聶如松，李亞峰，冷伍明，黃茂桐，周思危，董俊利

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000)

早期修建的鐵路對(duì)路基的重要性認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致路基的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、填料規(guī)格差[1-3],有時(shí)甚至直接將道砟鋪設(shè)在土質(zhì)路基上。在列車動(dòng)荷載及外部環(huán)境的長(zhǎng)期作用下,道砟碎石和土質(zhì)路基直接接觸的部位容易發(fā)生道砟嵌入和路基土遷移,形成路基夾層、道砟陷槽、道砟囊、翻漿冒泥和基床外擠等病害[4-6]。對(duì)上覆道砟作用下路基表層變形行為的研究是揭示上述路基病害機(jī)理、全面認(rèn)識(shí)有砟軌道-路基結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形行為的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路基土在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力和變形特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,如聶如松等[3]和楊志浩等[7]分別研究了路基A組填料和級(jí)配碎石在循環(huán)動(dòng)荷載作用下的變形特性,Cai等[8-9]和Wang等[10]對(duì)軟土在單、雙向激振作用下的變形行為進(jìn)行了研究,Gr?be等[11]探究了主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)對(duì)路基變形行為的影響。這些研究成果在有效模擬路基實(shí)際應(yīng)力條件的基礎(chǔ)上,獲得了路基填料的動(dòng)力和變形特性。然而,McHenry等[12]、Abadi等[13]和Aikawa等[14]通過壓敏紙和薄膜傳感器等設(shè)備測(cè)試了有砟軌道道床與軌枕以及路基的界面應(yīng)力,結(jié)果表明由于道砟的顆粒特性,碎石道床與土質(zhì)路基界面應(yīng)力呈散點(diǎn)式分布。同時(shí),由于道砟的棱角特性,道砟顆粒與路基接觸處會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,此時(shí)接觸應(yīng)力約為將道床視為均勻塊體時(shí)平面應(yīng)力的2～3倍。顯然,傳統(tǒng)三軸試樣表面施加均布荷載的試驗(yàn)方法[5-13]不能模擬實(shí)際路基表面應(yīng)力散點(diǎn)式分布和局部應(yīng)力集中的特性,這使得試驗(yàn)中對(duì)于路基應(yīng)力狀態(tài)的模擬與實(shí)際情況不符。

此外,由于道砟和路基填料的散粒體特性,道床和路基接觸部位會(huì)出現(xiàn)道砟嵌入現(xiàn)象[6],如圖1所示。道砟嵌入后形成的夾層以及飽和狀態(tài)下的翻漿冒泥會(huì)對(duì)軌下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生顯著影響[15-20]。Duong等[18]設(shè)計(jì)了上層為道砟碎石、下層為路基細(xì)粒土的圓柱形試樣并對(duì)其施加動(dòng)荷載作用,并對(duì)道砟嵌入的全過程進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果表明當(dāng)路基土飽和時(shí),路基中的細(xì)粒土?xí)趧?dòng)荷載的作用下遷移至道砟孔隙內(nèi),而在路基含水率較低時(shí),僅發(fā)生道砟嵌入現(xiàn)象。Chawla等[21]開展了縮尺的有砟軌道-路基土模型試驗(yàn),指出在路基中埋設(shè)土工織物可減緩路基內(nèi)的水動(dòng)力響應(yīng)以及由此引發(fā)的粗/細(xì)顆粒遷移現(xiàn)象,進(jìn)而維持路基面的穩(wěn)定。然而,已有研究著重于碎石道床-土質(zhì)路基接觸面水動(dòng)力特性以及由此引發(fā)的細(xì)顆粒遷移研究,而對(duì)接觸面更為常見的道砟嵌入現(xiàn)象,尤其是關(guān)于其的定量分析以及其對(duì)路基變形行為的影響,相關(guān)研究還較為缺乏。

圖1 道床-路基界面處形成的土石夾層

鑒于動(dòng)三軸試驗(yàn)在模擬路基應(yīng)力條件和量測(cè)其變形響應(yīng)的有效性,本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的以單一路基填料制作試樣的思路,將道床和路基作為整體進(jìn)行制樣和加載,實(shí)現(xiàn)對(duì)道床-路基界面應(yīng)力和變形行為的有效考慮。首先,通過與純土試樣對(duì)比,分析道砟嵌入對(duì)路基土變形行為的影響;然后,研究動(dòng)應(yīng)力水平和路基含水率對(duì)道砟嵌入的影響,以及道砟嵌入與試樣整體軸向、側(cè)向變形間的關(guān)系;最后,基于道砟嵌入速率,探討基于道砟嵌入指標(biāo)的路基破壞標(biāo)準(zhǔn)。

1 動(dòng)三軸試驗(yàn)

為突出道砟嵌入現(xiàn)象,本文以朔黃重載鐵路有砟道床-土質(zhì)基床結(jié)構(gòu)為原型,設(shè)計(jì)上層為道砟、下層為基床填料的雙結(jié)構(gòu)層試樣。對(duì)于重載鐵路,道床層厚度一般為0.5～0.6 m,并且列車動(dòng)力響應(yīng)在基床0～1.2 m深度內(nèi)最為顯著[22],故雙層試樣的道砟碎石和基床土層厚之比設(shè)置為1∶2,如圖2所示。

圖2 道砟碎石-基床粉土雙層試樣(單位:mm)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 道砟碎石

朔黃重載鐵路采用一級(jí)道砟碎石作為道床填料,其顆粒粒徑范圍為16～63 mm[23]。同時(shí),試驗(yàn)采用的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(SDT-50電液伺服三軸儀)配套的試樣尺寸為100 mm×200 mm(直徑×高)。為避免尺寸效應(yīng)[24-25],試樣內(nèi)顆粒的最大粒徑應(yīng)不大于試樣整體尺寸的五分之一。因此,本文采用平行縮尺法對(duì)道砟進(jìn)行縮尺[26]。

由于試樣直徑為100 mm,故允許的最大道砟粒徑為20 mm,縮尺比例為20∶63,進(jìn)而推算出縮尺后的道砟最小粒徑為5.1 mm。為使每一組級(jí)配的道砟在縮尺前后保持相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[26-28],計(jì)算縮尺后的粒徑,即

( 1 )

式中:Dmax、D′max分別為縮尺前、后道砟粒徑的最大值;Dmin、D′min分別為縮尺前、后道砟粒徑的最小值;D、D′分別為縮尺前、后某一級(jí)配的道砟粒徑;η為縮尺比例。

縮尺前、后的道砟級(jí)配曲線見圖3。

圖3 試驗(yàn)所用道砟和基床粉土的顆粒級(jí)配曲線

1.1.2 基床填料

試驗(yàn)所用基床填料為低液限粉土[29-30],取自朔黃重載鐵路西柏坡段K248基床層,根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[31]確定為C組填料。該填料的顆粒相對(duì)密度為2.71,最大干密度為1.96 g/cm3,最優(yōu)含水率為11.8%,液限和塑限分別為26.0%和18.2%,級(jí)配曲線如圖3所示。更多關(guān)于試驗(yàn)用土的介紹詳見文獻(xiàn)[29-30]。

限于試樣尺寸,試驗(yàn)對(duì)道砟進(jìn)行縮尺處理,而基床填料直接采用現(xiàn)場(chǎng)路基土,未進(jìn)行縮尺處理,主要原因有: ①基床填料的主要成分為粉粒,還有少量的黏粒?；蔡盍现辛叫∮?.075 mm的細(xì)顆粒占土樣總質(zhì)量的95%,由于細(xì)顆粒與縮尺后道砟的粒徑相差較大(粒徑之比約為百倍),對(duì)填料進(jìn)行縮尺處理對(duì)道砟-粉土界面應(yīng)力及變形行為的影響不大。 ②粉粒和黏粒的粒徑已足夠小,對(duì)其進(jìn)行縮尺處理需要較高篩分精度,篩分過程中產(chǎn)生的誤差可能會(huì)影響土體的性質(zhì)。 ③對(duì)粉粒進(jìn)行縮尺,使得部分粉粒縮尺為黏粒,這會(huì)顯著影響土體的塑性,進(jìn)而影響土體在動(dòng)荷載下的變形特性。因此,本文直接采用路基土進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 制樣方法

道砟排水性能優(yōu)良,實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下多為風(fēng)干狀態(tài),故制樣時(shí)道砟為天然風(fēng)干狀態(tài)。由于粉土路基壓實(shí)系數(shù)高、滲透性差,在極端降雨或地下水位上升條件下,路基容易處于飽和狀態(tài),故試驗(yàn)對(duì)粉土填料考慮最優(yōu)含水率wopt、天然含水率wins和飽和含水率wsat共3種情況。

為對(duì)比分析道砟嵌入對(duì)土樣變形的影響,制作純土試樣和道砟-粉土試樣。對(duì)于純土試樣,分6層進(jìn)行擊實(shí),完成試樣的制作;對(duì)于道砟-粉土試樣,先制作下層的粉土層,然后在其上部鋪填道砟碎石,具體步驟如下:

1)粉土層的制作。首先,將基床粉土烘干、過篩、配至目標(biāo)含水率;然后,按照TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[32]要求的基床壓實(shí)系數(shù)K=0.97,在制樣筒中分4層壓實(shí)粉土。制作飽和試樣時(shí),在土樣完成擊實(shí)后,用透水石夾緊試樣的兩端,將其放入飽和器內(nèi)進(jìn)行抽真空飽和。

2)道砟層的鋪填。采用人工振搗[33]方式在粉土層上分3層鋪填道砟碎石,并在最后一層鋪填完成后,手動(dòng)找平道砟層上表面,以便后續(xù)安裝試樣時(shí)試樣表面與作動(dòng)頭接觸良好。TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[32]規(guī)定道床的密實(shí)度應(yīng)不小于1 700 kg/m3,這與本文縮尺道砟振搗后的密實(shí)度(1 760 kg/m3)較為接近,驗(yàn)證了本試驗(yàn)中道砟能有效模擬鐵路道床的實(shí)際狀態(tài)。

1.3 試驗(yàn)方法

由于試樣高度較小,動(dòng)應(yīng)力沿試樣高度的衰減較弱,道砟表面和粉土表面的平均動(dòng)應(yīng)力基本相同。故試驗(yàn)基于基床面的動(dòng)應(yīng)力水平設(shè)計(jì)道砟-粉土試樣的動(dòng)荷載施加水平。鐵路路基現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試結(jié)果[34]表明基床面動(dòng)應(yīng)力范圍為35～185 kPa,本試驗(yàn)將動(dòng)應(yīng)力最大值擴(kuò)大至360 kPa,以研究不同動(dòng)應(yīng)力水平下的基床變形行為。試驗(yàn)圍壓設(shè)置為30 kPa[3,25-30],加載頻率設(shè)置為2 Hz[25-30]。

間歇性動(dòng)荷載考慮了相鄰列車運(yùn)行的時(shí)間間隔,能更真實(shí)模擬列車長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)軌下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用[29-30]。朔黃鐵路開行的2萬t列車一般由220節(jié)車廂組成,相鄰車廂的前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架通過時(shí)會(huì)對(duì)基床產(chǎn)生一次循環(huán)加載[35],因此2萬t列車通過時(shí)會(huì)對(duì)基床產(chǎn)生220次循環(huán)加載。同時(shí),相鄰列車的追蹤時(shí)間間隔約為9 min。因此,每一加載階段的振次為220次,間歇階段時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為500 s。

圖4為軸向加載曲線。在排水固結(jié)完成后,對(duì)試樣進(jìn)行階段振動(dòng)和荷載間歇交替的間歇性動(dòng)荷載作用,直至試驗(yàn)達(dá)到終止標(biāo)準(zhǔn)(10 000總振次或10%軸向應(yīng)變)。

圖4 軸向加載曲線示意

基于上述試驗(yàn)設(shè)置,試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 道砟-粉土試樣的變形行為

2.1 道砟對(duì)土樣變形的影響

加載結(jié)束后,最優(yōu)含水率下的純土試樣和道砟-粉土試樣如圖5所示。需要說明的是,道砟-粉土試樣的上層道砟在拍攝照片時(shí)已被取走,以方便觀察土樣表面形態(tài)。部分道砟顆粒因嵌入過深,取出會(huì)破壞界面形態(tài),故拍照時(shí)予以保留。

圖5 最優(yōu)含水率試樣

對(duì)于純土試樣(圖5(a)),當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平較低時(shí)(σd≤ 360 kPa),加載結(jié)束后土樣的軸向變形較小,試樣保持為穩(wěn)定狀態(tài)。而當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平較高時(shí)(σd≥ 420 kPa),試樣的軸向變形發(fā)展顯著,甚至出現(xiàn)了貫穿試樣整體的剪切面,試樣最終表現(xiàn)為剪切破壞。值得注意的是,在軸向變形顯著發(fā)展的過程中,試樣的側(cè)向變形一直較小。

與純土試樣相比,道砟-粉土試樣(圖5(b))中的土樣變形存在以下區(qū)別: ①道砟嵌入使得粉土表層出現(xiàn)槽痕。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平較高時(shí)(σd=420～480 kPa),粉土表面甚至出現(xiàn)了局部的剪切破壞,這不同于純土試樣表面相對(duì)平整的形態(tài)。 ②土樣表層發(fā)生了側(cè)向變形,且該側(cè)向變形隨著動(dòng)應(yīng)力幅值(或者道砟嵌入程度)的增加而加劇,這不同于純土試樣的側(cè)向變形一直較小的特點(diǎn)。 ③道砟的存在使得土樣承受動(dòng)荷載的能力顯著降低。對(duì)于純土試樣,動(dòng)應(yīng)力幅值增加至420 kPa時(shí),試樣發(fā)生破壞,而對(duì)于道砟-粉土試樣,動(dòng)應(yīng)力幅值為300 kPa時(shí),試樣就已因剪切變形過大而破壞。顯然,由于道砟的存在,下層粉土的變形形態(tài)和動(dòng)力特性發(fā)生了變化。

與最優(yōu)含水率試樣相比,當(dāng)土樣為飽和含水率時(shí),道砟嵌入程度和側(cè)向變形更為顯著,見圖6。

圖6 飽和含水率試樣

值得注意的是,純土試樣側(cè)向變形在試樣中部最為顯著,而對(duì)于道砟-粉土試樣則是在道砟-粉土界面處側(cè)向變形最大。造成這一差異的主要原因?yàn)?純土試樣兩端受底座的側(cè)向約束作用較為顯著,故側(cè)向變形在試樣中部最為顯著;而道砟-粉土試樣由于道砟嵌入擠壓其兩側(cè)土顆粒,使得粉土表層的側(cè)向變形最為顯著。有砟軌道常發(fā)生的路肩隆起和側(cè)鼓等病害皆表現(xiàn)為基床表層顯著的側(cè)向變形,以往僅以基床填料為研究對(duì)象的三軸試驗(yàn)中側(cè)向變形在試樣中部最為顯著,這與實(shí)際情況有所差異,主要原因就是缺乏對(duì)道砟嵌入作用的考慮。

2.2 破壞模式

根據(jù)道砟-粉土試樣的變形行為,可將其破壞模式分為以下兩類:

1)剪切破壞型(圖5)。該破壞類型往往當(dāng)粉土含水率較低時(shí)發(fā)生。在試樣發(fā)生破壞前,土樣的側(cè)向和軸向變形發(fā)展水平一直較低,而當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平超過臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí),土樣的變形迅速發(fā)展,出現(xiàn)明顯的剪切破壞面,無法繼續(xù)承受動(dòng)荷載作用。

2)軟化破壞型(圖6)。該破壞類型往往當(dāng)粉土含水率較高時(shí)發(fā)生。試樣破壞時(shí)試樣整體變形大,同時(shí)大量道砟嵌入使得粉土表層側(cè)向變形顯著,但未出現(xiàn)明顯的剪切破壞,試樣仍能繼續(xù)承受一定的動(dòng)荷載作用。

3 道砟嵌入現(xiàn)象

3.1 道砟嵌入深度

上述分析表明道砟嵌入對(duì)于下層粉土的變形行為有顯著影響。為定量分析道砟嵌入現(xiàn)象,在試驗(yàn)結(jié)束后,取走上層道砟,量測(cè)道砟槽痕的最大深度,作為描述道砟嵌入程度的指標(biāo)。圖7為不同含水率w條件下道砟嵌入深度隨動(dòng)應(yīng)力水平的變化曲線。

圖7 不同含水率條件下道砟嵌入深度隨動(dòng)應(yīng)力水平的變化曲線

總體上,道砟嵌入深度隨動(dòng)應(yīng)力水平的增大而增加。當(dāng)試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),道砟嵌入深度與動(dòng)應(yīng)力水平基本呈線性關(guān)系。當(dāng)粉土處于最優(yōu)含水率時(shí),道砟嵌入深度與動(dòng)應(yīng)力水平間的擬合直線接近于水平,且嵌入深度不大于1 mm,這表明低含水率條件下道砟不易嵌入粉土中,且增加動(dòng)應(yīng)力水平對(duì)道砟嵌入程度的促進(jìn)有限。對(duì)于含水率為天然和飽和狀態(tài)的試樣,擬合直線的傾角和截距更為顯著,表明當(dāng)粉土處于高含水率時(shí),道砟更易發(fā)生嵌入,且動(dòng)應(yīng)力水平對(duì)道砟嵌入程度的加劇作用也更顯著。

當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值繼續(xù)增加,試樣轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐臓顟B(tài)時(shí),最優(yōu)含水率試樣的道砟嵌入深度為4 mm,明顯低于天然含水率試樣破壞時(shí)的7 mm以及飽和含水率試樣破壞時(shí)的17 mm嵌入深度。這表明對(duì)于破壞狀態(tài)的道砟-粉土試樣,低含水率條件下道砟嵌入引起軸向變形占試樣整體變形的比例較小,試樣整體變形主要是粉土的壓縮變形所致。而當(dāng)含水率較高時(shí),道砟嵌入在試樣整體變形中的占比顯著,試樣整體變形的相當(dāng)一部分是由于道砟嵌入所致。后續(xù)將詳細(xì)分析道砟嵌入與試樣整體變形間的關(guān)系。

圖8為不同動(dòng)應(yīng)力水平下道砟嵌入深度隨粉土含水率的變化曲線。含水率的增加使得粉土發(fā)生軟化、道砟嵌入程度加劇。其中,含水率從11.8%增加至15.8%所引起的道砟嵌入深度的增加量要大于含水率從15.8%增加至19.8%時(shí),這表明含水率從11.8%增加至15.8%的過程中,土樣由堅(jiān)硬逐漸軟化,使得道砟嵌入深度顯著增加。而當(dāng)土樣含水率繼續(xù)由15.8%增大時(shí),土樣已處于較為顯著的軟化狀態(tài),粉土含水率的增加對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)土樣軟化以及道砟嵌入的效果有所減弱,因此道砟嵌入深度的增幅也有所減弱。

圖8 不同動(dòng)應(yīng)力水平下道砟嵌入深度隨含水率的變化曲線

3.2 道砟嵌入與試樣整體變形間的關(guān)系

3.2.1 對(duì)軸向變形的影響

采用道砟嵌入深度與試樣整體的累積塑性變形之比k,定量描述道砟嵌入與試樣整體變形間的關(guān)系。不同含水率條件下的k隨動(dòng)應(yīng)力水平的變化曲線如圖9所示?？傮w上,粉土含水率越高,道砟嵌入深度在試樣整體變形中的占比越大。同時(shí),k隨著動(dòng)應(yīng)力水平的增加而趨近一穩(wěn)定值,對(duì)于最優(yōu)、天然和飽和含水率,該穩(wěn)定值分別為13%、44%和62%。對(duì)于最優(yōu)含水率,k為13%意味著試樣的主要變形源于道砟和土樣的壓縮變形,因道砟嵌入引起的軸向變形占比較小。而對(duì)于天然和飽和含水率試樣,k高達(dá)44%和62%,表明試樣整體變形中相當(dāng)大的一部分來源于道砟嵌入。

圖9 道砟嵌入深度與試樣整體累積塑性變形之比隨動(dòng)應(yīng)力的變化曲線

k對(duì)有砟軌道道床-路基結(jié)構(gòu)整體沉降變形的預(yù)估具有指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的預(yù)估思路是分別計(jì)算道床和路基的永久變形,然后累加作為軌面沉降。然而,上述分析結(jié)果表明,道砟嵌入對(duì)道床-路基整體變形有顯著影響,尤其是路基含水率較高時(shí)。故基于本文的試驗(yàn)結(jié)果,提出一種新的軌面沉降預(yù)測(cè)思路:首先分別計(jì)算道床和路基的壓縮變形并相加(Sb+Ss),然后乘以放大系數(shù)kα以考慮道砟嵌入對(duì)軌面沉降的貢獻(xiàn)。放大系數(shù)kα的計(jì)算式為

( 2 )

在本試驗(yàn)中,當(dāng)路基處于最優(yōu)、天然和飽和含水率狀態(tài)時(shí),k分別取13%、44%和62%,此時(shí)放大系數(shù)kα分別為1.15、1.78和2.63。

需要注意的是,由于試樣高度限制,實(shí)際道床和路基所處的應(yīng)力水平與試樣承受的30 kPa圍壓、60～120 kPa動(dòng)應(yīng)力幅值存在一定差異,同時(shí)各鐵路干線采用的填料性質(zhì)存在差異,且長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的有砟鐵路存在基床表層壓實(shí)度降低、道砟破碎/臟污和由此導(dǎo)致的道砟搗固抬升等現(xiàn)象,使得實(shí)際道床和路基服役狀態(tài)與試驗(yàn)設(shè)定的試樣參數(shù)存在出入。這些因素會(huì)影響道砟嵌入程度、道床和基床的壓縮變形,進(jìn)而改變放大系數(shù)kα的具體取值。因此,上述基于室內(nèi)三軸試驗(yàn)提出的1.15、1.78和2.63放大系數(shù),其有效性仍需經(jīng)大量實(shí)際工程檢驗(yàn)并進(jìn)行修正。

值得注意的是,低含水率和高含水率條件下,k隨動(dòng)應(yīng)力水平的增加分別呈增加和減小的變化趨勢(shì)。由于道砟嵌入深度隨著動(dòng)應(yīng)力水平的增加一直增大,故導(dǎo)致這兩種不同發(fā)展趨勢(shì)的原因可能是道砟和粉土壓縮變形與道砟嵌入的相對(duì)關(guān)系所致,分析如下:

1)低含水率條件下,處于高密實(shí)狀態(tài)的粉土剛度較高,道砟在低動(dòng)應(yīng)力作用下不易嵌入粉土中,此時(shí)試樣的變形主要是道砟和粉土的壓縮變形,故低動(dòng)應(yīng)力下k較小;而當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平繼續(xù)增加時(shí),道砟開始嵌入粉土中,k逐漸增加;后續(xù)道砟嵌入粉土形成穩(wěn)定夾層,使得道砟和粉土的壓縮變形與道砟嵌入?yún)f(xié)同發(fā)展,k也逐漸趨于穩(wěn)定。

2)高含水率條件下,粉土發(fā)生明顯的軟化,道砟易嵌入土層中,故低動(dòng)應(yīng)力條件下的k值較大;當(dāng)動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)增加,道砟和粉土的壓縮變形開始顯著增加,故k逐漸減小;繼續(xù)增大動(dòng)應(yīng)力,道砟嵌入粉土形成穩(wěn)定的夾層,道砟和粉土的壓縮變形與道砟嵌入?yún)f(xié)同發(fā)展,k也逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2.2 對(duì)側(cè)向變形的影響

上述分析表明,道砟嵌入會(huì)誘發(fā)下層粉土發(fā)生側(cè)向變形。然而,對(duì)該側(cè)向變形的直接測(cè)定存在一定的困難。首先,道砟-粉土界面在加載結(jié)束后局部凹陷或凸起,不規(guī)則的界面平面使得對(duì)其周長(zhǎng)或者面積的直接測(cè)定較難;其次,該側(cè)向變形程度沿試樣高度方向呈非線性,這使得采用某個(gè)高度的側(cè)向變形參數(shù)刻畫試樣整體側(cè)向變形程度具有一定的主觀性和隨機(jī)性。因此,本文采用間接表征的方式對(duì)試樣的側(cè)向變形進(jìn)行分析,具體方法如下:

假設(shè)試樣的橫截面形狀在道砟嵌入的過程中保持不變,則可通過實(shí)測(cè)的道砟嵌入深度推算出當(dāng)不發(fā)生側(cè)向變形時(shí)的細(xì)粒土遷移質(zhì)量m′s,即

( 3 )

式中: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)粒土壓實(shí)系數(shù);e為加載后的道砟孔隙比;ρdmax為粉土的最大干密度。

Indraratna等[36]和Huang等[37]實(shí)測(cè)了經(jīng)歷動(dòng)荷載壓密作用后的道砟孔隙率,約為0.75,因此本文取道砟孔隙率e=0.75。同時(shí),鑒于粉土在制樣時(shí)的壓實(shí)系數(shù)較高,動(dòng)荷載作用對(duì)粉土的繼續(xù)壓密效果有限,因此可認(rèn)為遷移至道砟孔隙內(nèi)的細(xì)粒土壓實(shí)系數(shù)仍保持為初始值0.97。式( 3 )中其余參數(shù)的取值詳見1.1.2節(jié)基床填料的相關(guān)內(nèi)容。

圖10為基于式( 3 )的細(xì)粒土遷移質(zhì)量的理論計(jì)算值以及基于試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值?？傮w上,細(xì)粒土遷移質(zhì)量的實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值要大,且兩者的數(shù)值差異隨道砟嵌入程度的加劇而增大。產(chǎn)生差異的主要原因是理論計(jì)算方法忽略了側(cè)向變形部分道砟內(nèi)的細(xì)粒土,所以計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。同時(shí),道砟嵌入程度越顯著、試樣側(cè)向變形越大,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值間的差值就越大。這也證明了可基于細(xì)粒土遷移質(zhì)量和道砟嵌入深度間接地對(duì)試樣側(cè)向變形進(jìn)行表征和分析。

圖10 細(xì)粒土遷移質(zhì)量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

根據(jù)上述分析,采用細(xì)粒土遷移質(zhì)量的實(shí)測(cè)值和理論值之差表征土樣側(cè)向變形程度,結(jié)果如圖11所示。與道砟嵌入程度隨動(dòng)應(yīng)力水平的發(fā)展規(guī)律相似:動(dòng)應(yīng)力水平越高,側(cè)向變形越顯著。這也與圖5和圖6中觀察到的試樣側(cè)向變形的發(fā)展規(guī)律相一致。

圖11 側(cè)向遷移的細(xì)粒土質(zhì)量隨動(dòng)應(yīng)力幅值的變化曲線

對(duì)于穩(wěn)定和軟化破壞型試樣,粉土的側(cè)向變形基本隨道砟嵌入深度的增加呈線性增長(zhǎng),這與道砟嵌入深度的增長(zhǎng)規(guī)律基本一致。但若試樣發(fā)生剪切破壞,剪切面的滑移促使試樣的側(cè)向變形突增。顯然,兩種破壞模式下側(cè)向變形的增長(zhǎng)模式不相同。

4 道砟-粉土試樣變形行為標(biāo)準(zhǔn)

上述分析表明,道砟嵌入對(duì)下層粉土的變形行為具有顯著影響:高含水率條件下,道砟嵌入程度較大且隨著動(dòng)應(yīng)力水平變化顯著,試樣呈軟化破壞型;低含水率條件下,道砟嵌入深度較為小且受動(dòng)應(yīng)力影響較小,試樣往往呈剪切破壞型。然而,鑒于試驗(yàn)設(shè)備的限制,無法對(duì)道砟嵌入的全過程進(jìn)行觀測(cè)。因此,基于道砟嵌入深度和試樣總體變形的關(guān)系(圖11),間接推導(dǎo)出道砟嵌入速率,進(jìn)而分析道砟嵌入對(duì)試樣變形行為的影響。

壓密后的道砟和基床粉土的回彈模量分別為200～350 MPa[38]和40～80 MPa[39]。因此,在動(dòng)荷載的作用下,相比于道砟嵌入和粉土壓縮引起的變形,道砟壓縮對(duì)試樣整體變形的貢獻(xiàn)較小,故可將試樣的整體變形簡(jiǎn)化為僅由道砟嵌入和粉土壓縮兩部分引起。同時(shí),相比于道砟嵌入初期,后期的道砟嵌入對(duì)粉土變形的發(fā)展更為重要。圖9表明當(dāng)?shù)理那度敕弁列纬蓨A層后,道砟嵌入與粉土壓縮協(xié)同發(fā)展,兩者的增量之比保持不變,即道砟嵌入速率與粉土壓縮速率之比為一定值。故基于上述假定,利用道砟-粉土試樣整體變形的時(shí)程曲線推導(dǎo)道砟嵌入速率的時(shí)程曲線:首先,基于試樣整體的累積塑性變形曲線(圖12),獲得試樣整體的軸向變形速率;然后,基于圖9確定當(dāng)含水率為最優(yōu)、天然和飽和含水率時(shí),道砟嵌入與粉土累積塑性變形的速率之比分別為0.169、0.787和1.639;最后,通過上述速率比值,獲得道砟嵌入速率。

圖12 累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線

圖13為安定理論[39-40]中基于累積塑性應(yīng)變-應(yīng)變速率曲線的變形行為劃分方法。為考慮道砟嵌入對(duì)試樣變形行為的影響,將圖13中的縱坐標(biāo)替換為道砟嵌入速率。按照試樣的破壞模式,將最優(yōu)、天然和飽和含水率試樣分別繪制在圖14中?？梢?動(dòng)應(yīng)力水平和土樣含水率越高,累積塑性變形-道砟嵌入速率的曲線越向右上方偏移,試樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的道砟嵌入速率也在不斷增加。

圖13 基于累積塑性應(yīng)變-應(yīng)變速率的路基填料變形行為劃分

圖14 道砟嵌入速率與試樣整體變形間的關(guān)系

結(jié)合上述試樣變形行為的分類(圖7),將道砟嵌入速率作為評(píng)判試樣變形行為的標(biāo)準(zhǔn)。由于試驗(yàn)工況較少,未出現(xiàn)塑性蠕變?cè)嚇?為安全起見,以塑性安定試樣中道砟嵌入速率穩(wěn)定值的最大值作為塑性安定極限。對(duì)于最優(yōu)含水率試樣,σd=240 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性安定極限為道砟嵌入速率vcri=2.9×10-5mm/s;對(duì)于天然和飽和含水率試樣,σd=120 kPa時(shí)臨界道砟嵌入速率vcri=1.4×10-4mm/s。而對(duì)于塑性蠕變極限,由于工況限制,本文未能予以確定,故仍需開展更多試驗(yàn)工況以確定相關(guān)數(shù)值。

值得一提的是,Li等[41]采用與本文相同的基床粉土填料開展了近似的間歇加載動(dòng)三軸試驗(yàn),提出了間歇性荷載作用下粉土變形行為標(biāo)準(zhǔn):試樣變形速率的穩(wěn)定值小于6.4×10-5mm/s時(shí)試樣為塑性安定狀態(tài),大于4.4×10-4mm/s為增量破壞狀態(tài),介于兩者之間為塑性蠕變狀態(tài),該標(biāo)準(zhǔn)適用于最優(yōu)、天然和飽和3種含水率。

若將純粉土試樣塑性安定極限6.4×10-5mm/s乘以道砟嵌入與土樣累積塑性變形的速率之比,可獲得最優(yōu)、天然和飽和含水率條件下,以道砟嵌入速率表征的塑性安定極限,分別為1.1×10-5、5.1×10-5和1.0×10-4mm/s,這與本文基于道砟-粉土試樣獲得的塑性安定極限較為接近,表明本文利用道砟嵌入速率確定道砟-粉土試樣變形行為標(biāo)準(zhǔn)的有效性。同時(shí),也驗(yàn)證了本文推算道砟嵌入速率方法的有效性,即認(rèn)為道砟嵌入基床形成穩(wěn)定夾層后,道砟嵌入速率與粉土壓縮變形速率之比為一定值。

5 結(jié)論

為研究道砟嵌入對(duì)基床表層變形行為的影響,開展了一系列以道砟-粉土試樣為研究對(duì)象的間歇性加載動(dòng)三軸試驗(yàn),分析了道砟嵌入對(duì)基床表層變形行為的影響,并提出了基于道砟嵌入速率的基床表層變形行為標(biāo)準(zhǔn)。主要結(jié)論如下:

1)相比于純土試樣,道砟嵌入使粉土的變形特性發(fā)生改變。粉土表層出現(xiàn)道砟槽痕、發(fā)生側(cè)向變形,同時(shí)承受動(dòng)荷載的能力降低。動(dòng)應(yīng)力水平和粉土含水率的增加有助于道砟嵌入程度的加劇。

2)道砟-粉土試樣的破壞模式可分為剪切破壞型和軟化破壞型。剪切破壞型在最優(yōu)含水率試樣中出現(xiàn),當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值高于300 kPa時(shí),試樣剪切破壞;軟化破壞型在天然和飽和含水率試樣中出現(xiàn),當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值高于120 kPa時(shí),試樣因變形過大而破壞。

3)最優(yōu)、天然和飽和含水率下道砟嵌入深度與試樣整體的累積塑性變形之比分別為13%、44%和62%。基床含水率較低時(shí),道砟-粉土試樣的主要變形源于道砟和粉土的壓縮變形,而基床含水率較高時(shí),道砟嵌入引起的變形則較為顯著。

4)基于道砟嵌入速率提出了道砟-粉土試樣變形行為標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于最優(yōu)含水率試樣,道砟嵌入速率為2.9×10-5mm/s時(shí)試樣達(dá)到塑性安定極限;對(duì)于天然和飽和含水率試樣,塑性安定極限為1.4×10-4mm/s。