高速列車荷載下黏性土動(dòng)三軸試驗(yàn)研究

高速列車荷載下黏性土動(dòng)三軸試驗(yàn)研究

0軟土地基動(dòng)力特性調(diào)查與分析結(jié)果需要討論的問題在軟土極上修建高速道路和公路的現(xiàn)象廣泛。在重復(fù)交通負(fù)荷的影響下，這些基塊的技術(shù)特征直接影響線路的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和成本。是最近土壤動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。高速交通荷載下土體動(dòng)力特性的研究,離不開室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)交通荷載的合理模擬。由于室內(nèi)動(dòng)力試驗(yàn)在簡(jiǎn)化模擬交通荷載時(shí)研究側(cè)重點(diǎn)不一,或出于試驗(yàn)條件的限制,其動(dòng)力模擬和試驗(yàn)設(shè)計(jì)各不相同。表1是近年來文獻(xiàn)中模擬交通荷載時(shí)試樣初始狀態(tài)、動(dòng)力荷載形式和排水條件等資料。從表中可見,試樣分布范圍很廣;試樣初始應(yīng)力條件則等向和不等向固結(jié)狀態(tài)各半。動(dòng)力加載儀器多為動(dòng)三軸儀;動(dòng)力波形以正弦波、半正弦波、三角波為主;排水條件主要為不排水;加載動(dòng)力波頻率范圍0.1~10Hz,以1~2Hz為主;動(dòng)荷載作用次數(shù)在101~106量級(jí),變化范圍很大。很明顯,不同初始應(yīng)力、動(dòng)力加載、排水條件下,飽和軟土的動(dòng)力響應(yīng)也發(fā)生顯著變化。雖然多種土工儀器的研發(fā),如動(dòng)單剪儀、雙向動(dòng)三軸儀、動(dòng)態(tài)空心圓柱扭剪儀等,為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力條件打下了基礎(chǔ),但出于簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程同時(shí)又要保證模擬結(jié)果正確性的目的,提出簡(jiǎn)便、快捷,能合理模擬交通荷載作用的試驗(yàn)技術(shù),對(duì)解決軟土地基上高速公路、鐵路修建問題具有重要意義。簡(jiǎn)化后的室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)該仍能正確反映土體在交通荷載下的工程性狀,尤其是土體的累積變形特性,而不能因?yàn)楹?jiǎn)化而改變其變化規(guī)律。而目前,針對(duì)高速列車荷載作用的動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)研究很少,對(duì)軟土地基動(dòng)力特性在不同試驗(yàn)條件影響下的變化規(guī)律缺乏深入的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)依據(jù)。本文利用GDS動(dòng)三軸儀對(duì)高速鐵路沿線典型粉質(zhì)黏土–黏土進(jìn)行高振次加載(105量級(jí))的動(dòng)力試驗(yàn),重點(diǎn)探討動(dòng)載模式、排水條件、作用次數(shù)等因素對(duì)土體性狀的影響,研究高速列車荷載下京津地區(qū)土體累積變形和孔壓發(fā)展規(guī)律,為進(jìn)一步發(fā)展交通荷載的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)奠定基礎(chǔ)。1動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)1.1土樣的顆粒級(jí)配試驗(yàn)土樣取自京津城際高速鐵路沿線某勘察路段,取土深度5~10m。其基本物理指標(biāo):土粒比重=2.68~2.70,密度=1.79~1.89g/cm3,含水率=33%~43%,液限=41%~45%,塑限=20%~24%,塑性指數(shù)12~17,初始孔隙比=0.92~1.16。典型土樣的顆粒級(jí)配見圖1,屬粉粒含量較高的粉質(zhì)黏土–黏土樣?？紤]到上覆土層在鐵路路基修筑過程中將進(jìn)行處理,試驗(yàn)土層是在高速鐵路運(yùn)行中產(chǎn)生沉降的主要地基層。試驗(yàn)均采用原狀土,試樣直徑為39.1mm,高80mm。采用真空抽氣法在飽和缸中飽和,裝樣完成后,再施加300kPa反壓,試樣B≥0.96。試樣等向固結(jié),固結(jié)壓力均為80kPa,固結(jié)過程約15h,待排水體變基本穩(wěn)定時(shí)固結(jié)結(jié)束。1.2等壓固結(jié)條件下半正弦波和帶明顯動(dòng)力特性行駛車輛在地基中引起的動(dòng)應(yīng)力在豎直方向上幅度最大,是室內(nèi)試驗(yàn)中的主要模擬對(duì)象。從表1可知,模擬交通荷載最常見的是正弦波和半正弦波。實(shí)際上,現(xiàn)有的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,行駛車輛在地基中引起的動(dòng)應(yīng)力與車重、車速、車輛–路堤–地基系統(tǒng)相對(duì)剛度等因素有關(guān),與僅有壓半周的半正弦波仍有差距,更不是拉壓等幅的正弦波。雷華陽等的研究認(rèn)為不等向固結(jié)時(shí),振動(dòng)模擬波型對(duì)土體的變形影響不顯著,等壓固結(jié)時(shí)半正弦波條件下土體產(chǎn)生的動(dòng)變形比正弦波條件下更大,但此觀點(diǎn)并未得到普遍認(rèn)可。本次試驗(yàn)采用三種波形模擬高速列車荷載,分別為正弦波、半正弦波和模擬高速列車通過的不規(guī)則波,如圖2所示。其中,不規(guī)則波為采用高速鐵路相應(yīng)數(shù)據(jù),進(jìn)行列車–鋼軌–板式軌道–路基和地基系統(tǒng)整體耦合振動(dòng)分析后,得到的豎直方向動(dòng)應(yīng)力,數(shù)值模擬方法詳見文獻(xiàn)。圖2(c)中的BC段表示單輛列車經(jīng)過時(shí)(7節(jié)車廂)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程。宮全美等對(duì)地鐵荷載作用下不同頻率時(shí)飽和軟黏土的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,研究表明,當(dāng)頻率在3Hz以下時(shí),頻率對(duì)土的動(dòng)力特性較小,3Hz以上則相反。同時(shí)考慮到若加載頻率過快,則試樣孔壓和變形容易出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,結(jié)合列車車速等實(shí)際情況,實(shí)際高速列車荷載的作用頻率在2.5Hz左右,鑒于上述原因,最終確定BC段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為10s(包括列車經(jīng)過前后的平靜段約3s),相應(yīng)的頻率為1Hz。為與圖2(c)中的加荷模式對(duì)應(yīng),正弦波加載時(shí)試驗(yàn)頻率采用0.5Hz,半正弦波加載時(shí)頻率為1Hz。1.3規(guī)則波加載排水條件也是影響土體長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下性狀的重要因素。在高速列車荷載長(zhǎng)期作用下,實(shí)際情況介于完全排水和完全不排水之間。為考察排水條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,分別在排水和不排水條件下進(jìn)行不規(guī)則波加載,以研究極端排水狀態(tài)下土體性狀。不排水條件是模擬排水不暢時(shí),動(dòng)力作用造成孔壓上升,土體在有效應(yīng)力持續(xù)降低后,強(qiáng)度喪失而突然軟化出現(xiàn)大變形的極端情況;排水條件則可模擬動(dòng)力施加過程中,土體都可以自由排水固結(jié)的極端情況。試驗(yàn)的主要內(nèi)容和試驗(yàn)條件見表2,其中動(dòng)應(yīng)力比為σd/2σc,不同動(dòng)力加荷模式下動(dòng)應(yīng)力幅σd的取值如圖2所示。σc為初始固結(jié)圍壓80kPa。振次計(jì)算中,正弦波一個(gè)周期計(jì)為2次,半正弦波一個(gè)周期計(jì)1次,不規(guī)則波一個(gè)周期(BC段)計(jì)為7次。除因產(chǎn)生過大軸向變形而破壞的試樣,循環(huán)振次均達(dá)1.1×105~1.2×105次左右。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1動(dòng)力荷載施加期試驗(yàn)結(jié)果分析GDS動(dòng)三軸儀動(dòng)力加載性能可靠。實(shí)際施加的正弦波、半正弦波和不規(guī)則荷載如圖3所示。圖中分別為#2,#4,#7試樣在動(dòng)力荷載施加中前10s及前100s的軸向應(yīng)力時(shí)程曲線。由圖可見,實(shí)際施加的動(dòng)應(yīng)力幅值在加載初期有緩慢增加的趨勢(shì)(圖3中#2和#4試樣),這是試驗(yàn)過程中儀器伺服系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)反饋對(duì)實(shí)際加荷的細(xì)微調(diào)整。這一調(diào)整過程時(shí)間很短,很快能使施加的荷載達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值,并在隨后的動(dòng)力加載過程中保持穩(wěn)定,對(duì)整個(gè)動(dòng)力試驗(yàn)過程影響不大。2.2u3000不同振動(dòng)次下累積應(yīng)變不排水條件下,不同振動(dòng)波形加荷時(shí)試樣的累積應(yīng)變隨振次的發(fā)展關(guān)系見圖4。從圖4可知,不論動(dòng)力加載波形為何種形式,不排水條件下試樣累積變形隨振次的累積發(fā)展均可分為穩(wěn)定型(有些文獻(xiàn)稱為強(qiáng)化型)、破壞型和臨界型(有些文獻(xiàn)稱為過渡型)。穩(wěn)定型曲線,如#1,#4,#7,#8,即使振次達(dá)到1×105次以上時(shí)累積變形也很小,且應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸減小;破壞型曲線,如#2,#3,#6,#11,試樣累積變形在一定循環(huán)加荷次數(shù)后,發(fā)展速率驟然加快,并迅速發(fā)展達(dá)到破壞;臨界型曲線,如#5,#9,#10,其發(fā)展趨勢(shì)介于前兩類曲線之間,累積應(yīng)變絕對(duì)值并不大,但應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率不變或出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。以上規(guī)律在其他文獻(xiàn)中也有報(bào)道。但不同動(dòng)應(yīng)力形式下土體累積變形相差很大。從圖4(a)、(b)中可以看出,相同動(dòng)應(yīng)力比作用下,正弦波作用產(chǎn)生的累積變形遠(yuǎn)大于半正弦波,如在動(dòng)應(yīng)力比為0.3時(shí),振動(dòng)1000次時(shí),前者應(yīng)變?yōu)?.6%,并在后繼的振動(dòng)中迅速破壞,而后者試樣應(yīng)變僅為0.4%。正弦波與半正弦波振動(dòng)下動(dòng)應(yīng)變的差異,很明顯是由拉應(yīng)力引起的。但是,不規(guī)則動(dòng)力波中也有拉應(yīng)力存在,其試樣累積變形在相同動(dòng)應(yīng)力比作用下卻與半正弦波接近。可以認(rèn)為由于不規(guī)則波中的拉應(yīng)力幅值遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力,與臨界循環(huán)應(yīng)力比類似,也存在一臨界拉應(yīng)力比,當(dāng)拉應(yīng)力比超過臨界值時(shí),才能造成試樣破壞,產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形;而當(dāng)拉應(yīng)力比低于臨界值時(shí),不會(huì)產(chǎn)生塑性變形或變形很小。在靜力試驗(yàn)中,土體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度,可推測(cè)臨界拉應(yīng)力比應(yīng)低于臨界壓應(yīng)力比。因此,拉應(yīng)力作用下試樣將比相同幅值壓應(yīng)力作用產(chǎn)生更大變形,破壞程度更為嚴(yán)重。在圖4(a)中,#3試樣先產(chǎn)生拉應(yīng)變,累積到一定程度后向壓應(yīng)變發(fā)展,最后受壓破壞。這應(yīng)是振動(dòng)初期,試樣在不排水條件下產(chǎn)生孔壓急劇增長(zhǎng),有效應(yīng)力降低而引起的試樣回彈。排水條件下,不規(guī)則波加載時(shí)試樣累積應(yīng)變隨振次的發(fā)展見圖5,雖然應(yīng)變?nèi)噪S振次增大,但其累積發(fā)展模式與不排水時(shí)明顯不同。在較大的動(dòng)應(yīng)力作用下試樣破壞時(shí),如#14,其變形隨振次幾乎呈線性增長(zhǎng),迅速達(dá)到破壞;而在較小動(dòng)應(yīng)力下,應(yīng)變最初發(fā)展很快,如#12、#13試樣,在前150次循環(huán)下的累積應(yīng)變占總應(yīng)變量的60%以上。但在后續(xù)振次中,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率隨循環(huán)次數(shù)增大而減小,試樣的變形發(fā)展很慢,最終達(dá)到穩(wěn)定。這是由于加載初期,試樣排水體變產(chǎn)生的變形占主導(dǎo),隨著振次增大,試樣密實(shí)度和變形模量增大,塑性變形越來越難以產(chǎn)生。相同動(dòng)應(yīng)力比下,排水振動(dòng)產(chǎn)生的累積應(yīng)變比相同振次不排水時(shí)要大,且動(dòng)應(yīng)力比越大,兩者差異越明顯。在高速列車荷載長(zhǎng)期作用下,真實(shí)地基排水條件介于排水與不排水之間,理論上說,地基產(chǎn)生的實(shí)際變形也應(yīng)介于兩者之間。不規(guī)則波模擬動(dòng)力荷載時(shí)有約3s的平靜段,排水條件下可部分模擬列車通過的間歇時(shí)間內(nèi)土體由固結(jié)產(chǎn)生的沉降(由于時(shí)間所限,在每組動(dòng)力作用后的間隔時(shí)間不可能完全參照真實(shí)情況),對(duì)應(yīng)地基可能產(chǎn)生的最大沉降。不排水條件下,累積變形的發(fā)展存在不確定性,即使加載初期變形量不大,當(dāng)振動(dòng)達(dá)上萬次后仍可能出現(xiàn)應(yīng)變速率的急劇增長(zhǎng),使試樣發(fā)生破壞。這是由于不排水條件下土體有效應(yīng)力降低而造成強(qiáng)度喪失,從而產(chǎn)生的流滑現(xiàn)象。以圖4(c)#11為例,在振次為103時(shí),試樣累積應(yīng)變僅為0.71%;在振次為104時(shí)試樣累積應(yīng)變?yōu)?.6%。若此時(shí)停止試驗(yàn),很可能認(rèn)為#11曲線是穩(wěn)定型,而實(shí)際上試樣在后續(xù)的振動(dòng)中最終變形達(dá)12.7%。而排水條件下,很快就能通過累積應(yīng)變隨振次的發(fā)展關(guān)系判別試樣的變形穩(wěn)定性。如#12試樣在振次為103,104和105時(shí),累積應(yīng)變分別為0.96%,1.13%和1.51%;#13試樣在振次為103,104和105時(shí),累積應(yīng)變分別為3.8%,3.98%和4.13%?？梢?在排水條件下進(jìn)行試驗(yàn),N=103與N=105時(shí)試樣變形相差不大。因此,建議在排水條件下進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),以振次N=103時(shí)試樣的變形預(yù)估最終變形量,獲得地基土體的最大可能變形,判別試樣變形曲線為破壞型還是穩(wěn)定型,從而大大減輕試驗(yàn)工作量,節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和成本。2.3振動(dòng)波形下殘余孔壓與振次的關(guān)系圖6所示為不同加荷波形下,試樣殘余孔壓隨振次的發(fā)展關(guān)系:孔壓隨振次增大而增加,但孔壓增長(zhǎng)率逐漸減小,除破壞型試樣,孔壓最終不再發(fā)展或發(fā)展很慢。動(dòng)應(yīng)力比越大,最終孔壓比越高;從圖中還可看出,即使動(dòng)應(yīng)力比低于臨界值,試樣內(nèi)產(chǎn)生的孔壓值也不可小覷,本次試驗(yàn)中最終孔壓比均高于0.3。圖7為不同加荷波形下,相近動(dòng)應(yīng)力比作用時(shí)殘余孔壓隨振次的發(fā)展關(guān)系。#3,#4,#7曲線為動(dòng)應(yīng)力比為0.3時(shí)不同振動(dòng)波形下孔壓累積情況,可見,正弦波作用時(shí)試樣產(chǎn)生的殘余孔壓遠(yuǎn)大于半正弦波和模擬高速列車荷載的不規(guī)則波。結(jié)合#5和#9曲線,#6和#11曲線,可以認(rèn)為,半正弦波和不規(guī)則波在相近動(dòng)應(yīng)力比作用下產(chǎn)生的殘余孔壓也相近。因此在試驗(yàn)?zāi)M中,完全可以用半正弦波代替真實(shí)的高速列車荷載進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究地基土的動(dòng)力特性。圖8,9分別為排水時(shí)試樣體應(yīng)變與循環(huán)振次、軸向應(yīng)變的關(guān)系?？梢娤嗤翊蜗?體變隨動(dòng)應(yīng)力比增大;破壞型試樣,軸向應(yīng)變和體變均呈單調(diào)增長(zhǎng),不會(huì)穩(wěn)定;而穩(wěn)定型試樣,體變?cè)鲩L(zhǎng)率逐漸降低,但軸向應(yīng)變比體變先達(dá)到穩(wěn)定。2.4模擬高速列車通過的不同時(shí)長(zhǎng)臨界型曲線對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力比被稱為臨界動(dòng)應(yīng)力比。從圖4可知,不同振動(dòng)波形下土體的臨界動(dòng)應(yīng)力比明顯不同:在本文的試驗(yàn)條件下,正弦波加載時(shí)該值為0.2~0.25,半正弦波加載時(shí)該值約0.45,模擬高速列車通過的不規(guī)則波加載時(shí)該值為0.45~0.475。正弦波的臨界動(dòng)應(yīng)力比約是半正弦波與不規(guī)則波的一半。排水條件下,如不以累積應(yīng)變幅值作為試樣破壞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),而僅以變形發(fā)展是否穩(wěn)定作為評(píng)估依據(jù),則不規(guī)則波加載時(shí),其臨界動(dòng)應(yīng)力比為0.4~0.5,與不排水條件下相近?？梢?排水條件對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力比影響不大。3基地質(zhì)量和變形通過對(duì)不同動(dòng)荷加載波形和排水條件下高速鐵路沿線典型粉質(zhì)黏土–黏土樣循環(huán)三軸試驗(yàn),分析了動(dòng)荷模式、排水條件、振次等因素對(duì)飽和黏土累積應(yīng)變、孔壓、臨界動(dòng)應(yīng)力比的影響,得出以下結(jié)論:(1)不同模擬波形對(duì)土體累積變形、臨界動(dòng)應(yīng)力比影響非常大。采用拉壓等幅循環(huán)應(yīng)力模擬往復(fù)高速列車荷載作用將引起很大誤差,高估地基沉降。高速列車荷載引起的地基動(dòng)應(yīng)力中拉應(yīng)力部分幅值很小,不會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的地基變形、孔壓。半正弦波和模擬高速列車經(jīng)過時(shí)的不規(guī)則波作用下試樣的累積變形、殘余孔壓均相當(dāng)接近。在室內(nèi)試驗(yàn)中,可用壓半周的半正弦波代替高速列車通過引起的復(fù)雜動(dòng)應(yīng)力研究地基的動(dòng)力響應(yīng)。(2)不排水條件下,累積變形的發(fā)展存在不確定性,即使加載上萬次時(shí)變形不大,其后仍可能出現(xiàn)變形急劇增長(zhǎng)。排水時(shí),試樣應(yīng)變發(fā)展很快,振次1000時(shí)已基本穩(wěn)定。因此,建議在排水條件下進(jìn)行