李亞峰，聶如松,2，冷伍明,2，孫寶莉，高旭峰，郭一鵬

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2.中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；3.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410114)

有砟軌道結(jié)構(gòu)是我國及世界范圍內(nèi)最主要的鐵路軌道結(jié)構(gòu)形式[1]。道床和路基作為承受列車動荷載作用的主要結(jié)構(gòu)，在列車動荷載和環(huán)境因素的耦合作用下，動力效應(yīng)顯著。道床與路基接觸部位常發(fā)生道砟嵌入和細(xì)粒土向上遷移現(xiàn)象，嚴(yán)重時引發(fā)道砟陷槽、道砟囊、翻漿冒泥、基床外擠和土石夾層等路基病害，增加了線路養(yǎng)護(hù)和維修的成本[2-6]，也影響列車運行的平穩(wěn)性與安全性。動三軸試驗是研究循環(huán)動荷載作用下道床和路基填料動力行為的有效手段?；趧尤S試驗，TENNAKOON 等[2,7-8]針對道砟臟污和道砟破碎現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的表征指標(biāo)，分析了道砟臟污和道砟破碎對道砟力學(xué)、變形和滲透特性的影響。LENG 等[9-10]分析了應(yīng)力、排水條件和振次等因素對路基粗、細(xì)粒土填料動力和變形特性的影響，并提出了變形和臨界動應(yīng)力的預(yù)估模型。這些研究成果為道床和路基的設(shè)計、評估和維護(hù)提供了理論依據(jù)。上述研究在分析道床和路基的動力和變形特性時，僅以道床或路基中的某一層作為研究對象，并將其邊界的受力情況視為均布荷載。然而，MCHENRY 等[11-13]采用壓敏紙和薄膜傳感器等設(shè)備實測了道砟碎石與路基面的接觸應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)道砟顆粒的形狀及離散特征會直接影響道砟與路基土間接觸應(yīng)力。道砟與路基土間的散點式接觸應(yīng)力約為將道床視為整體時，平面式接觸應(yīng)力的2倍，因此，有必要在動三軸試驗中模擬真實的道床-路基接觸應(yīng)力狀態(tài)，以考慮兩者層間接觸點顯著的動應(yīng)力及離散分布特性。同時，道床-路基接觸部位在列車動荷載和降雨、凍融、地下水位上升等環(huán)境因素的長期作用下會發(fā)生道砟嵌入和細(xì)粒土遷移等現(xiàn)象。CUI 等[3-4]基于現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)試驗，指出增大路基含水率和降低路基壓實度會使道床-路基接觸部位出現(xiàn)顯著的超孔隙水壓力，驅(qū)動細(xì)粒土上移，而在無顯著超孔隙水壓力形成的條件下，僅會出現(xiàn)道砟嵌入現(xiàn)象。道砟嵌入和細(xì)粒土上移使得傳統(tǒng)有砟鐵路(道砟直接鋪設(shè)在土質(zhì)路基上)出現(xiàn)大量的土石夾層和翻漿冒泥病害。WANG 等[14-15]系統(tǒng)地研究了土石夾層的變形和動力特性，分析了含水率、粗/細(xì)粒土含量等因素的影響。CHAWLA 等[5,16]開展了室內(nèi)模型試驗，指出在路基中，埋設(shè)土工織物可有效抑制道床和路基接觸部位的超孔隙水壓力形成、細(xì)粒土遷移以及道砟嵌入，進(jìn)而維持路基形態(tài)的穩(wěn)定。已有研究成果表明，在列車動荷載和環(huán)境因素的耦合作用下，由于道床與路基接觸部位的動力效應(yīng)顯著，道砟嵌入路基土中，細(xì)粒土向上遷移，這顯然會影響接觸部位一定范圍內(nèi)道砟和路基土的動力特性和變形行為，甚至?xí)壪陆Y(jié)構(gòu)整體的動力和變形特性產(chǎn)生影響。然而，已有的關(guān)于道床與路基接觸部位的研究多集中于道砟嵌入和細(xì)粒土遷移發(fā)生后形成的臟污道砟及土石夾層，而關(guān)于道砟嵌入和細(xì)粒土遷移的形成和影響因素的研究較少。為此，本文作者以道砟嵌入現(xiàn)象最為顯著的碎石道床-土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)形式為設(shè)計原型，考慮不同動應(yīng)力和含水率的影響，開展以道砟-路基土雙結(jié)構(gòu)層試樣為研究對象的動三軸試驗。首先，分析不同動應(yīng)力和細(xì)粒土層含水率條件下的道砟嵌入現(xiàn)象，并提出可表征道砟嵌入程度的指標(biāo)；然后，分析動應(yīng)力和細(xì)粒土層含水率對道砟嵌入程度的影響，并提出道砟嵌入指標(biāo)與動應(yīng)力間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；隨后，基于實測的道砟嵌入指標(biāo)，分析細(xì)粒土層側(cè)向變形的發(fā)展規(guī)律。

1 動三軸試驗

以朔黃重載鐵路碎石道床-土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)為工程背景(見圖1)。為了突出道砟嵌入現(xiàn)象，直接將道砟鋪放在細(xì)粒土上，設(shè)計道砟-細(xì)粒土雙結(jié)構(gòu)層試樣。同時，考慮實際鐵路運營中相鄰列車的時間間隔，開展以道砟-細(xì)粒土雙結(jié)構(gòu)層試樣為研究對象的間歇性加載動三軸試驗。

圖1 碎石道床-土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)Fig.1 Substructure of gravel ballast and subgrade soil

1.1 試驗材料和試樣制備

重載鐵路道床層的厚度一般為0.5～0.6 m，路基層中受列車動荷載影響較為顯著的深度約為1.2 m[1]，因此，將試樣中道砟層和路基土層的厚度比設(shè)置為1∶2。道砟與路基土雙結(jié)構(gòu)層試樣的示意圖見圖2。

圖2 道砟與路基土雙結(jié)構(gòu)層試樣Fig.2 Sample with double layers of ballast and subgrade soil

1.1.1 道砟

重載鐵路道床填料采用一級道砟碎石，其粒徑范圍為16～63 mm(方孔篩)[17]。試驗采用的動三軸試驗系統(tǒng)配套的試樣直徑為100 mm，高為200 mm。為消除動三軸試樣顆粒的尺寸效應(yīng)，試樣中最大顆粒的粒徑應(yīng)小于試樣尺寸的1/5[14]，因此，對原道砟進(jìn)行縮尺處理。

將試樣的尺寸乘以1/5，獲得縮尺后的道砟最大粒徑為20 mm，縮尺比例為20:63。依照該縮尺比例，縮尺后的道砟最小粒徑為5.1 mm。平行縮尺法采用式(1)對任意級配的道砟尺寸進(jìn)行縮尺，使得每一組級配的道砟在縮尺前后保持相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]。為保證試驗所用的道砟碎石與實際鐵路道砟的力學(xué)特性一致，試驗所用的道砟均取自朔黃重載鐵路提供道砟碎石的采石場。

式中：Dmax和Dmin分別為規(guī)范中道砟粒徑的最大值和最小值；分別為縮尺后道砟粒徑的最大值和最小值；D和D′分別為縮尺前、后某一級配范圍的道砟粒徑；η為縮尺比例。

1.1.2 路基土

本試驗中的路基土取自朔黃鐵路某過渡段的路基層，其物理參數(shù)指標(biāo)和級配曲線分別如表1和圖3所示。依據(jù)“鐵路路基設(shè)計規(guī)范”[18]，該細(xì)粒土的塑性指數(shù)小于10，液限小于40%，為低液限粉土。

圖3 試驗所用道砟和路基土的級配曲線Fig.3 Particle size distribution of ballast and subgrade soil used in this test

表1 路基細(xì)粒土的物理參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical properties of subgrade soil

根據(jù)聶如松等[19]關(guān)于翻漿冒泥土性質(zhì)的研究，該細(xì)粒土為易發(fā)生翻漿冒泥的土。這表明當(dāng)該土質(zhì)路基處于高含水率狀態(tài)(如飽和狀態(tài))時，道床和路基接觸部位在列車循環(huán)荷載作用下極易發(fā)生細(xì)粒土遷移和道砟嵌入現(xiàn)象。鐵路現(xiàn)場調(diào)研中大量出現(xiàn)的土石夾層和翻漿冒泥等病害(圖1)也驗證了這一結(jié)論。

需要說明的是，試驗僅對道砟進(jìn)行縮尺處理，而未對路基土進(jìn)行縮尺處理，原因主要有以下兩點：1)路基土中粒徑小于0.075 mm 的顆粒質(zhì)量占土體總質(zhì)量的95%，路基土的主要成分為粉粒，還有少量的黏粒。由于粉粒和黏粒與縮尺后道砟的粒徑相差較大，將路基土縮尺20∶63對研究道砟嵌入現(xiàn)象影響較小。2)粉粒和黏粒的粒徑足夠小，再對其進(jìn)行縮尺可能會改變土樣的性質(zhì)，如其液塑限和壓實性質(zhì)等。因此，本文直接采用路基土進(jìn)行試驗。

1.1.3 試樣參數(shù)及制備

鑒于道砟良好的排水性能，試驗中道砟含水率為天然含水率。路基細(xì)粒土的滲透系數(shù)較低(當(dāng)壓實系數(shù)為0.95 時，滲透系數(shù)為1.238×10-7cm/s)，受極端環(huán)境影響，其含水率變化較大，故試驗考慮了最優(yōu)含水率、飽和含水率和天然含水率共3種狀態(tài)。

制樣過程按照“鐵路工程土工試驗規(guī)程”[20]進(jìn)行。對于非飽和試樣，首先將細(xì)粒土烘干、過篩、配至目標(biāo)含水率；然后，在制樣筒中分4層擊實細(xì)粒土層，并將道砟分3 層松鋪在細(xì)粒土層上，采用人工振搗的方式使道砟達(dá)到密實狀態(tài)；最后，手動找平道砟層的上表面，以方便后續(xù)的試樣安裝。

對于飽和試樣，試樣的制作方法與非飽和試樣基本一致，區(qū)別之處在于在細(xì)粒土層擊實后，將土樣兩端用透水石夾緊，置于真空缸中采用真空飽和法進(jìn)行飽和。隨后在飽和后的細(xì)粒土層上松鋪道砟，并完成后續(xù)的道砟振搗、找平等操作。值得一提的是，“重載鐵路設(shè)計規(guī)范”[21]規(guī)定道床的密實度應(yīng)不小于1 700 kg/m3，本文縮尺道砟振搗后的密實度為1 760 kg/m3，道砟的密實度與鐵路現(xiàn)場情況較吻合。

由于道砟層采用人工振搗的方式進(jìn)行擊實，且其密實度較低，而細(xì)粒土層的壓實系數(shù)較高(K=0.97)，故振搗過程中道砟對飽和細(xì)粒土層表面形態(tài)的影響較小，細(xì)粒土面僅有細(xì)微的道砟印痕，這與試驗結(jié)束后道砟在動荷載作用下累積的嵌入程度(圖6)相比可以忽略。故可認(rèn)為制樣過程中道砟與細(xì)粒土接觸面的形態(tài)保持穩(wěn)定、未發(fā)生道砟嵌入和細(xì)粒土遷移等現(xiàn)象，道砟嵌入是由后續(xù)動荷載施加引起的。

1.2 試驗設(shè)備

試驗儀器為SDT-50 電液伺服動三軸試驗機(jī)，主要包括試驗系統(tǒng)主機(jī)、軸向/側(cè)向電液伺服激振器、伺服控制系統(tǒng)、液壓源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)具有應(yīng)力、應(yīng)變和位移3種控制模式，可實現(xiàn)軸向荷載和圍壓的多種波形的加載，如正弦波、三角波和地震波等。軸向荷載通過液壓源驅(qū)動軸向激振器進(jìn)行施加，軸向激振靜態(tài)負(fù)荷為0～50 kN，可調(diào)節(jié)加載頻率為0～10 Hz。圍壓通過側(cè)向激振器擠壓圍壓室內(nèi)的水進(jìn)行施加，最大可達(dá)1 MPa。該試驗系統(tǒng)配置的試樣直徑為100 mm，高為200 mm。

1.3 試驗方法及方案

由于試樣的高度較小，作動器施加的動應(yīng)力與道砟-細(xì)粒土接觸面的平均動應(yīng)力基本相同，故可參考實際鐵路路基面的動應(yīng)力來確定作動器施加的動應(yīng)力。李子春[22]開展了鐵路路基現(xiàn)場動力測試試驗，發(fā)現(xiàn)路基面產(chǎn)生的最大動應(yīng)力為35～185 kPa。為全面分析道床-路基的變形行為，本試驗將動應(yīng)力幅值的范圍擴(kuò)大至60～360 kPa。同時，由于道床和路基的埋深較淺、圍壓較小，在本試驗中圍壓設(shè)置為30 kPa[8-9,22]。加載頻率設(shè)置為2 Hz，以模擬速度為50 km/h 的重載列車運行時對路基的動載作用頻率[23]。

在實際列車運營條件下，道床和路基承受的長期荷載包括列車經(jīng)過時的振動加載階段和無列車通過時的間歇階段。間歇性循環(huán)加載能更好地反映列車長期運行對軌下結(jié)構(gòu)的動力作用[24-25]，本試驗選擇間歇性循環(huán)荷載對試樣進(jìn)行加載。朔黃鐵路主要開行2萬t列車，一般由2～4臺機(jī)車和216輛貨運車廂組成。相鄰2節(jié)車廂的2個轉(zhuǎn)向架(4個輪對)對路基某點的作用可認(rèn)為是一個加載循環(huán)[23]，故1輛列車通過時會對路基產(chǎn)生218～220次振動加載，故每一加載階段的振次設(shè)置為220 次。同時，相鄰列車的運行最短間隔時間約為9 min，故間歇階段的停振時長設(shè)置為500 s。

道床和路基除受列車動荷載作用外，還承受鋼軌、軌枕和部分上層道砟產(chǎn)生的靜偏應(yīng)力作用，因此，試驗采用偏壓正弦波來模擬道砟和路基土在實際運營條件下的應(yīng)力條件[9]。

試驗施加的動荷載曲線如圖4所示。首先，施加圍壓σ3對試樣進(jìn)行固結(jié)，當(dāng)試樣軸向位移達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時即認(rèn)為固結(jié)完成。隨后，施加靜偏應(yīng)力σs，模擬鋼軌、軌枕和部分上層道砟的靜偏應(yīng)力作用。最后，對試樣施加動荷載σd，模擬列車經(jīng)過時的循環(huán)動荷載作用。加載階段結(jié)束后，試樣進(jìn)入間歇階段，交替地進(jìn)行加載和停振，直至試驗結(jié)束。由于路基土壓實系數(shù)高，滲透系數(shù)低，在固結(jié)完成后，關(guān)閉排水閥門，加載和間歇階段試樣不排水。當(dāng)加載振次達(dá)到6 000次或試樣的累積塑性應(yīng)變達(dá)到10%時，試驗終止。

圖4 加載方式Fig.4 Loading patterns

基于上述試驗設(shè)置，試驗方案如下：當(dāng) 含水率wopt為11.8%時，動應(yīng)力幅值σd分別取60，80，100，120，180，240，300 和360 kPa；當(dāng) 含水率wins為15.8%時，動應(yīng)力幅值σd分別取60，80，100,120，180 和240 kPa；當(dāng)含水率wsat為19.8%時，動應(yīng)力幅值σd分別取60，80，100，120，180，240 kPa。

2 道砟嵌入現(xiàn)象

為分析道砟嵌入現(xiàn)象，在試驗結(jié)束后，取走試樣上層的道砟，拍攝細(xì)粒土層的上表面即道砟與細(xì)粒土的接觸面。圖5～7所示分別為細(xì)粒土層含水率為最優(yōu)、15.8%和飽和狀態(tài)下的道砟與細(xì)粒土接觸面。部分試樣因道砟嵌入過深，取出道砟會破壞接觸面形態(tài)，故拍照時保留了道砟。

當(dāng)細(xì)粒土層含水率最優(yōu)(圖5)、動應(yīng)力幅值為60～80 kPa 時，細(xì)粒土層表面基本沒有道砟嵌入的槽痕，此時，試樣保持穩(wěn)定；當(dāng)動應(yīng)力幅值增大至100～180 kPa時，細(xì)粒土層表面出現(xiàn)輕微的道砟槽痕，此時，試樣仍保持穩(wěn)定；當(dāng)動應(yīng)力幅值進(jìn)一步增大至240 kPa時，細(xì)粒土層的表面的道砟槽痕較明顯，試樣的累積塑性變形也較顯著；而當(dāng)動應(yīng)力幅值增大至300～360 kPa時，大量道砟嵌入細(xì)粒土層中，細(xì)粒土表層發(fā)生顯著的局部結(jié)構(gòu)性破壞，試樣也發(fā)生破壞。

圖5 細(xì)粒土層為最優(yōu)含水率時的道砟-細(xì)粒土接觸面(俯視圖)Fig.5 Ballast-fine-grained soil contact surface when the fine-grained soil layer was in the optimal moisture content state(top view)

當(dāng)細(xì)粒土層含水率為15.8%和飽和狀態(tài)時(圖6和圖7)，道砟與細(xì)粒土接觸面的幾何形態(tài)隨動應(yīng)力的變化規(guī)律與最優(yōu)含水率條件下相似：動應(yīng)力增加使得接觸面道砟嵌入程度加劇，同時，含水率增加降低了細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度，使得道砟更易嵌入細(xì)粒土層中；當(dāng)細(xì)粒土層含水率為15.8%和飽和狀態(tài)下動應(yīng)力為80 kPa 時，道砟嵌入程度與最優(yōu)含水率條件下動應(yīng)力為240～300 kPa時相當(dāng)。

對比圖6、圖7 和圖8 可知：在相同動應(yīng)力條件下，含水率從11.8%增加至15.8%引起的道砟嵌入程度的增加量比含水率從15.8%增加至19.8%引起的增加量要大，這表明含水率在不同范圍的變化對道砟嵌入程度的影響也有所差異，后續(xù)將對此進(jìn)行定量分析。

圖7 細(xì)粒土為飽和含水率時的道砟-細(xì)粒土接觸面(俯視圖和正視圖)Fig.7 Ballast-fine-grained soil contact surface when the fine-grained soil is saturated(top view and front view)

圖8 不同含水率條件下道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨動應(yīng)力的變化曲線Fig.8 Ⅴariation of depth of penetrated ballast hb,mass of penetrated ballast mb and mass of migrated fine-grained soil ms with dynamic stress levels under different moisture content conditions

當(dāng)細(xì)粒土層含水率為15.8%和飽和含水率條件下，道砟嵌入程度較接近，但飽和狀態(tài)下的細(xì)粒土層在飽和和高振次加載的耦合作用下，其向上遷移的細(xì)粒土?xí)尸F(xiàn)出泥漿狀(圖7 中σd=120～180 kPa)，這不同于15.8%含水率下遷移至道砟孔隙內(nèi)的土仍保持為固體狀態(tài)。該試驗現(xiàn)象也驗證了CUI等[3-4]認(rèn)為“翻漿冒泥僅在路基為飽和狀態(tài)時才會發(fā)生，而在路基為非飽和狀態(tài)下僅會出現(xiàn)路基夾層現(xiàn)象”的觀點。

此外，在高動應(yīng)力條件下，道砟的嵌入還會使細(xì)粒土表層出現(xiàn)顯著的側(cè)向變形，如在最優(yōu)含水率條件下σd=360 kPa、飽和含水率條件下σd=180 kPa 時。動應(yīng)力幅值越大，細(xì)粒土層含水率越高，則側(cè)向變形越顯著。產(chǎn)生側(cè)向變形的原因是道砟嵌入土層中，使得土樣表層部分土顆粒被道砟向兩側(cè)排擠，同時，試樣的側(cè)向約束較小(圍壓σ3=30 kPa)，故試樣宏觀上表現(xiàn)出表層鼓脹的側(cè)向變形。因此，對于實際有砟軌道碎石道床-土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)，除了要考慮因道砟嵌入引起的軌下結(jié)構(gòu)永久性沉降外，還需對基床的側(cè)向變形進(jìn)行評估和必要的防治。

3 道砟嵌入表征指標(biāo)

3.1 道砟嵌入指標(biāo)

本文采用道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms共3指標(biāo)定量表征道砟嵌入程度。指標(biāo)的測定方法如下：試驗結(jié)束后，先后取走橡膠膜和試樣上層的道砟，保留已嵌入細(xì)粒土中的道砟；取出、烘干并稱嵌入細(xì)粒土中的道砟質(zhì)量，獲得道砟嵌入質(zhì)量mb；隨后，削平打磨細(xì)粒土接觸面至其表面平整、無道砟槽痕，收集、烘干和稱削平打磨下的細(xì)粒土質(zhì)量，獲得細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms；最后，量測削平打磨前后細(xì)粒土層的高度差，獲得道砟嵌入深度hb。

圖8所示為不同含水率條件下道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨動應(yīng)力的變化曲線。與上述關(guān)于接觸面幾何形態(tài)的定性分析相一致，在細(xì)粒土層為最優(yōu)含水率條件下，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd=60～180 kPa時，道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨動應(yīng)力幅值增加基本保持穩(wěn)定或者小幅度增大，道砟嵌入程度較弱(接觸面表面僅有輕微的道砟槽痕)；當(dāng)動應(yīng)力幅值增大至240～360 kPa時，hb，mb和ms隨動應(yīng)力的增大呈非線性增大，道砟嵌入程度顯著加?。旱理牟酆鄣臄?shù)量和深度顯著增加，甚至導(dǎo)致土體上層局部呈結(jié)構(gòu)性破壞。

當(dāng)細(xì)粒土層含水率增加至15.8%和飽和狀態(tài)時，道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨動應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律與最優(yōu)含水率條件下相似，但hb，mb和ms相比于最優(yōu)含水率下顯著增加。同時，含水率的增加使得hb，mb和ms顯著增加時對應(yīng)的動應(yīng)力幅值有所減小，這表明此時道砟更易嵌入細(xì)粒土層中。

為定量分析動應(yīng)力對道砟嵌入程度的影響，采用指數(shù)型函數(shù)擬合道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms與動應(yīng)力幅值σd間的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖8和表2所示。

圖8中的擬合曲線與道砟嵌入指標(biāo)的實測值吻合較好，表明采用指數(shù)型函數(shù)可較好地擬合道砟嵌入指標(biāo)與動應(yīng)力間關(guān)系?；诒?中的經(jīng)驗公式可有效地預(yù)測道砟嵌入的各項指標(biāo)，為實際道床和路基的設(shè)計和評估提供依據(jù)。

表2 道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨動應(yīng)力變化的經(jīng)驗公式Table 2 Empirical formulas for the variation of depth of penetrated ballast hb,mass of penetrated ballast mb and mass of migrated fine-grained soil ms with dynamic stress levels

需要注意的是，本試驗中道砟嵌入的最大深度為12～17 mm，而道砟的粒徑范圍為5～20 mm。因此，部分嵌入細(xì)粒土層中的道砟僅有部分在細(xì)粒土層內(nèi)，而本文在統(tǒng)計道砟嵌入質(zhì)量mb時，將嵌入細(xì)粒土中的道砟整體質(zhì)量作為道砟嵌入質(zhì)量，因此，圖8中道砟嵌入質(zhì)量比實際值偏大。而對于細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms，由于細(xì)粒土的粒徑較小，測量的細(xì)粒土遷移質(zhì)量即為實際因道砟嵌入而遷移至道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土質(zhì)量，因此，相比于道砟嵌入質(zhì)量mb，細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms作為描述道砟嵌入程度的指標(biāo)更為準(zhǔn)確、可靠。

3.2 影響因素分析

為分析含水率對道砟嵌入程度的影響，繪制不同動應(yīng)力下，道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨細(xì)粒土層含水率的變化曲線，如圖9所示。需要說明的是，為方便對比分析，圖9僅繪制了相同動應(yīng)力下3種含水率下試樣形態(tài)最終都保持穩(wěn)定的試樣，故動應(yīng)力幅值的范圍為60～180 kPa。

圖9 不同動應(yīng)力下道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms隨細(xì)粒土層含水率的變化曲線Fig.9 Ⅴariation of depth of penetrated ballast hb,mass of penetrated ballast mb and mass of migrated fine-grained soil ms with moisture content conditions under different dynamic stress levels

細(xì)粒土層含水率的增加使得道砟嵌入程度不斷加劇。在不同動應(yīng)力下，含水率增加對道砟嵌入程度的影響規(guī)律也不相同。

1)當(dāng)動應(yīng)力較低(σd≤120 kPa)時，試樣在3 種含水率下都保持整體形態(tài)穩(wěn)定時，含水率從11.8%增加至15.8%引起的道砟嵌入程度的增加量比含水率從15.8%增加至19.8%引起的增加量要大。這表明當(dāng)細(xì)粒土層的含水率從低含水率增大至一定數(shù)值(如本試驗中的15.8%)的過程中，土樣抗剪剛度下降顯著，此時道砟嵌入程度會顯著加劇。此后，繼續(xù)增大含水率對抗剪剛度的降低效果有限，故含水率從15.8%增加至19.8%道砟嵌入程度有所減緩。

2)當(dāng)動應(yīng)力較高(σd=180 kPa)，試樣在最優(yōu)含水率下保持穩(wěn)定而在15.8%和飽和含水率下因整體變形過大而破壞時，道砟嵌入程度的增加隨含水率的增加呈線性關(guān)系，此時，由于試樣在高含水率狀態(tài)下發(fā)生破壞，道砟嵌入程度隨含水率的增長并未減小。

上述分析結(jié)果表明，道砟嵌入程度受動應(yīng)力和路基含水率耦合影響。對于動應(yīng)力較低、整體變形較小的試樣，當(dāng)含水率增加至一定程度后(如本試驗中的15.8%)，其對道砟嵌入程度的影響會減弱，此時，主要由動應(yīng)力決定道砟嵌入的程度。而對于動應(yīng)力較高、變形較為顯著的試樣，含水率增加能顯著加劇道砟嵌入程度，甚至導(dǎo)致試樣破壞。

綜合圖8和圖9可知砟嵌入現(xiàn)象存在一個臨界動應(yīng)力σcri：當(dāng)動應(yīng)力小于該臨界值時，道砟嵌入程度的發(fā)展緩慢；當(dāng)動應(yīng)力大于該臨界值時，道砟嵌入程度迅速增加，甚至引起道砟-土試樣整體變形過大而破壞。該臨界動應(yīng)力隨細(xì)粒土層含水率的變化而變化，如最優(yōu)含水率條件下臨界動應(yīng)力約為300 kPa，而飽和含水率狀態(tài)下該臨界值為120～180 kPa。道砟嵌入的臨界動應(yīng)力σcri的影響因素較多，且相互耦合作用，后續(xù)需對此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 試樣側(cè)向變形分析

圖5～7表明加載結(jié)束后細(xì)粒土表層會發(fā)生側(cè)向變形，且動應(yīng)力和含水率越高，側(cè)向變形越顯著。直接量測加載結(jié)束后試樣的側(cè)向變形存在以下2個問題：1)加載結(jié)束后，土樣表層的橫截面往往呈局部凸起的不規(guī)則形狀，尤其是道砟嵌入程度顯著的試樣，不規(guī)則的截面形狀使得對其直接測定和刻畫較難；2)因道砟嵌入產(chǎn)生的土樣側(cè)向變形沿土樣高度呈非線性變化，且該變化規(guī)律隨含水率的變化會發(fā)生顯著差異，故需選擇可有效刻畫試樣整體側(cè)向變形的測量高度。鑒于上述原因，本文基于道砟嵌入指標(biāo)間接地對細(xì)粒土層的側(cè)向變形進(jìn)行分析。

首先，探討基于道砟嵌入指標(biāo)分析土樣側(cè)向變形的可行性。假設(shè)道砟和細(xì)粒土層的橫截面面積在加載前后保持不變，則遷移至道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土質(zhì)量可通過實測的道砟嵌入深度hb轉(zhuǎn)換獲得，具體計算方法為

式中：ms′為假設(shè)試樣無側(cè)限變形時的細(xì)粒土遷移質(zhì)量；A為試樣的橫截面面積；hb為道砟嵌入深度；K為遷移至道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土的壓實度；e為加載后的道砟孔隙比；ρdmax為細(xì)粒土層的最大干密度。

由于固結(jié)和加載過程會影響道砟和路基土的密實度，故在計算前需對參數(shù)e和K的取值進(jìn)行討論。INDRARATNA等[26]指出道砟在經(jīng)歷循環(huán)動荷載的壓密作用后，其孔隙率會由初始的0.95 降低至0.74。HUANG等[27]也實測了經(jīng)動荷載壓實后的道砟孔隙率，約為0.75。同時，對道砟的縮尺不會改變其孔隙率，因此，道砟孔隙率e的取值為0.75?？紤]細(xì)粒土層的壓實系數(shù)較高(K=0.97)，動荷載對其的密實效果有限，可認(rèn)為遷移至道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土的壓實度保持不變，仍為0.97。

通過式(2)計算獲得的細(xì)粒土遷移質(zhì)量的理論計算值與實測值如圖10所示。從圖10可見：總體上，細(xì)粒土遷移質(zhì)量的理論計算值比實測值小，且理論計算值與實測值在道砟嵌入程度較小時較接近，但當(dāng)?shù)理那度氤潭蕊@著時，兩者差異較大。

圖10 細(xì)粒土遷移質(zhì)量計算值與實測值Fig.10 Calculated and measured value of the mass of migrated fine-grained soil

細(xì)粒土遷移質(zhì)量計算值和實測值間產(chǎn)生差異的主要原因是理論計算方法忽略了發(fā)生側(cè)向變形的道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土。加載后的道砟-細(xì)粒土試樣細(xì)粒土層發(fā)生了側(cè)向變形，道砟層尤其是靠近接觸面范圍內(nèi)的道砟層也會出現(xiàn)顯著的側(cè)向變形。這是由于道砟嵌入過程中將周邊的細(xì)粒土同時向下壓縮和向側(cè)面排擠，使得細(xì)粒土發(fā)生側(cè)向變形，而細(xì)粒土發(fā)生側(cè)向變形的同時也會帶動接觸面的道砟發(fā)生側(cè)向移動，因此，靠近接觸面的道砟會發(fā)生更顯著的側(cè)向變形。而基于式(2)計算的細(xì)粒土遷移質(zhì)量理論值未能考慮發(fā)生側(cè)向變形的道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土，因此，理論值小于實測值，且道砟和細(xì)粒土層的側(cè)向變形越大，理論值和實測值間的差值就越大。這也證明了基于細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms和道砟嵌入深度hb間接地對細(xì)粒土層的側(cè)向變形進(jìn)行分析是可行的。

基于上述分析，采用細(xì)粒土遷移質(zhì)量的理論計算值與實測值之差Δms作為衡量試驗側(cè)向變形的指標(biāo)。在不同含水率下，Δms隨動應(yīng)力幅值的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同含水率條件下發(fā)生側(cè)向變形的道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土質(zhì)量隨動應(yīng)力幅值的變化曲線Fig.11 Ⅴariation of fine-grained soil mass in pores of ballast with dynamic stress amplitude under different moisture content conditions

從圖11 可見：試樣的側(cè)向變形隨著動應(yīng)力增加而增大，兩者基本呈線性關(guān)系；同時，在高含水率下，試樣的側(cè)向變形更大，且其受動應(yīng)力的影響越顯著，這與道砟嵌入指標(biāo)隨動應(yīng)力和含水率的發(fā)展規(guī)律相類似(圖8)。顯然，道砟嵌入是使試樣出現(xiàn)側(cè)向變形的根本原因。

值得注意的是，除了最優(yōu)含水率條件下動應(yīng)力幅值為360 kPa時試樣發(fā)生整體剪切破壞外，剩余的試樣在加載結(jié)束后整體形態(tài)保持完整穩(wěn)定，在細(xì)粒土層含水率為15.8%和飽和狀態(tài)下，破壞試樣因道砟嵌入深度過大而導(dǎo)致試樣整體變形過大。在高含水率下，試樣的破壞是因道砟嵌入程度過大而導(dǎo)致試樣整體變形過大，此時未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。但在低含水率下，當(dāng)應(yīng)力高于臨界應(yīng)力時，試樣的側(cè)向變形可能急劇增大，試樣出現(xiàn)脆性的結(jié)構(gòu)性破壞。因此，對于實際的碎石道床-土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)，需對道床和路基的側(cè)向變形進(jìn)行監(jiān)測，以防路基發(fā)生整體剪切破壞發(fā)生。

5 結(jié)論

1)道砟-細(xì)粒土試樣在動荷載作用下，會發(fā)生道砟嵌入現(xiàn)象。動應(yīng)力和細(xì)粒土層含水率的增加會加劇道砟嵌入程度。對于動應(yīng)力較低、整體變形較小的試樣，當(dāng)含水率增加至一定程度時，其對道砟嵌入程度的影響會減弱，此時，主要由動應(yīng)力決定道砟嵌入的程度。而對于動應(yīng)力較高、變形較顯著的試樣，含水率增加能顯著加劇道砟嵌入程度，甚至導(dǎo)致試樣破壞。

2)采用道砟嵌入深度hb、道砟嵌入質(zhì)量mb和細(xì)粒土遷移質(zhì)量ms這3個指標(biāo)對道砟嵌入程度進(jìn)行定量表征，并構(gòu)建了道砟嵌入指標(biāo)與動應(yīng)力間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

3)道砟嵌入使細(xì)粒土表層出現(xiàn)側(cè)向變形?；诩?xì)粒土遷移質(zhì)量和道砟嵌入深度間接地表征試樣的側(cè)向變形程度。對于形態(tài)穩(wěn)定的試樣，側(cè)向變形隨動應(yīng)力的增大而呈線性增加，但對于剪切破壞試樣，側(cè)向變形會突增。

4)以道砟-細(xì)粒土雙結(jié)構(gòu)層試樣為研究對象能考慮因道砟顆粒特征引起的道砟-路基接觸應(yīng)力離散性和局部增大效應(yīng)以及道床-路基接觸部位發(fā)生的顆粒遷移現(xiàn)象，真實地模擬列車動荷載長期作用下碎石道床-土質(zhì)路基的層間作用，可為軌下結(jié)構(gòu)變形行為的研究提供了試驗依據(jù)。