石灰改良下蜀黏土作为高速铁路路堤填料的动力特性试验研究

赵新益

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

石灰改良下蜀黏土作为高速铁路路堤填料的动力特性试验研究

赵新益

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

高速铁路对路基填料的工程性质特别是基床结构填料的动力学特性提出了很高的要求。通过室内动三轴试验及现场激振试验,对石灰改良下蜀黏土作为填料的动力特性进行系统的研究,对其作为高速铁路基床底层填料的可行性进行评价。研究结果表明:下蜀黏土经石灰改良后,具有较高的临界动应力值,动载作用下弹性变形及塑性变形较小,满足高速铁路基床底层填料要求。石灰改良下蜀黏土力学特性受相关因素影响,应用过程中,应注意对含水率、压实系数等进行合理控制。

高速铁路;石灰改良下蜀黏土;路堤填料;动力特性

1 概述

高速铁路要求轨道基础必须具有足够的刚度、稳定性和耐久性,这就对路基填料的工程性质特别是基床结构填料的动力学特性提出了很高的要求。当填料性质不能满足相关标准时,可进行物理或化学改良[1～7]。本文通过石灰改良下蜀黏土的室内动三轴试验、现场激振试验,对其作为填料的动力特性进行系统的研究。

2 试验方案

2.1 室内动三轴试验

由于土的动力本构关系比较复杂,目前土的动力学特性研究一般仍采用直接试验分析的方法。为了取得对比试验结果,对比进行了石灰改良下蜀黏土的室内静三轴试验。

(1)试样制备

试样制备考虑了石灰掺入比、压实系数K、含水率、干湿循环、浸水等因素对改良土工程特性的影响,龄期取为28d。试验前将制备好的试件(掺灰量采用最佳掺灰比5%[1])放入密封罐中养护25d,浸水3d后进行试验;干湿循环试验先按要求失水,然后再浸水饱和。试验用下蜀黏土来自镇江,石灰产自浙江湖州,为Ⅲ级石灰,试验前充分消解。试样的相关试验参数见表1。

表1 试样的试验参数

(2)静应力状态

受荷土体往往是在一定静应力作用下承受动荷载作用的。结合高速铁路基床结构特点,对试件施加等向固结压力 σ3=20kPa,轴向静偏应力 σ1-σ3=15 kPa,土样固结后进行试验。

(3)破坏准则

静三轴试验采用应变控制式三轴仪,破坏标准采用主应力出现峰值为破坏点;无峰值时,采用“应变破坏标准”,将破坏应变定为轴向弹性应变与塑性应变之和为15%。

动三轴试验采用微机控制电磁式单向激振三轴仪,破坏标准采用“应变破坏标准”,将破坏应变定为累积塑性应变为2.5%。

2.2 现场激振试验

现场试验在高速铁路正线路基上进行,采用激振试验机模拟高速列车动荷载,通过预先埋设在路基中的传感器,测试路基的动应力、弹性变形、塑性变形等。路基基床表层按规范要求采用0.7m厚级配碎石[8],基床底层采用2.3m石灰改良下蜀黏土,基床以下采用碎石土。激振试验测试元件布置如图1所示。

为模拟了实际铁路的运营情况,动载水平采用0～80kPa,动载频率10～20Hz,激振次数不少于一个维修周期的过载次数(150万～200万)。

3 试验结果分析

图1 激振试验测试元件布置(单位:cm)

3.1 室内静三轴试验

表2为石灰改良下蜀黏土静三轴压缩试验结果。

表2 静三轴试验压缩强度

试验结果表明,土样的破坏表现为脆性破坏,破坏时土样的应变值很小,最大的应变值不超过3%,远小于一般规定的破坏标准15%。

相对而言,含水率最优、压实系数达到1.0时的试件的静压缩强度最大;在压实系数相同时,含水率大于最优含水率2%的试件的静压缩强度最小;含水率小于最优含水率2%的试件的静压缩强度最大;干湿循环对石灰改良下蜀黏土的强度影响则不明显。

围压对石灰改良下蜀黏土的强度影响明显,围压增大时,强度相应增加,对应破坏应变也加大。

3.2 室内动三轴试验

图2为石灰改良下蜀黏土在不同动应力水平下塑性应变随振次的变化曲线。

图2 塑性应变随振次的变化曲线

随着动应力水平的不同,土体变形与振次之间的关系有3种类型:①衰减型:动应力水平较小时,随着振次增加,试样逐渐压密,应变增量逐渐减小;最后变形趋于稳定。②破坏型:动应力水平较高时,塑性应变随振次非线性增加,最后变形过大而破坏。③临界型:随着振次增加,变形既不趋于稳定,也不迅速发展破坏,土体处于稳定与破坏的临界状态,施加的动应力为临界动应力。

从图2可以看出,试件Ⅰ、Ⅴ在动应力为300kPa以内时,塑性应变随振次的变化曲线为衰减型,动应力为500、600kPa的塑性应变曲线在加载后期并没出现衰减现象,可以认为为临界型,即临界动应力值为500kPa左右。试件Ⅱ在动应力为400kPa时,塑性应变曲线即出现临界状态,可以认为试件Ⅱ的临界动应力值为400kPa。试件Ⅲ、Ⅳ在施加的动应力范围内,试件的塑性变形在加载初期增加较快,随着加载次数增加,应变增量逐渐减小,最后变形趋于稳定,可见,所加的动应力均未达到临界动应力值,即该两试件的临界动应力值均大于600kPa。总体而言,不同条件下的石灰改良下蜀黏土试样的临界动应力都大于300kPa,具有较高的动强度。

试验结果还表明,相同振次条件下,各试样的变形都随动应力增加而增加,特别是累积塑性变形增加明显。当动应力小于临界动应力时,随着振次的增加,试样出现强化现象,累积塑性应变渐趋于稳定,其值在0.49%～0.8%。

图3为石灰改良下蜀黏土弹性应变与动应力的关系曲线。

图3 弹性应变与动应力的关系曲线

各试样弹性变形值都随动应力水平增加而增加,而同一应力水平下,弹性变形值基本稳定,受振次影响不大。在施加的动应力不大于600kPa时,试件的弹性应变值基本上在0.05%～0.12%。

表3为石灰改良下蜀黏土动三轴试验结果参数汇总。

从表3可看出,相关因素对石灰改良下蜀黏土力学特性影响明显。其中含水率对动力特性指标影响较大,相同压实系数条件下,随着含水率增加,临界动应力减小;而从图3可看出,相同动应力水平时变形也相应增加,特别是累积塑性应变增加幅度较大。显然,从动力特性角度,石灰改良下蜀黏土的压实含水率控制在不大于最佳含水率时是有利的。

表3 石灰改良下蜀黏土三轴试验结果

压实系数对石灰改良下蜀黏土力学特性也有影响,随着压实系数增加,试样的临界动应力增加;而干湿循环对动力特性的影响则不明显。

3.3 现场激振试验

图4为动应力在基床中的传递衰减系数曲线,动应力水平沿深度衰减明显,在基床底层顶部衰减系数为0.4,基床底层底部衰减系数为0.123,考虑高速列车速度达300km/h及以上时,路基表层动应力值约为100kPa[8],则基床底层表面动应力水平在 40kPa左右。

图4 动应力在基床中的衰减系数曲线

图5为路基弹性变形随振次变化曲线,图6为路基塑性变形随振次变化曲线。

图5 路基弹性变形曲线

在前50万次加载过程中,动应力水平为50kPa,基床表层的弹性应变最大不超过0.015%,弹性应变水平较低,基床各层的塑性变形增长很小,总的累积变形量为0.14mm。在50万次至150万次时,动应力水平达到75kPa,基床表层的弹性应变最大达0.04%,基床底层的弹性应变最大值不超过0.01%,基床总的累积塑性变形达1.17mm,主要塑性变形部分为基床表层。150万次～200万次,路基的动应力水平增加到75kPa,基床表层的弹性应变达到0.05%,基床底层的弹性应变也增大到0.015%,基床总的累积塑性变形达到2.17mm,塑性变形仍主要发生在基床表层,由石灰改良下蜀黏土填筑的基床底层塑性变形仍处于较低水平。

图6 路基各层塑性变形曲线

4 结语

(1)石灰改良下蜀黏土具有较高的动力学强度,远大于高速铁路基床底层实际动应力水平。

(2)石灰改良下蜀黏土在动载作用下弹性变形及塑性变形较小,动力学特性优良,满足高速铁路基床底层要求。

(3)压实系数、含水率等对石灰改良下蜀黏土的工程特性有明显影响,工程应用中应加强控制。

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Experimental Study on the Dynamic Properties of Lime-Improved Xiashu Loess Utilized as High-speed Railway Embankment Filler

ZHAO Xin-yi
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China)

In high-speed railway, there are strict and high demands on engineering properties of subgrade filler, especially dynamic characteristics of subgrade bed structure filler. Based on laboratory dynamic triaxial test and field forced vibration test, the dynamic properties of lime-improved Xiashu loess were systematically researched and the feasibility as the foundation bed filler of high-speed railway was evaluated in this paper. The results show that, the lime-improved Xiashu loess has a higher critical dynamic stress value and the elastic and plastic deformation are smaller under the action of the dynamic load, so it meets the demands of foundation bed filler of high-speed railway. However, the mechanical properties of the lime-improved Xiashu loess are affected by related factors, so its water content and compacting factor should be controlled reasonably in its application.

high-speed railway; lime-improved Xiashu loess; embankment filler; dynamic properties

U238;U213.1

A

1004 -2954(2012)11 -0001 -03

2012-07-11

赵新益(1964—),男,教授级高级工程师。