò)程中采用0.4 mm/min 的速率均勻加載,以應(yīng)變15%時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為試樣的抗剪強(qiáng)度。
試驗(yàn)的圍壓選取100,200,300 kPa,進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)靜三軸試驗(yàn)的強(qiáng)度,動(dòng)三軸試驗(yàn)中的初始軸向應(yīng)力取為靜強(qiáng)度的0.6倍。同時(shí)為了研究振動(dòng)次數(shù)對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度的影響,單級(jí)循環(huán)荷載的振動(dòng)次數(shù)取20 次。神朔鐵路等重載鐵路路基動(dòng)應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,列車引起的動(dòng)荷載頻率不超過(guò) 4 Hz[23-26],本文將循環(huán)荷載的頻率取為 1 Hz?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)路基土含水率為17.6%,根據(jù)一般路基設(shè)計(jì)要求其壓實(shí)系數(shù)取0.93。試樣的直徑為39.1 mm,高度為80 mm。靜動(dòng)三軸試驗(yàn)凍融次數(shù)為0,1,3,5,7,10,凍融過(guò)程在-20°C環(huán)境中和室溫中各進(jìn)行12 h。
未凍融土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3??芍?,在不同的荷載和圍壓條件下,凍融前試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(骨架曲線)均為硬化型曲線。以圍壓100 kPa 為例,凍融后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(骨架曲線)依舊為硬化型(圖4),即凍融作用對(duì)土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型影響不明顯。
圖3 未凍融土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
取試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和骨架曲線應(yīng)變分別為15%和5%時(shí)的強(qiáng)度作為剪切強(qiáng)度。試樣剪切強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖5。可知,當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí),試樣的靜剪切強(qiáng)度大于試樣的動(dòng)剪切強(qiáng)度;且動(dòng)靜荷載作用下試樣的剪切強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。
圖5 試樣剪切強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系
根據(jù)圖5 中,采用式(1)計(jì)算內(nèi)摩擦角和黏聚力,結(jié)果見(jiàn)圖6。
式中:σ1為最大主應(yīng)力,kPa;σ3為最小主應(yīng)力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);c為黏聚力,kPa。
圖6 凍融前后土的內(nèi)摩擦角和黏聚力
由圖6 可知,試樣的黏聚力隨著凍融次數(shù)增加而逐次降低,在3 次凍融后基本保持不變。凍融作用造成試樣的黏聚力衰減,主要影響在前3次凍融過(guò)程中。當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí),土樣的動(dòng)黏聚力大于靜黏聚力。土樣的內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)而逐次增大,經(jīng)歷3 次凍融后基本保持不變。凍融作用會(huì)導(dǎo)致試樣內(nèi)摩擦角增長(zhǎng),但主要影響在前3次凍融過(guò)程中。
土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系采用Logistic 函數(shù)進(jìn)行擬合。Logistic 函數(shù)f(n)的表達(dá)形式為
式中:n為凍融次數(shù);a,b,m,d為曲線的擬合參數(shù)。
Logistic 函數(shù)中的參數(shù)具有不同的數(shù)學(xué)意義,取a=200,b=300,不論c和d值的變化,a代表n=0 時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)擬合值;b代表n→∞時(shí),擬合曲線達(dá)到穩(wěn)定,即擬合曲線平穩(wěn)區(qū)間的最大值或者最小值。圖7(a)表明,隨著m值的減小,曲線中f(n)值由平穩(wěn)值向最小值轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處n值越小。圖7(b)中d值反映了擬合曲線f(n)最大值至最小值區(qū)間轉(zhuǎn)變的斜率,d值越大斜率越大,曲線形式越陡峭。
圖7 Logistic函數(shù)曲線形式與參數(shù)的關(guān)系
圖6 中黏聚力和內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)的關(guān)系,采用式(2)擬合后各參數(shù)值見(jiàn)表1。靜黏聚力的擬合參數(shù)m和d均大于動(dòng)黏聚力的擬合參數(shù),表明靜荷載作用下試樣黏聚力隨凍融次數(shù)變化速率快于動(dòng)荷載作用下的。靜內(nèi)摩擦角的擬合參數(shù)m和d也均大于動(dòng)內(nèi)摩擦角的擬合參數(shù),表明靜荷載作用下試樣內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化速度快于動(dòng)荷載作用下的。但動(dòng)靜荷載作用下,黏聚力和內(nèi)摩擦角凍融前后的數(shù)值大小不同。
荷載類型會(huì)引起試樣凍融前后力學(xué)指標(biāo)不同的變化規(guī)律,但是并不會(huì)改變凍融過(guò)程中試樣力學(xué)指標(biāo)的變化速率。
表1 黏聚力與內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)間關(guān)系擬合參數(shù)
2.3.1 初始彈性模量
關(guān)于土的動(dòng)力特性,常采用Hardin?Drnevich 動(dòng)本構(gòu)模型或鄧肯-張模型來(lái)描述,即
式中:σd為軸向動(dòng)應(yīng)力幅值;εd為軸向動(dòng)應(yīng)變幅值;E0為初始彈性模量;σult為應(yīng)力應(yīng)變曲線的漸近線。
根據(jù)圖3和圖4中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,采用式(3)分別得到表2和圖8對(duì)應(yīng)的動(dòng)、靜條件下的初始彈性模量。
表2 未凍融時(shí)土的初始彈性模量
圖8 圍壓100 kPa時(shí)初始彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系
由表2 可知,未經(jīng)歷凍融作用的試樣在相同圍壓下,動(dòng)初始彈性模量大于靜初始彈性模量,且初始彈性模量隨著圍壓的增大而增大。由圖8 可知,土樣在凍融后,在當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí),動(dòng)初彈性模量大于靜初彈性模量,且動(dòng)初始彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而減小,而靜初始彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而逐漸增大并逐漸趨于穩(wěn)定。
2.3.2 等效剪切模量
動(dòng)三軸試驗(yàn)中,根據(jù)每一級(jí)荷載軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變滯回圈可知其軸向動(dòng)應(yīng)力幅值σd和動(dòng)應(yīng)變幅值εd,可以利用式(4)至式(6)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力幅值和動(dòng)剪應(yīng)變幅值。
式中:τd為動(dòng)剪應(yīng)力幅值;γd為剪應(yīng)變幅值;μ為泊松比,在不排水條件下取0.5;σmax和σmin為某一軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變滯回圈的最大和最小軸向動(dòng)應(yīng)力。
對(duì)于圖2(b)中土的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變滯回曲線,采用式(4)和式(6),可將其轉(zhuǎn)換成圖9所示的的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變滯回圈。圖9 中B點(diǎn)橫縱坐標(biāo)即為某一滯回曲線內(nèi)的動(dòng)剪應(yīng)變幅值和動(dòng)剪應(yīng)力幅值。
圖9 試驗(yàn)中剪應(yīng)力-剪應(yīng)變滯回圈
進(jìn)一步分析土樣在試驗(yàn)過(guò)程中各級(jí)加載滯回曲線對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力幅值和動(dòng)剪應(yīng)變幅值的變化規(guī)律。在圖10中,在3次凍融后試樣的τd-γd關(guān)系呈現(xiàn)直線性增長(zhǎng)的趨勢(shì);圍壓越高,同一動(dòng)剪應(yīng)變幅值對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力幅值也越大,直線斜率越大。圖11 中,當(dāng)圍壓為200 kPa 時(shí),試樣的τd-γd關(guān)系呈現(xiàn)直線增長(zhǎng)趨勢(shì);前5次凍融過(guò)程中,同一動(dòng)剪應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)變幅值逐漸增大。土樣經(jīng)歷5 次凍融后,τd-γd關(guān)系基本保持不變。
圖10 3次凍融后土的τd - γd關(guān)系
圖11 圍壓200 kPa時(shí)土凍融后τd - γd關(guān)系
等效剪切模量是針對(duì)某一特定滯回圈土樣的動(dòng)剪應(yīng)變幅值而言的。在圖9中,將B點(diǎn)與原點(diǎn)相連,該直線的斜率就是該動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd下的等效剪切模量G。即
圖12 和圖13 表明,試樣的等效剪切模量隨著動(dòng)剪切應(yīng)變幅值的增大單調(diào)遞減,且曲線斜率絕對(duì)值隨著動(dòng)剪切應(yīng)變幅值增加而逐漸減小。由圖12可知,圍壓越大,同一剪應(yīng)變幅值對(duì)應(yīng)的等效剪切模量越大。
圖12 3次凍融后土的G - γd關(guān)系
圖13 圍壓200 kPa時(shí)土凍融后G - γd關(guān)系
由圖13可知,凍融后試樣的等效剪切模量小于未凍融試樣的等效剪切模量。前5次凍融過(guò)程中等效剪切模量發(fā)生較大的衰減,隨后的凍融過(guò)程中等效剪切模量保持相對(duì)穩(wěn)定,表明凍融作用對(duì)土體等效剪切模量的不利影響主要集中在前5次凍融過(guò)程。
1)神朔鐵路路基填料在凍融前和后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)為硬化型,且該粉土的靜動(dòng)強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí),粉土的靜強(qiáng)度大于動(dòng)強(qiáng)度。
2)靜、動(dòng)黏聚力隨凍融次數(shù)先減小后穩(wěn)定,而靜、動(dòng)內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)先增大后穩(wěn)定。凍融次數(shù)相同時(shí),粉土的靜黏聚力小于動(dòng)黏聚力,靜內(nèi)摩擦角大于動(dòng)內(nèi)摩擦角。
3)動(dòng)初始彈性模量隨凍融次數(shù)先降低后趨于穩(wěn)定,而靜初始彈性模量隨凍融次數(shù)先增大后趨于穩(wěn)定。粉土的動(dòng)初始彈性模量大于同一凍融次數(shù)時(shí)的靜初始彈性模量。
4)凍融后試樣的等效剪切模量小于未凍融試樣。凍融作用對(duì)粉土等效剪切模量的不利影響主要集中在前5次凍融循環(huán)。