水泥改良黃土動力特性的動三軸試驗研究

何小亮，劉瀟敏，王志碩

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710065)

高速鐵路作為現(xiàn)代高新技術(shù)集合的產(chǎn)物，具有成本低、運能大、速度快、污染少、安全性好等突出的優(yōu)點，受到了許多國家的重視。近年來，隨著國家中長期鐵路規(guī)劃網(wǎng)的逐步實施，我國高速鐵路的建設(shè)步伐明顯加快，并且陸續(xù)在黃土地區(qū)開展了高速鐵路、重載鐵路的建設(shè)項目［1］。高速鐵路對路基工后沉降、不均勻沉降的控制非常嚴(yán)格［2］，因此，填料在列車振動作用下的力學(xué)性質(zhì)和變形特性成為高速鐵路路基填料設(shè)計中必須要考慮的因素［3～5］。我國大部分黃土地區(qū)優(yōu)質(zhì)填料都十分缺乏，將黃土改良后使用，使其在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都達(dá)到設(shè)計要求成為解決這一難題的重要方法。以大西客運專線沿線山西境內(nèi)黃土為研究對象，利用GDS動三軸儀對水泥改良后的黃土進(jìn)行動三軸試驗，研究機車振動荷載下水泥改良黃土變形量隨水泥配比、試樣埋深、振動次數(shù)的變化規(guī)律，獲得水泥改良黃土在機車振動條件下的變形性質(zhì)。

1 動三軸試驗

1.1 試驗材料及制備

試驗土樣取自某客運專線沿線取土場，取樣土層為黃土狀粉土層(Q3)，基本物性指標(biāo)見表1。試驗所用水泥是秦嶺水泥場生產(chǎn)的硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號P.O32.5。

表1 試驗黃土的基本物性指標(biāo)

取一定量的擾動黃土，風(fēng)干過0.5 mm的篩，分別配制成0%(重塑黃土)、4%、5%、6%、7%的5種水泥配合比的試件，含水率采用各配合比的最優(yōu)含水率，壓實系數(shù)K=0.95;試件配制完成后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7 d，將養(yǎng)護(hù)好的試件切削成φ70mm×h140mm的試樣進(jìn)行試驗。

1.2 試驗方案

1.2.1 高速鐵路路堤的幾何參數(shù)

圖1所示為高速鐵路無砟軌道單線路堤結(jié)構(gòu)形式橫斷面?；驳讓雍突惨韵侣返?種填土方案:一種為壓實系數(shù)K=0.95的水泥改良黃土，基床底層厚度2.30m，基床以下路堤厚度2.30m;一種為壓實系數(shù)K=0.95的重塑黃土，基床底層厚度2.30m，基床以下路堤厚度2.30m。本次動三軸試驗主要模擬自軌道面算起，埋深1m、3m、5m三種深度試樣的受力變形情況。

圖1 高速鐵路無砟軌道單線路堤橫斷面

1.2.2 路基頂面靜、動荷載的確定

經(jīng)計算路基頂面上部構(gòu)筑物自重合計13.28 kN/m2，作用在路基面上的動應(yīng)力為112.29 kPa。

以往研究成果［6］表明，地面動荷載隨著深度增加呈衰減趨勢，擬合方程為:

式中λ為衰減系數(shù)。

由上式計算出試樣在不同埋深處的動荷載見表2。

表2 不同埋深動荷載的衰減系數(shù)及動應(yīng)力

1.2.3 固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)的確定在進(jìn)行試驗時，首先在動三軸儀上使試樣在上覆土層自重應(yīng)力和構(gòu)筑物靜力荷載作用下固結(jié)，水泥改良黃土的應(yīng)力狀態(tài)及固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 試樣應(yīng)力狀態(tài)及固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4 動荷載施加

相關(guān)研究［6］表明，對路基影響最大的頻率是車輛的通過頻率，若運行速度為250 km/h，則基本頻率 f=4.0 Hz左右，本次試驗加載的頻率為5 Hz。動荷載形式為余弦波，不同埋深處的動應(yīng)力幅值見表2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 振陷量與水泥配合比的關(guān)系

圖2～圖4所示為振次為8 000次時，不同埋深水泥改良黃土累積振陷量與水泥配合比的關(guān)系曲線。

從圖2～圖4可以看出，相同埋深下，隨著水泥配合比的增加，黃土的振陷量明顯減小。以1m埋深試樣振陷量隨水泥配合比的變化規(guī)律為例:配合比從0%增加到4%，試樣振陷量減小58.6%;配合比從4%增加到5%，振陷量減小22.5%;配合比從5%增加到6%，振陷量減小48.7%;配合比從6%增加到7%，振陷量減小40%。試驗結(jié)果表明，黃土中摻入一定量的水泥，可以有效地減小黃土的振陷量;其原因是水泥改良黃土試樣結(jié)構(gòu)致密、力學(xué)強度高，在動荷載作用下，不易產(chǎn)生變形破壞。

圖2 1m埋深振陷量隨水泥配比變化規(guī)律

圖3 3m埋深振陷量隨水泥配比變化規(guī)律

圖4 5m埋深振陷量隨水泥配比變化規(guī)律

圖5 配合比0%時振陷量隨埋深變化規(guī)律

2.2 振陷量與土層埋深的關(guān)系

圖5～圖9所示為振次為8000次時，不同配合比水泥改良黃土的振陷量隨埋深變化的關(guān)系曲線。

圖6 配合比4%時振陷量隨埋深變化規(guī)律

圖7 配合比5%時振陷量隨埋深變化規(guī)律

圖8 配合比6%時振陷量隨埋深變化規(guī)律

圖9 配合比7%時振陷量隨埋深變化規(guī)律

由圖5～圖9可以看出，在水泥配合比相同的條件下，隨著埋深的增加，黃土的振陷量明顯減小。埋深從1m增加到3m，振陷量急劇減小;埋深從3m增加到5m，振陷量也隨之減小，但減小速率變慢。試驗結(jié)果表明:埋深對水泥改良黃土的振陷量有著很大影響，其原因是地面動荷載隨著深度的增加呈衰減趨勢，施加在不同埋深試樣上的動應(yīng)力幅值呈遞減規(guī)律變化;另外埋深增加意味著圍壓的增長，高圍壓可以在一定程度上延緩塑性變形的發(fā)展。在這兩方面因素的影響下，振陷量隨埋深的增加快速減小。

2.3 振陷量與振次的關(guān)系

不同配合比水泥改良黃土振陷量隨振次的變化趨勢類似，因此，選擇0%、6%配合比水泥改良黃土的振陷量隨振次變化的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖10～圖15所示。

圖10 配合比0%埋深1m

圖11 配合比0%埋深3m

圖12 配合比0%埋深5m

圖13 配合比6%埋深1m

圖14 配合比6%埋深3m

圖15 配合比6%埋深5m

從圖10～圖15可以看出，水泥改良黃土的振陷量隨振動次數(shù)的增加逐漸增大;振次小于3 000次時，振陷量的增長速率較快，振次超過3 000次以后，增長速率明顯下降，但仍具有一定的增長空間。以1m埋深6%配合比的水泥改良黃土為例，振次從300增加到3 000次，振陷量增加了139%;振次從3 000增加到8 000次，振陷量僅增加了3.7%。試驗結(jié)果說明，該類水泥改良黃土在振次超過3 000次以后，振陷量基本達(dá)到穩(wěn)定，隨著振次的增加，振陷量會緩慢增長，并達(dá)到最終穩(wěn)定。

3 結(jié)語

利用GDS動三軸儀對水泥改良后的黃土進(jìn)行動三軸試驗，得到機車振動荷載下水泥改良黃土變形量隨水泥配比、試樣埋深、振動次數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)論包括:

(1)隨著水泥配合比的增加，黃土的振陷量明顯減小，黃土中摻入一定量的水泥，可以有效地減小黃土的振陷量;

(2)隨著埋深的增加，黃土的振陷量明顯減小，高圍壓可以在一定程度上延緩塑性變形的發(fā)展;

(3)水泥改良黃土的振陷量隨振動次數(shù)的增加逐漸增大;水泥改良黃土在振次超過3 000次以后，振陷量基本達(dá)到穩(wěn)定，隨著振次的增加，振陷量會緩慢增長，并達(dá)到最終穩(wěn)定。水泥改良黃土的動力變形可以滿足填料的設(shè)計要求。

研究成果為今后水泥改良黃土路基填料的設(shè)計提供了基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

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