基于铁路基膨胀土动力特性试验分析

谢伟君

【摘要】以地铁车部膨胀土为研究对象，通过结合铁路路基的受力状态、径向动应力幅值及含水量等因素对地铁路基膨胀土动力特性进行了试验研究。试验结果说明：不同含水率膨胀土会受到含水率的影响；以及随着径向动应力水平的提高，动弹模量的衰减幅度不断增大；土体的阻尼比随含水量的降低而减小，随围压的增加而减小。

【关键词】 膨胀土；动力特性；动弹模量；阻尼比

1 试验方法与试验过程

1.1 试验仪器

本项目对膨胀土试验时，采用用动全自动双向激振三轴试验系统，主要由主机、测量传感器、加载系统和采集系统组成，同时在水平和轴向施加不同的动荷载，动荷载形式包括不规则波型和正弦波型的有规则波型。一般而言，正弦波荷载试验的结果虽然比较保守，但从方便与实用的角度来看，在土动力学研究中得到了广泛的应用。

1.2 土样试验

试验中所使用的膨胀土是弱膨胀土，呈褐黄色，硬塑态，物性控制指标见表1。

表1

1.3 土样制备

膨胀土含水量为 15.5%，最大干密度为1.77g/cm3。根据《铁路路基设计规范》中规定要求，铁路黏土路基压实度为95%，确定制样控制指标，如表2所示。

表2

试验试样采用 50mm×100mm的圆柱状，其制备按照表2中控制试样的制样重量和含水率，将配备好的预定含水量重塑膨胀土分5层倒入厚壁钢模具中，并进行抚平，同时采用千斤顶静压法静压成型，试样要确保均匀压实。最后采用保鲜膜包裹好每个试样并用封装袋密封，以保持其含水率。在进行试验时，在恒温恒湿箱中采用吸湿的方法以满足含水率要求。

1.4 试验方案

由于影响土的动力特性试验的因素众多，因此本次试验在双向循环振动的作用下，主要考虑到竖向动应力幅值、径向动应力幅值、固结围压以及饱和度等影响因素。

在进行竖向动应力幅值选取时，需要按照 《铁道构造物等设计标准》 规定要求：基床面的动应力≤100kPa，因此试验最大竖向动应力取为100kPa，并且为了防止振动过程中试样帽与土样发生脱离，要确保动应力大小应小于竖向固结应力。

在曲线轨道上列车行驶产生的横向振动一般小于竖向动荷载。按照铁路规范对曲线轨道的超高、轨道半径运行速度、路基填筑等方面的规定，并考虑到在路基中横向循环动应力的衰减，其横向动应力在试验中分别取 10kPa、20kPa 和30kPa。

通常而言，三軸试验中围压最大值应不小于土体承受的最大有效应力，最小值应大于土层覆盖层压力。出于路基上铺轨道结构产生的静荷载考虑，试验中围压分别取50kPa、75kPa、 100kPa、200kPa。

膨胀土的最优含水量为15.5%，结合实际工况，试验前所选取土样初始含水率分别为17.0%、20.9% 与 21.9% （饱和含水率）。

试验采用应力控制加载方式，选取正弦波，双向激振，逐级施加动荷载。由于围压室水压要确保稳定的预设值，能常需要5次左右的振动调节过程，因此以循环5次后采集的数据为基础，每级动应力振动设为 13 次，分8级加载。同时，要确保试样有明显的动应变，初始竖向动应力径向动应力差应大于 10kPa。这样不仅可以避免试样因个体差异而引起的试验结果错误，而且可以节省试验时间和工作量。

对每个试样施加最后一级动荷载过程中，需要增加荷载的振动次数，以探讨振动次数对膨胀土动模量的影响。因仪器功能不足问题，试验采用同相位双向振动三轴试验，记录试样的轴向动应变。排水方式采用固结不排水，试验方案见表3。

2 试验结果与分析

2.1 围压对动力特性的影响

各初始含水率土在不同围压下的动应力-应变曲线见图1。

图1

根据图1分析得知，试验中土样的固结比为1.2，频率2Hz，径向动应力为20kPa。由图可以发现，土动应力-应变关系曲线符合双曲线变化规律；同一初始含水率下，土动应力-应变曲线切线斜率随固结围压增大而增加，对应同一动应力，动应变随围压的增大而减 小。动弹模量随固结围压的增大而增加是土压硬性的表现，符合土的一般特性。

各初始含水率土体在不同围压下的动弹模量Ed与动应变εd关系曲线见图2。

图2

由图2可以看出，各初始含水率中土的动弹性模量随动应变增大基本呈线性衰减。

2.2 径向动应力幅值对动力特性的影响

动弹模量Ed 随动应变εd的变化曲线见图3。

图3

根据图3分析得知，径向动应力对动弹模量影响较大。在相同条件下，随着径向动应力的减小，Ed-εd 关系曲线随着径向动应力水平的提高，动弹模量的衰减幅度断增大。从中可以发现，虽然同相位双向振动提高了土的动弹模量，但其模量的衰减幅度比单向振动更大。

2.3 含水量对动力特性的影响

由图1可以看出，随着含水率的减小，动应力-应变关系曲线在相同围压和动应力作用下的土样，其动应变随着含水量的减小而减小，这是由于含水量的减小，土体强度增加，从而在相同应力状态下动变形减小。

由图2可以看出，膨胀土随着含水量的减小而抗动荷载的能力不断增强。但是从另一个侧面也说明了膨胀土水稳性较差，浸水后重塑膨胀土抗荷载能力降低较为显著。同时，随含水量的降低，土体阻尼比逐渐减小，这主要是在含水量的减小的情况下，增强了土体间的胶结作用，使得颗粒间更加紧密，减少了颗粒间传递的消耗量。

3 结论

综上所述，根据地铁路基膨胀土动力特性试验分析，得到了以下几个方面的结论：

（1）膨胀土的动应力-应变关系曲线呈双曲线型，随着固结围压和含水量的增大动应力应变曲线动应变随固结围压和含水量的减小而减小，随径向动应力的减小而增大，这是由同相位试验条件引起的。

（2）同一条件下土的动弹模量随围压的增高而增大，随含水量的增大而减小，而动弹模量在双向振动中随径向动应力水平的提高，动弹模量的衰减幅度不断增大，这是由于土体结构在较大径向动应力时产生了更大的疲劳损伤，这与前人的结果有所差异。

（3）振动次数对膨胀土动力特性的影响较大，动弹模量随振动次数的增大而逐渐减小，当振动次数达到一定量后，其衰减幅度放缓，并达到了一个稳定值。

参考文献

[1]白灏.固结比对石灰土动力特性的影响试验研究.岩土力学，2009，30（6）.

[2]齐剑锋.饱和黏土动剪切模量与阻尼比的试验研究.岩土工程学报，2008，30（4）.