考虑道砟嵌入作用的有砟轨道基床表层变形行为研究.pdf
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1、第45卷第11期2023年11月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.11November2023文章编号:10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)11-0 12 8-10考虑道作嵌人作用的有作轨道基床表层变形行为研究聂如松12,李亚峰13,冷伍明1,2,黄茂桐,周思危,董俊利1(1.中南大学土木工程学院,湖南长沙410 0 7 5;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410 0 7 5;3.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南2 32 0 0 0)摘要:为研究有诈轨道道碓嵌入现象及其对基床表层变形行为的影响,开展以道碓碎
2、石-基床粉土双层试样为研究对象的动三轴试验,分析道碓嵌人对基床表层变形行为的影响,探讨基于道碓嵌入指标的基床表层变形行为标准。试验结果表明,道碓嵌人使得道诈碎石-基床粉土试样的粉土表层出现道碓槽痕并发生侧向变形,同时承受动荷载的能力降低;提高动应力水平和增加粉土含水率会加剧道碓嵌入程度;道碓碎石-基床粉土试样的破坏模式可分为剪切破坏型和软化破坏型;基床粉土含水率较低时,道碓碎石-基床粉土试样整体变形主要源于道诈和粉土的压缩变形,而当粉土含水率较高时,道硫嵌入引起的轴向和侧向变形则较为显著;当粉土处于最优含水率时,道碓嵌人速率为2.9 10-mm/s时道诈碎石-基床粉土试样达到塑性安定极限,而当
3、粉土处于天然含水率和饱和含水率时,塑性安定极限对应的道嵌入速率则为1.410-4mm/s。关键词:道嵌人;动三轴试验;基床表层;变形行为;塑性安定极限中图分类号:TU431;U213.7文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.11.015Study on Deformation Behaviors of Subgrade Bed Surface Layer inBallast Tracks Considering Ballast PenetrationNIE Rusong2,LI Yafeng,LENG Wuming2,HUANG Maotong,ZH
4、OU Siweil,DONG Junli(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;3.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technol
5、ogy,Huainan 232000,China)Abstract:Based on the double-layered sample consisting of ballast particles and subgrade soil,a series of dynamic tri-axial tests were carried out to study the ballast penetration and the resulting deformation behavior of subgrade surface lay-er in ballast tracks and to expl
6、ore the influence of ballast penetration on the deformation behavior and failure patterns ofthe subgrade surface layer.The failure criterions of the ballast-soil samples were defined based on the ballast penetrationrate.The research results show that the ballast penetration induces ballast pockets a
7、nd lateral deformation of the silty soiland reduces the ability of the sample to resist dynamic loading.The increase in dynamic stress level and subgrade mois-ture content aggravates the ballast penetration degree.The failure patterns of ballast-soil samples can be divided intoshear failure and soft
8、ening failure.The deformation of the ballast-soil sample is mainly caused by the compression of bal-last and soil at the low moisture content of silty soil.The deformation caused by ballast penetration is significant when themoisture content of silty soil is high.For silty soil with optimal moisture
9、 content,the plastic stability limit represented bythe ballast penetration rate is 2.9x10-mm/s,and this index changes to be 1.4x10-*mm/s for the samples with naturaland saturated moisture content.Key words:ballast penetration;dynamic triaxial test;subgrade bed surface layer;deformation behaviors;pla
10、sticshakedown limit收稿日期:2 0 2 1-0 9-2 2;修回日期:2 0 2 1-12-0 8基金项目:国家自然科学基金(518 7 8 6 6 6,519 7 8 6 7 2.52 30 8 335);安徽省项目高校科研项目(2 0 2 3AH051170):安徽理工大学引进人才科研启动基金(2 0 2 2 y j r c 7 5);中国铁路太原局集团有限公司技术合作开发项目(A2020G02);高速铁路建造技术国家工程实验室开放基金(HSR201905)第一作者:聂如松(19 8 0 一),男,湖南衡阳人,副教授,博士。E-mail:n i e r u s o n
11、g 9 7 c s u.e d u.c n通信作者:李亚峰(19 9 2 一),男,安徽滁州人,讲师,博士。E-mail:第11期早期修建的铁路对路基的重要性认识不足,导致路基的设计标准低、填料规格差 1-3,有时甚至直接将道铺设在土质路基上。在列车动荷载及外部环境的长期作用下,道诈碎石和土质路基直接接触的部位容易发生道碓嵌入和路基土迁移,形成路基夹层、道碓陷槽、道碓囊、翻浆冒泥和基床外挤等病害 4-6。对上覆道碓作用下路基表层变形行为的研究是揭示上述路基病害机理、全面认识有诈轨道-路基结构长期变形行为的关键。国内外学者对路基土在循环荷载作用下的动力和变形特性进行系统研究,如聂如松等 和杨志浩
12、等 分别研究了路基A组填料和级配碎石在循环动荷载作用下的变形特性,Cai 等 8-和Wang等 10 对软土在单、双向激振作用下的变形行为进行了研究,Grabe等 探究了主应力旋转对路基变形行为的影响。这些研究成果在有效模拟路基实际应力条件的基础上,获得了路基填料的动力和变形特性。然而,McHenry等 12、Abadi等 13和Aikawa等 14通过压敏纸和薄膜传感器等设备测试了有轨道道床与轨枕以及路基的界面应力,结果表明由于道碓的颗粒特性,碎石道床与土质路基界面应力呈散点式分布。同时,由于道碓的棱角特性,道诈颗粒与路基接触处会出现局部应力集中,此时接触应力约为将道床视为均匀块体时平面应力
13、的2 3倍。显然,传统三轴试样表面施加均布荷载的试验方法 5-131不能模拟实际路基表面应力散点式分布和局部应力集中的特性,这使得试验中对于路基应力状态的模拟与实际情况不符。此外,由于道碓和路基填料的散粒体特性,道床和路基接触部位会出现道碓嵌人现象,如图1所示。道嵌人后形成的夹层以及饱和状态下的翻浆冒泥会对轨下结构的动力特性产生显著影响 1-2 0。Duong等 18 设计了上层为道礁碎石、下层为路基细粒土的圆柱形试样并对其施加动荷载作用,并对道诈嵌人的全过程进行观测。结果表明当路基土饱和时,路基中的细粒土会在动荷载的作用下迁移至道孔隙内,而在路基含水率较低时,仅发生道诈嵌人现象。Chawla
14、等 2 1开展了缩尺的有轨道-路基土模型试验,指出在路基中埋设土工织物可减缓路基内的水动力响应以及由此引发的粗/细颗粒迁移现象,进而维持路基面的稳定。然而,已有研究着重于碎石道床-土质路基接触面水动力特性以及由此引发的细颗粒迁移研究,而对接触面更为常见的道嵌人现象,尤其是关于其的定量分析以及其对路基变形行为的影响,相关研究还较为缺乏。鉴于动三轴试验在模拟路基应力条件和量测其变聂如松等:考虑道碓嵌人作用的有确轨道基床表层变形行为研究100.009999道作路基土图2 道碓碎石-基床粉土双层试样(单位:mm)1.1试验材料1.1.1 道碎石朔黄重载铁路采用一级道碓碎石作为道床填料,其颗粒粒径范围为
15、16 6 3mm231。同时,试验采用的动三轴试验系统(SDT-50电液伺服三轴仪)配套的试样尺寸为10 0 mm200mm(直径高)。为避免尺寸效应 2 42 51,试样内颗粒的最大粒径应不大于试样整体尺129图1道床-路基界面处形成的土石夹层形响应的有效性,本文改进了传统的以单一路基填料制作试样的思路,将道床和路基作为整体进行制样和加载,实现对道床-路基界面应力和变形行为的有效考虑。首先,通过与纯土试样对比,分析道诈嵌人对路基土变形行为的影响;然后,研究动应力水平和路基含水率对道碓嵌人的影响,以及道碓嵌人与试样整体轴向、侧向变形间的关系;最后,基于道碓嵌入速率,探讨基于道诈嵌人指标的路基破
16、坏标准。1动三轴试验为突出道诈嵌人现象,本文以朔黄重载铁路有碓道床-土质基床结构为原型,设计上层为道、下层为基床填料的双结构层试样。对于重载铁路,道床层厚度一般为0.5 0.6 m,并且列车动力响应在基床0 1.2m深度内最为显著 2 2,故双层试样的道碓碎石和基床土层厚之比设置为1:2,如图2 所示。L23130寸的五分之一。因此,本文采用平行缩尺法对道碓进行缩尺 2 6 由于试样直径为10 0 mm,故允许的最大道粒径为2 0 mm,缩尺比例为2 0:6 3,进而推算出缩尺后的道诈最小粒径为5.1mm。为使每一组级配的道确在缩尺前后保持相同的质量分数 2 6-2 8,计算缩尺后的粒径,即D
17、maxDminD-DmminD-DD-Dmin=mmax式中:Daax、D ma x 分别为缩尺前、后道诈粒径的最大值;Dmin、D mi n 分别为缩尺前、后道碓粒径的最小值;D、D 分别为缩尺前、后某一级配的道诈粒径;为缩尺比例。缩尺前、后的道诈级配曲线见图3。100806040200E10-3图3试验所用道和基床粉土的颗粒级配曲线1.1.2基基床填料试验所用基床填料为低液限粉土 2 9-30,取自朔黄重载铁路西柏坡段K248基床层,根据TB10001一2016铁路路基设计规范 31确定为C组填料。该填料的颗粒相对密度为2.7 1,最大干密度为1.9 6%/cm,最优含水率为11.8%,液
18、限和塑限分别为2 6.0%和18.2%,级配曲线如图3所示。更多关于试验用土的介绍详见文献 2 9-30。限于试样尺寸,试验对道进行缩尺处理,而基床填料直接采用现场路基土,未进行缩尺处理,主要原因有:基床填料的主要成分为粉粒,还有少量的黏粒。基床填料中粒径小于0.0 7 5mm的细颗粒占土样总质量的9 5%,由于细颗粒与缩尺后道碓的粒径相差较大(粒径之比约为百倍),对填料进行缩尺处理对道碓-粉土界面应力及变形行为的影响不大。粉粒和黏粒的粒径已足够小,对其进行缩尺处理需要较高筛分精度,筛分过程中产生的误差可能会影响土体的性质。对粉粒进行缩尺,使得部分粉粒缩尺为黏粒,这会显著影响土体的塑性,进而影
19、响土体在动荷载下的变形铁道学报特性。因此,本文直接采用路基土进行试验。1.2制样方法道排水性能优良,实际运营条件下多为风干状态,故制样时道诈为天然风干状态。由于粉土路基压实系数高、渗透性差,在极端降雨或地下水位上升条件下,路基容易处于饱和状态,故试验对粉土填料考虑最优含水率Wopr天然含水率Win和饱和含水率Wsa共3种情况。(1)为对比分析道诈嵌人对土样变形的影响,制作纯土试样和道诈-粉土试样。对于纯土试样,分6 层进行击实,完成试样的制作;对于道诈-粉土试样,先制作下层的粉土层,然后在其上部铺填道碓碎石,具体步骤如下:1)粉土层的制作。首先,将基床粉土烘干、过筛、配至目标含水率;然后,按照
20、TB10625一2 0 17 重载铁路设计规范 32 要求的基床压实系数K=0.97,在制样筒中分4层压实粉土。制作饱和试样时,在土样完成击实后,用透水石夹紧试样的两端,将其放人饱和器一缩尺后道作粒径内进行抽真空饱和。上、下限一规范道作粒径上、下限一试验道作一路基粉土10-210-1颗粒直径/mm第45卷2)道层的铺填。采用人工振捣 33方式在粉土层上分3层铺填道碎石,并在最后一层铺填完成后,手动找平道谁层上表面,以便后续安装试样时试样表面与作动头接触良好。TB10625一2 0 17 重载铁路设计100101102规范 32 规定道床的密实度应不小于17 0 0 kg/m,这与本文缩尺道诈振
21、捣后的密实度(17 6 0 kg/m)较为接近,验证了本试验中道谁能有效模拟铁路道床的实际状态。1.3试验方法由于试样高度较小,动应力沿试样高度的衰减较弱,道碓表面和粉土表面的平均动应力基本相同。故试验基于基床面的动应力水平设计道诈-粉土试样的动荷载施加水平。铁路路基现场动力测试结果 34表明基床面动应力范围为35 18 5kPa,本试验将动应力最大值扩大至36 0 kPa,以研究不同动应力水平下的基床变形行为。试验围压设置为30 kPal3.25-01,加载频率设置为 2 Hz25-30 间歇性动荷载考虑了相邻列车运行的时间间隔,能更真实模拟列车长期运行对轨下结构的动力作用 2 9-30。朔
22、黄铁路开行的2 万t列车一般由2 2 0 节车厢组成,相邻车厢的前后两个转向架通过时会对基床产生一次循环加载 35,因此2 万t列车通过时会对基床产生2 2 0 次循环加载。同时,相邻列车的追踪时间间隔约为9 min。因此,每一加载阶段的振次为2 2 0次,间歇阶段时长设置为50 0 s。图4为轴向加载曲线。在排水固结完成后,对试第11期样进行阶段振动和荷载间歇交替的间歇性动荷载作用,直至试验达到终止标准(10 0 0 0 总振次或10%轴向应变)。加载阶段(2 2 0 振次)聂如松等:考虑道碓嵌入作用的有确轨道基床表层变形行为研究55个加载阶段动力特性发生了变化。加载阶段(2 2 0 振次)
23、131直较小的特点。道诈的存在使得土样承受动荷载的能力显著降低。对于纯土试样,动应力幅值增加至420kPa时,试样发生破坏,而对于道诈-粉土试样,动应力幅值为30 0 kPa时,试样就已因剪切变形过大而破坏。显然,由于道诈的存在,下层粉土的变形形态和66=360kPa0,+15间歇阶段(50 0 s)固结阶段图4轴向加载曲线示意基于上述试验设置,试验方案如表1所示。表1试验方案试样含水率10opt=11.8%纯土试样Wsa=19.8%wopt=11.8%道作-粉土试样Wins=15.8%Wsai=19.8%2道-粉土试样的变形行为2.1道道对土样变形的影响加载结束后,最优含水率下的纯土试样和道
24、碓-粉土试样如图5所示。需要说明的是,道诈-粉土试样的上层道诈在拍摄照片时已被取走,以方便观察土样表面形态。部分道颗粒因嵌人过深,取出会破坏界面形态,故拍照时予以保留。对于纯土试样(图5(a),当动应力水平较低时(.36 0 k Pa),加载结束后土样的轴向变形较小,试样保持为稳定状态。而当动应力水平较高时(。420kPa),试样的轴向变形发展显著,甚至出现了贯穿试样整体的剪切面,试样最终表现为剪切破坏。值得注意的是,在轴向变形显著发展的过程中,试样的侧向变形一直较小。与纯土试样相比,道碓-粉土试样(图5(b))中的土样变形存在以下区别:道诈嵌入使得粉土表层出现槽痕。当动应力水平较高时(a=4
25、2048 0 k Pa),粉土表面甚至出现了局部的剪切破坏,这不同于纯土试样表面相对平整的形态。土样表层发生了侧向变形,且该侧向变形随着动应力幅值(或者道碓嵌人程度)的增加而加剧,这不同于纯土试样的侧向变形一=420kPa间歇阶段(50 0 s)时间/s动应力幅值aa/kPa180,240,300,360,400,480180,240,300,36060,80,100,120,180,240,300,36060,80,100,120,18060,80,100,120,180480kPa-360kPa.=420kP(a)纯土试样o.-180kPa240kPa0d=180kPaou-240kPa(
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