考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析_黄茂桐.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析黄茂桐1，杨奇1，聂如松1,2，谭永长1，李亚峰1(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)摘要：路基受到的动荷载由列车通过时的连续性周期荷载与列车未通过的荷载间歇组成，大多数对路基填料变形特性的研究中忽略了荷载间歇的存在，无法正确认识列车荷载对路基的作用特征。为了对间歇性循环荷载作用下的重载铁路路基粉土填料变形特性进行研究，开展不同动应力、含水率及围压条件下连续性循环荷载和间歇性循环荷载的动三轴对比试验，探讨荷载间歇对粉土填料累积塑性应变及弹性应变的影响，分析间歇加载下粉土填料的弹性应变变化规律。试验结果表明，荷载间歇显著影响粉土填料的累积塑性应变大小和变形行为；间歇阶段的存在使得粉土填料抵抗弹性变形和破坏的能力得到提升；间歇加载下粉土填料的弹性应变随动应力幅值和含水率的增加而增大，随围压的增大而减小。通过对间歇加载下试样的不同变形行为类型进行分析，得到不同安定状态下的临界弹性应变的取值，试样为最优含水率、天然含水量及饱和含水率时，安定极限弹性应变分别为0.14%，0.11%及0.09%，蠕变极限弹性应变分别为0.30%，0.17%及0.13%。研究结果拓展了安定理论的适用性，为认识和评价重载铁路路基的变形行为提供参考。关键词：重载铁路；动三轴试验；粉土填料；荷载间歇；弹性应变；安定理论中图分类号：TU411.8 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1359-11Deformation behaviors and critical resilient strain analysis of silt filler under intermittent loadingHUANG Maotong1,YANG Qi1,NIE Rusong1,2,TAN Yongchang1,LI Yafeng1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.MOE Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy-haul Railway,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:The train-induced dynamic loads on the railway subgrade are composed of the continuouscyclic dynamic loads when the train passes and the intermittent period when there is no train passing.The majority of the existing studies on deformation characteristics of subgrade filler ignore the existence of loading intermittence,and cannot correctly understand the characteristics of train-induced dynamic loads on the subgrade.To study the 收稿日期：2022-04-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(51878666，51978672)；高速铁路建造技术国家工程实验室开放基金资助项目(HSR201905)；中南大学研究生创新项目(2021zzts0230)通信作者：聂如松(1980)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，从事铁路路基和桥梁桩基础方面的教学和科研工作；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220807铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月effect of loading intermittence on the deformation characteristics of the silt filler of heavy haul railway subgrade,a series of dynamic triaxial tests were conducted under continuous cyclic loading and intermittent cyclic loading considering different water contents,confining pressures and dynamic stress levels.The effects of loading intermittence on the cumulative plastic strain and resilient strain of silt filler were discussed,and the variation law of resilient strain under intermittent loading was analyzed.The results indicated that loading intermittence had a significant influence on the accumulated plastic strain and deformation behaviors.Loading intermittence resulted in the improvement of the ability to resist the resilient deformation and destruction of samples.The resilient strain of samples under intermittent loading increased with the increase of dynamic loading amplitude and water content and decreased with the increase of confining pressure.According to the analysis of different deformation behaviors of samples,the values of the critical resilient strain under different shakedown states are obtained.When the samples are in the optimum water content,natural water content and saturated water content,the resilient strains of shakedown limit respectively are 0.14%,0.11%and 0.09%,and the resilient strains of creep limit respectively are 0.30%,0.17%and 0.13%.The research extends the applicability of the shakedown theory and can provide a reference for further understanding and evaluating the deformation behaviors of the heavy haul railway subgrade.Key words:heavy haul railway;dynamic triaxial tests;silt filler;intermittent loading;resilient strain;shakedown theory 重载铁路运量大、能耗低、污染小，已经成为各国发展铁路货运的主要方向。大秦和朔黄铁路为我国典型的重载铁路，主要开行25 t和27 t轴重列车，而发达国家普遍开行30 t轴重货运重载列车，可见我国重载铁路运输能力仍有较大提升空间。随着列车轴重的提升，路基将承受更大的动荷载作用，出现沉降过大和不均匀沉降等病害，影响行车的稳定性和安全性，因此有必要对重载铁路路基填料的变形特性开展进一步的研究。动三轴仪能通过施加周围压力和竖向循环荷载来模拟路基土在实际情况下所受应力状态，目前学者多利用其对路基填料的变形特性进行研究14。但大多数的动三轴试验采用连续正弦波模拟列车荷载作用，忽略了在实际铁路运营中存在列车追踪间隔时间，无法正确认识实际列车荷载作用下的路基填料的变形特征。NIE等57开展了间歇荷载作用下的细粒土动三轴试验，对间歇效应下细粒土的动力特性和变形特性进行了研究，提出了考虑荷载间歇的临界动应力的经验公式。YILDIRIM等8对软土进行了不排水加载-排水停振的循环试验，分析了停振排水对土体孔压、剪应变及体应变变化规律的影响。郑晴晴等911开展了软土地基在地铁间歇性荷载作用下的动三轴试验，分析了间歇效应下软土的动力特性及土体微观变形机理。上述研究考虑了列车间歇效应的影响，但对路基填料的弹性应变及安定性分析研究得较少，需要进一步开展研究。为评价路基填料的变形特性，SHARP12首先将安定理论应用于分析土体颗粒材料的变形行为，并认为颗粒材料存在临界应力水平极限即“安定极限”，如果材料所受应力水平高于安定极限，则会发生不可恢复的过度变形，使材料渐进破坏。WERKMEISTER13基于大量三轴试验数据，进一步将颗粒材料的安定状态划分为塑性安定、塑性蠕变和增量破坏3种类型。目前，安定理论已经被广泛应用于评价路基材料的变形特性。以往学者们普遍采用累积塑性应变变化值13和累积塑性应变速率6作为安定状态的划分依据，但基于土体弹性变形的安定状态研究较为少见。基于此，本文对重载铁路粉土填料开展间歇加载与连续加载下的动三轴试验，分析荷载间歇对粉土填料变形特性的影响，总结间歇加载下弹性应变的变化规律，并得出不同安定状态下的临界弹性应变，所得结论对正确认识列车荷载的作用特征和评价实际路基的变形特性有重要意义。1360第 4 期黄茂桐，等：考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析1 试验设计1.1试验材料与试验仪器试验选用朔黄重载铁路某路桥过渡段的基床细粒土填料作为试验材料，通过对材料开展系列室内土工试验，确定了其物理性质参数16。试验土样物理性质参数及颗粒级配曲线如表 1 及图 1 所示，该细粒土塑性指数IP10，液限wL40%，根据规范规定16，属于低液限粉土。试验所制备试样直径39.1 mm，高80 mm。1.2试验方案含水率、围压、动应力等参数的设置对路基土的变形特性有重要影响15，因此需要讨论并合理设置试验参数。考虑到朔黄铁路路基含水率的变化情况，试验中选择了最优含水率wopt=11.8%，天然含水率wins=15.0%以及饱和含水率wsat=19.8%作为试样的含水率参数。路基表层的围压范围为2560 kPa16，试验选择了 30，60和 90 kPa 3种围压。朔黄铁路列车荷载对路基作用的频率为 1.391.85 Hz，试验的动荷载频率设置为f=2 Hz。铁科院统计不同线路路基面动应力测试结果16，列车在轨道路基结构不良状态下对路基面作用的最大动应力达 185 kPa，为了分析试样的临界和破坏状态，试验中有意