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青藏铁路路基粗颗粒填料动力特性和安定性行为研究.docx
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青藏铁路路基粗颗粒填料动力特性和安定性行为研究.docx
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近年来在“一 带 一 路 ”倡议下,我国寒区高速铁路建设正如火如荼地展开
[ 1]
。对于寒区高速铁路工程的合理设计、安全运维而言,高速铁路在复杂热
力环境下长期服役性和稳定性的保障是首要的考虑要素,而长期稳定性受到路
基填料层在交通荷载下动力响应的制约。对于高纬度高海拔寒区铁路而言,冻
融条件、颗粒级配、循环热-力路径又主要影响着不同路基填料层的累积变形
响应过程。由于复杂热-力环境下路基填料层的不均匀沉降诱发高速铁路多种
路面与路基病害,如横向裂缝、路基边坡开裂及铁轨变形等
[ 2]
。因此迫切需
要深入理解不同类型路基填料以及填料层结构在高速交通荷载作用下的累积
变形演化特征以及对复杂热力条件的定量响应规律。
高速铁路路基填料在交通循环荷载下的累积变形演化特征可依次归类为
塑性安定、塑性蠕变及加速坍塌破坏三种类型
[ 3-4]
,而对这三种变形类型的准
确判定(安定性评估)对于路基的合理设计、安全运营、经济维护起到至关重
要的作用。基于热/力载荷的水平、类型、循环次数来判定材料/结构长期累积
变形量是否满足工程允许极限值的方法称为安定性评估方法,在这方面国内外
学者开展了一些研究。廖化荣等
[ 5]
分析了红黏土在循环动荷载下累积塑性变
形的发展规律及影响因素,并界定了其安定界限;肖军华
[ 6]
通过动三轴试验
研究了长期动荷载下路基压实粉土的临界动应力和回弹应变水平;董城等
[ 7]
开展系列动三轴试验,得到不同含水率和压实度下粉土累积塑性应变的划分标
准;Qian 等
[ 8]
利用动态空心圆柱仪开展心型应力路径下固结不排水三轴试验,
并提出一种基于有效应力比定义黏土安定性行为边界的新方法;Xiao 等
[ 9]
基
于激光扫描试验技术和离散元数值模拟,研究循环动应力幅值、围压及频率对
道砟材料累积塑性形变及安定性行为的影响。从路基工程的实际稳定性来考虑,
只有塑性安定及轻微的塑性蠕变两种累积塑性变形类型可以允许发生,加速坍
塌破坏类型必须严格杜绝发生。然而如何有效地利用安定性评估方法来准确预
测和判定路基颗粒材料累积塑性变形趋势,并明确各类累积变形行为的临界动
应力与塑性应变水平,成为当前路基工程中亟待解决的重要问题。
现 今 常 用 的 路 基 安 定 性 评 估 准 则 有 两 类 : ( 1) 德 累 斯 顿 工 业 大 学 的
Werkmeister-准则
[ 10 ]
,Rahman 等
[ 11 ]
基于该准则采用多级循环加载三轴试
验并提出考虑应力路径影响的松散颗粒材料累积塑性应变的预测模型;Xiao
等
[ 12]
开展了恒围压和动围压三轴试验分类,研究了在长期车辆动载条件下承
受不同应力路径、动应力幅值及应力比的路基填料层和底基层填料的累积塑性
变形规律。(2)香港理工大学的陈-准则
[ 13]
,郑可扬等
[ 14]
基于陈-准则和
Savitzky-Golay 滤波法,提出了一种新的累积塑性变形行为划分方法。以上研
究中两类安定性评估准则主要应用于常温条件下的路基颗粒填料及其填料层
结构,而现有考虑冻结负温以及冻融过程下路基安定性行为的研究则相对较少,
中国科学院西北生态环境资源研究院的马巍课题组提出了一种针对寒区冻结
路基填料的安定性评估准则(马-准则)
[ 15]
,并验证和判定了该准则在兰-新
高铁冻结路基填土累积变形过程方面的适用性和准确性。
本文基于 MTS-810 振动低温三轴材料试验机,采用分级循环加载方式对
青藏铁路冻结路基粗颗粒填料进行试验研究。分析不同冻结负温、粗粒级配及
循环应力路径下冻结路基填料累积塑性变形和回弹变形演化特征,旨在通过试
验确定 Werkmeister-准则、陈-准则及马-准则三类安定性评估准则对路基填料
在冻结低温条件下的适用性,以期在考虑冻结和冻融条件过程下为寒区高速铁
路路基填料层的合理设计、安全运营及经济维护提供重要基础数据和关键理论
支撑。
1 试验概况
1.1 试验 设 备
试验所采用的 MTS-810 振动低温三轴材料试验机被很多学者广泛应用于
冻土静、动力学测试中
[ 16]
。该试验机的技术指标如下:最大轴向负荷为 100
kN;围压可控范围为 0~20 MPa,围压控制系统使用的加压液体为 10 号航空
液压油;轴向位移范围为-85~85 cm;轴向加载频率范围为 0~20 Hz;围压加
载频率范围为 0~5 Hz;正常运行环境温度范围为-30 ℃~20 ℃;冷却系统中
使用的制冷介质为冷冻液,其冰点为-40 ℃。
1.2 模具 尺 寸
在三轴试验试样尺寸的确定中,必须考虑到 MTS-810 低温三轴压力室尺
寸的限制,使试样与压力室内壁保持足量空间,确保压力室温度可控的前提下,
参考常温条件下路基填料试样尺寸 100 mm×200 mm(直径×高度)
[ 17 ]
使模
具尽量容纳大颗粒填料,试验中采用圆柱形试样尺寸为 75 mm×150 mm,模
具内径尺寸为 75 mm×220 mm,如图 1 所示。
图 1
图 1 试样及模具尺寸
Fig.1 Sample and mould sizes
1.3 试验 材 料
试验采用了粗颗粒填料试样,试样由细粒土(所有颗粒粒径小于 2 mm)
和粗颗粒填料混合压实制备而成。细粒土为青藏高原砂质粉土,取自青藏铁路
北麓河沿线段,其基本物理参数如表 1 所示。粗颗粒填料取自广西南宁,根据
《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2004)
[ 18]
的土工测试要求,粒径分
布范围为 2~9 mm,如图 2(a)所示。
表 1 基本物理性质指标
Table 1 Basic physical indices
测试
参数
最优含水
率/%
最大干密度/
(g∙cm
-3
)
液限
/%
塑限
/%
塑性指
数 I
p
测试
结果
14.6
1.8
26.63
17.86
8.77
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图 2
图 2 试样材料
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