王啟云 ，肖南雄，張丙強(qiáng) ，項(xiàng)玉龍，魏心星

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

由于粗粒土具有良好的工程特性，因而被廣泛用作高速鐵路路基基床填料[1]。路基作為高速鐵路的主要承重結(jié)構(gòu)，承受軌道與路基的自重及列車荷載，其強(qiáng)度、剛度及變形特性影響軌道的平順性和列車運(yùn)營(yíng)的安全性。在填筑壓實(shí)荷載及高速列車動(dòng)荷載作用下，粗粒土路基中粗顆粒破碎形成較小粒徑的顆粒，導(dǎo)致土體顆粒級(jí)配發(fā)生改變，顆粒重新排列、分布，進(jìn)而影響粗粒土的工程特性。因此，研究高速鐵路路基粗粒土填料在壓實(shí)荷載和動(dòng)力荷載受力全過程的顆粒破碎特性，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。目前，針對(duì)粗粒土的顆粒破碎特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用直剪試驗(yàn)[2]、數(shù)值模擬[3]、大型三軸試驗(yàn)[4,6]、大型擊實(shí)試驗(yàn)[7]等方法，考慮不同的顆粒級(jí)配、不同的影響因素開展了大量的試驗(yàn)研究工作。INDRARATNA等[4?5]通過三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)加載次數(shù)以及加載頻率的提高將導(dǎo)致粗粒料顆粒破碎程度的提高。蔡正銀等[6]通過剪切試驗(yàn)研究了級(jí)配、密度、圍壓對(duì)堆石料的顆粒破碎規(guī)律，建立分形維數(shù)與級(jí)配、圍壓的關(guān)系式。杜俊等[7]利用擊實(shí)試驗(yàn)指出粗粒含量與含水率對(duì)顆粒破碎具有重要影響。張振東等[8]利用動(dòng)力加載試驗(yàn)研究圍壓、固結(jié)比及動(dòng)應(yīng)力幅值的顆粒破碎特性。對(duì)于顆粒破碎量化指標(biāo)，MARSAL 等[9?13]分別采用Bg，Br，B*r，Br50和Dm來(lái)度量顆粒破碎大小。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)粗粒土顆粒破碎的研究取得了系列成果，在研究中考慮了動(dòng)應(yīng)力、加載次數(shù)、應(yīng)力比、含水率等因素的影響。但現(xiàn)有成果還未深入考察加載頻率、降雨入滲強(qiáng)度對(duì)顆粒破碎的影響，尤其是不能反映高速鐵路路基粗粒土填料的破碎動(dòng)態(tài)演化過程。為此，本文構(gòu)建粗粒土填料單元模型，分別采用壓實(shí)試驗(yàn)、動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)?zāi)M粗粒土填料在填筑過程和高速列車運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，重點(diǎn)考慮動(dòng)應(yīng)力幅值(列車荷載)、加載頻率(列車速度)及降雨入滲強(qiáng)度等因素的影響，分析粗粒土填料的顆粒破碎特性，為高速鐵路路基填料選擇與變形控制提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與模型箱

為獲得符合《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的粗粒土填料，將黏性土與碎石進(jìn)行拌合，碎石為弱風(fēng)化粉砂巖，棱角分明，粒徑范圍2～40 mm，試樣級(jí)配累計(jì)曲線見圖1。采用大型粗粒土重型擊實(shí)儀測(cè)得土樣最大干密度為2.17 g/cm3，最優(yōu)含水率為6%，飽和含水率為14.1%。

圖1 試樣顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distributions of tested materials

試樣采用方柱體，邊長(zhǎng)為20 cm，高度為40 cm，最大顆粒為4 cm，填筑在模型箱內(nèi)?？紤]《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)高速鐵路粗粒土填料的壓實(shí)度要求，本次試驗(yàn)試樣的壓實(shí)系數(shù)均取0.95。為模擬路基土體的受力狀態(tài)，模型箱的兩側(cè)采用L型鋼板約束該方向的變形，另外兩側(cè)采用彈簧和鋼板模擬相鄰?fù)馏w對(duì)粗粒土填料的約束。模型箱如圖2所示。

圖2 模型箱三維圖Fig.2 3D model box

1.2 壓實(shí)試驗(yàn)方案

為模擬粗粒土填料填筑過程，采用千斤頂分3層將土樣填筑在模型箱內(nèi)，每層高度約13.3 cm，以保證試樣的壓實(shí)度及均勻性。壓實(shí)過程示意如圖3。壓實(shí)度達(dá)到0.95 后，停止加載。試驗(yàn)結(jié)束后，先洗篩去除黏土顆粒，放置室內(nèi)自然風(fēng)干、烘干，再對(duì)每個(gè)試樣的顆粒進(jìn)行篩分，獲得壓實(shí)后試樣顆粒級(jí)配。為避免試驗(yàn)誤差，共制備3個(gè)壓實(shí)試樣。

圖3 壓實(shí)示意圖Fig.3 Compaction diagram

1.3 動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)方案

為模擬高速列車對(duì)粗粒土填料的動(dòng)力荷載作用，采用高速高性能液壓伺服加載系統(tǒng)(MTS系統(tǒng))對(duì)壓實(shí)后的試樣施加動(dòng)力循環(huán)荷載，如圖4所示。

圖4 動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Dynamic loading cycle system of test

現(xiàn)有研究[14?15]表明，時(shí)速小于350 km/h 的高速鐵路路基表面動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值一般不超過110.5 kPa，路基基床底層和路基本體填料動(dòng)荷載作用主頻率在2～12 Hz 之間。因此，考慮動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率及降雨入滲強(qiáng)度等因素的影響，共制備24 組試樣，具體分組如表1 所示，其中試樣A(1-16)主要考慮動(dòng)應(yīng)力幅值σdmax(25，50，100 和200 kPa)，加載頻率f(2，4，6 和8 Hz)的影響，試樣B(1-8)主要考慮降雨入滲強(qiáng)度w的影響，試樣C(1-3)主要考慮加載次數(shù)N的影響。

表1 試驗(yàn)分組情況Table 1 Test group

動(dòng)力加載前，先對(duì)試樣施加25 kPa 豎向壓力，模擬基床底層表面的應(yīng)力環(huán)境。循環(huán)荷載采用正弦波，波形如圖5所示。

圖5 動(dòng)力加載波形Fig.5 Dynamic loading waveform

為模擬降雨入滲強(qiáng)度對(duì)顆粒破碎的影響，在B組試樣填筑后，3 h 內(nèi)從試樣表面分別澆入水4.9，16.1 和32.8 kg，使?jié)B入試樣總水量達(dá)到試樣土顆粒質(zhì)量的20%，50%和100%。同時(shí)模擬雨水排出過程，允許多余的雨水從試樣中自由滲出。動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)整個(gè)試樣進(jìn)行篩分，獲得試樣顆粒級(jí)配。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 壓實(shí)試驗(yàn)后試樣顆粒破碎特征

利用壓實(shí)試驗(yàn)前后試樣的顆粒級(jí)配曲線，計(jì)算獲得了各粒組的顆粒含量變化如圖6所示。

圖6 壓實(shí)后顆粒含量變化Fig.6 Changes in particle content after compaction

由圖6可以看出，經(jīng)過壓實(shí)后，粗粒土填料出現(xiàn)明顯的顆粒破碎。在壓實(shí)過程中，粗粒土填料中粒徑在20～40 mm,2.5～10 mm 的顆粒含量分別減少約1.2%，4.3%，粒徑在2.5 mm 以下的顆粒含量明顯增大，且主要集中在0.075～2.5 mm，增加約為4.2%，粒徑在0.075 mm 以下的顆粒含量增加較小，增加約0.5%。分析表明，在壓實(shí)過程中，粗粒土填料的顆粒破碎方式以破裂、破碎為主，研磨為輔。

從圖6中還可以看出，在相同壓實(shí)條件下，試樣的粒徑含量變化規(guī)律基本一致，且數(shù)值接近，說(shuō)明壓實(shí)過程具有代表性，可采用分層壓實(shí)的方法制備動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)的試樣，將3組壓實(shí)試樣級(jí)配的均值作為動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)的基準(zhǔn)級(jí)配。

2.2 動(dòng)力循環(huán)加載后試樣顆粒破碎特征

利用動(dòng)力循環(huán)加載后試樣的顆粒級(jí)配和壓實(shí)制樣后試樣的基準(zhǔn)級(jí)配，計(jì)算獲得了不同加載頻率條件下顆粒含量變化，如圖7和圖8所示。

從圖7 和圖8 可以看出，在動(dòng)力循環(huán)荷載作用下，粗粒土填料出現(xiàn)明顯的顆粒破碎。各試樣中粒徑為25～40 mm，10～20 mm和0.63～2.5 mm的粒組顆粒含量明顯減少，而粒徑為20～25 mm，2.5～10 mm，小于0.075 mm 的粒組顆粒含量明顯增大，各試樣增加或減小的粒組較為一致，說(shuō)明顆粒級(jí)配對(duì)顆粒破碎有重要的影響。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值和加載頻率的增加，各粒組含量的變化值總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明荷載大小和頻率對(duì)顆粒破碎有明顯的影響。從圖7中還可以看出，某粒組顆粒破碎導(dǎo)致相鄰粒徑的粒組和0.075 mm 以下粒組含量增大，這表明顆粒破碎具有連續(xù)性。從圖8還可以看出，在不同加載次數(shù)的循環(huán)荷載作用下，粗粒土填料的顆粒破碎具有相似性，但較高振次的荷載作用下小于10 mm 的粒徑顆粒變化量相對(duì)較大，分析表明隨著振次增加，粗粒土的顆粒破碎方式將以破裂、研磨為主。

圖7 A(1-16)試樣顆粒含量變化Fig.7 Variation of sample particle content of group A(1-16)

圖8 C(1-3)試樣顆粒含量變化Fig.8 Variation of sample particle content of group C(1-3)

為了進(jìn)一步分析動(dòng)力循環(huán)荷載作用下粗粒土填料的顆粒破碎，采用Marsal 提出的顆粒破碎度量指標(biāo)Bg對(duì)試樣進(jìn)行分析。破碎指標(biāo)Bg表達(dá)式如式(1)所示，即將試驗(yàn)前某粒組的百分含量減去試驗(yàn)后相同粒組的百分含量的所有正值累加[9]。

式中：ΔWk=Wki?Wkf，Wki表示試驗(yàn)前級(jí)配曲線上某級(jí)粒組的含量，Wkf表示試驗(yàn)后級(jí)配曲線上相同粒組的含量。

根據(jù)圖7計(jì)算得到動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)后，粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)Bg如表2所示。

從表2可以看出，在動(dòng)應(yīng)力幅值相同時(shí)，粗粒土填料的顆粒破碎量隨著加載頻率的增加而增加；在加載頻率相同時(shí)，粗粒土顆粒破碎量隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加呈先快速增加而后趨于平緩的趨勢(shì)，這是由于大粒徑顆粒破裂成較小粒徑后，土體中孔隙被填充而逐漸密實(shí)，此時(shí)土顆粒間滑動(dòng)摩擦力作用增強(qiáng)，相互咬合作用減弱，粗顆粒破裂效應(yīng)減小，研磨效應(yīng)增加。

表2 不同條件下的顆粒破碎指標(biāo)Table 2 Particle breakage index under different conditions

2.3 降雨入滲條件下試樣顆粒破碎特征

在降雨入滲條件下粗粒土填料各粒組的顆粒含量變化情況如圖9所示。

圖9 B(1-8)試樣顆粒含量變化Fig.9 Variation of sample particle content of group B(1-8)

由圖9可以看出，降雨入滲后，在列車荷載作用下B(1-8)試樣的粒組含量變化情況與A(1-16)試樣基本相同，顆粒含量減小的粒組主要集中在粒徑為25～40 mm，10～20 mm，0.63～2.5 mm，增加的粒組主要集中在粒徑為10～25 mm，2.5～5 mm，小于0.63 mm 的顆粒。隨著降雨入滲強(qiáng)度的增大，粗粒土填料的部分粒組含量變化呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

為進(jìn)一步分析降雨入滲對(duì)粗粒土填料顆粒破碎特性的影響，利用圖9計(jì)算得到顆粒破碎指標(biāo)Bg與降雨入滲強(qiáng)度的關(guān)系可由圖10表示。

從圖10 可以看出，在動(dòng)應(yīng)力幅值一定時(shí)，粗粒土填料的顆粒破碎量隨著降雨入滲強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。其原因可解釋為：當(dāng)降雨入滲量在0%～44%范圍內(nèi)增大時(shí)，由于大量雨水從試樣的底部滲出，粗粒土填料中大部分區(qū)域仍處于非飽和狀態(tài)，但顆粒之間變得潤(rùn)滑，從而引起摩阻力減小，粗粒土更容易趨于密實(shí)，有效接觸壓力增大，破碎程度逐漸增大；當(dāng)降雨入滲量在44%～94%范圍內(nèi)增大時(shí)，雨水仍會(huì)從試樣底部滲出，但粗粒土填料部分區(qū)域已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，顆粒間逐漸充滿孔隙水，摩擦力進(jìn)一步減小，部分振動(dòng)沖擊能被孔隙水耗散，同時(shí)粗粒土試樣中的飽和區(qū)在循環(huán)荷載作用下孔隙水壓力上升，促使細(xì)顆粒遷移，引起土體結(jié)構(gòu)更容易破壞，導(dǎo)致粗粒土試樣變形雖然增大，但是顆粒破碎效應(yīng)逐步降低。

圖10 顆粒破碎指標(biāo)Bg與降雨入滲量關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relationship between Bg and rainfall infiltration

2.4 顆粒破碎過程分析

利用壓實(shí)試驗(yàn)?zāi)M粗粒土路基填筑過程，利用動(dòng)力加載試驗(yàn)?zāi)M列車荷載對(duì)粗粒土填料的動(dòng)載作用過程。粗粒土填料的全過程顆粒破碎指標(biāo)Bg變化如圖11和圖12所示。

圖11 全過程顆粒破碎指標(biāo)Bg變化Fig.11 Variation of Bgduring the whole process

圖12 不同加載次數(shù)下顆粒破碎指標(biāo)Bg變化Fig.12 Curves of relationship between Bg and N

由圖11 可以看出，在粗粒土填筑、列車運(yùn)行過程中，粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)Bg逐漸增大，且隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大并逐步趨于穩(wěn)定，隨加載頻率的增加而明顯增大。粗粒土填料填筑過程中的顆粒破碎率占總破碎率的50%以上。在相同頻率的荷載作用下，粗粒土填料顆粒破碎指標(biāo)Bg隨動(dòng)應(yīng)力幅值變化較為平滑，說(shuō)明粗粒土顆粒破碎隨荷載大小呈漸進(jìn)式變化趨勢(shì)。在粗粒土路基填筑過程，顆粒破碎方式以破裂、破碎為主，大顆粒破碎形成較小粒徑的顆粒，孔隙被填充，但此時(shí)路基填料中存在較大的孔隙，經(jīng)過5萬(wàn)次動(dòng)力循環(huán)荷載后，孔隙進(jìn)一步被填充，土體趨于密實(shí)，粗粒土顆粒破碎方式以破裂、研磨為主，研磨效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。分析表明，粗粒土填料在填筑與列車運(yùn)行過程中，顆粒破碎方式由破裂、破碎逐漸轉(zhuǎn)為破裂、研磨。

從圖12 可以看出，當(dāng)加載次數(shù)在0～2 萬(wàn)次范圍內(nèi)增大時(shí)，粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)Bg顯著增加；當(dāng)加載次數(shù)大于2萬(wàn)次，隨著加載次數(shù)的增大，粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)Bg呈緩慢增加的趨勢(shì)。由此可以推測(cè)，高速鐵路粗粒土路基顆粒破碎效應(yīng)主要集中在運(yùn)營(yíng)早期。

3 顆粒破碎分形特性

3.1 顆粒破碎分形分析

由于顆粒破碎指標(biāo)Bg不能從整體上反映粗粒土填料顆粒級(jí)配的調(diào)整，為此，學(xué)者提出采用分形理論對(duì)巖土體顆?；蚩紫哆M(jìn)行分析[16]，并采用分形維數(shù)D來(lái)表征粗粒土顆粒發(fā)生破碎的程度[7]，其分形模型可表示為：

式中：P為粒徑為di的顆粒的通過質(zhì)量百分率；dmax為最大粒徑；D為分形維數(shù)。

由此可以計(jì)算得到壓實(shí)后粗粒土填料的分形維數(shù)平均值為2.636 3，得到動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)后A(1-16)試樣的分形維數(shù)如圖13 所示，B(1-8)試樣的分形維數(shù)如圖14所示。

圖13 分形維數(shù)與動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率關(guān)系曲線Fig.13 Curves of dynamic stress amplitude,loading frequency and fractal dimension

圖14 分形維數(shù)D與降雨入滲強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.14 Curves of relationship between D and rainfall intensity

從圖13 中可以看出，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率的增大，粗顆粒發(fā)生破碎，分形維數(shù)逐漸增大，且荷載越大、頻率越高，顆粒破碎程度也越大。

從圖14可以看出，隨著降雨入滲強(qiáng)度的增加，粗粒土的分形維數(shù)呈先快速增加而后緩慢減小的趨勢(shì)。

在動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)后，A(1-16)試樣粗粒土填料的粒度分形維數(shù)D值與顆粒破碎率Bg之間的關(guān)系，如圖15所示。

圖15 顆粒破碎指標(biāo)Bg與分形維數(shù)D的關(guān)系曲線Fig.15 Curves of relationship between Bg and D

由圖15 可以看出，在動(dòng)應(yīng)力幅值相同時(shí)，粗粒土填料的分形維數(shù)D與顆粒破碎指標(biāo)Bg之間存在線性擬合關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.949，0.914，0.985 與0.998。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加，粗粒土顆粒破碎分形分布特征更加明顯，分形維數(shù)D與顆粒破碎指標(biāo)Bg間的線性擬合相關(guān)系數(shù)也越大，二者存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。

3.2 基于分形維數(shù)的粗粒土顆粒破碎率

由上述分析可知，分形維數(shù)可以反映粗粒土顆粒級(jí)配的變化。因此，本文利用試樣加載前后分形維數(shù)的差值來(lái)表征顆粒破碎程度[13]：

式中：ΔD為動(dòng)力加載前后粗粒土分形維數(shù)的差值；D為動(dòng)力加載后粗粒土分形維數(shù)；D0為動(dòng)力加載前粗粒土分形維數(shù)。

根據(jù)式(3)計(jì)算得到不同動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率條件下的粗粒土以分維數(shù)表示的顆粒破碎指標(biāo)ΔD，如表3所示。

表3 動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)后顆粒破碎率ΔDTable 3 Fractal dimension ΔD value after the test

結(jié)合表3 和圖12 可知，動(dòng)力加載后粗粒土填料的分形維數(shù)大于動(dòng)力加載前的數(shù)值，且采用分形維數(shù)表示的顆粒破碎率ΔD與顆粒破碎Bg相對(duì)應(yīng)。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率的增大，粗粒土填料的顆粒破碎率呈非線性增大的趨勢(shì)，即顆粒破碎效應(yīng)增強(qiáng)。

3.3 顆粒破碎指標(biāo)ΔD與累積應(yīng)變的關(guān)系

在動(dòng)力循環(huán)荷載作用下，粗粒土填料的顆粒破碎與其累積殘余變形有關(guān)，且隨累積殘余變形的增大而增大[13]。由動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)得到高速鐵路路基粗粒土填料累積應(yīng)變?chǔ)排c動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率關(guān)系曲線如圖16所示。

圖16 累積應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率關(guān)系曲線Fig.16 Curves of relationship between cumulative strain and dynamic stress amplitude

可以看出，在動(dòng)力循環(huán)荷載作用下，粗粒土填料的累積應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率的增加而增大。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，采用冪函數(shù)開展二元非線性回歸分析，可以構(gòu)建累積應(yīng)變與σdmax，f的關(guān)系函數(shù)：

根據(jù)圖16和表3，可繪制粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)ΔD與累積應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系曲線，如圖17所示。

圖17 顆粒破碎指標(biāo)ΔD與累積應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.17 Curve of relationship between ΔD and cumulative strain

通過對(duì)圖形分析，發(fā)現(xiàn)顆粒破碎指標(biāo)ΔD與累積應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系如下：

式中：a，b為擬合參數(shù)，a=0.01，b=0.06，相關(guān)系數(shù)R2=0.952?？梢钥闯?，動(dòng)應(yīng)力幅值越大、加載頻率越高，粗粒土填料動(dòng)力累積應(yīng)變?cè)酱?，顆粒破碎率也越大。利用式(4)可以計(jì)算得到粗粒土填料以分形維數(shù)表征的顆粒破碎率指標(biāo)最大值ΔDmax為0.06，這反映了動(dòng)力循環(huán)荷載作用下粗粒土填料顆粒破碎的有界特征。

將式(4)代入式(5)，可得到顆粒破碎指標(biāo)與動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率的關(guān)系如下：

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用式(6)計(jì)算粗粒土填料的顆粒破碎指標(biāo)，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖18所示。

圖18 顆粒破碎指標(biāo)ΔD計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.18 Comparison of calculated value and test value of ΔD

從圖18可以看出，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值基本在y=x附近，說(shuō)明粗粒土填料的顆粒破碎計(jì)算模型較合理，能夠反映列車荷載作用下粗粒土路基的顆粒破碎性。

根據(jù)當(dāng)前高速鐵路路基承受動(dòng)荷載特征，利用式(6)計(jì)算粗粒土路基承受動(dòng)應(yīng)力幅值為0～200 kPa，頻率為2～10 Hz 的荷載時(shí)，顆粒破碎指標(biāo)ΔD變化規(guī)律如圖19所示。

圖19 粗粒土路基顆粒破碎變化規(guī)律Fig.19 Variation rule of particle breakage of coarse-grained soil subgrade

可以看出，粗粒土路基的顆粒破碎指標(biāo)ΔD隨動(dòng)應(yīng)力幅值呈先迅速增加而后緩慢增大的趨勢(shì)，隨加載頻率的增大而持續(xù)增加。粗粒土路基的顆粒破碎指標(biāo)ΔD在0～0.014之間。

4 結(jié)論

1) 在填筑過程中，粗粒土填料顆粒破碎方式以破裂、破碎為主，研磨為輔。在列車荷載作用下，粗粒土填料的顆粒破碎方式以破裂、研磨為主，破碎為輔。粗粒土填料的顆粒破碎具有相似性和連續(xù)性特征。

2) 顆粒破碎指標(biāo)Bg，分形維數(shù)D隨著動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率的增加而增大，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加呈先迅速增大而后緩慢增加的趨勢(shì)。分形維數(shù)D與顆粒破碎指標(biāo)Bg具有良好的線性相關(guān)性。

3) 降雨入滲將導(dǎo)致粗粒土顆粒破碎增大。顆粒破碎指標(biāo)Bg,分形維數(shù)D隨降雨入滲強(qiáng)度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。

4) 利用分形維數(shù)差值ΔD作為顆粒破碎指標(biāo)，建立粗粒土填料顆粒破碎指標(biāo)與累積應(yīng)變的關(guān)系，討論了粗粒土填料顆粒破碎的有界性。高速鐵路粗粒土路基的顆粒破碎指標(biāo)ΔD在0～0.014之間。

5) 在路基填筑過程中，應(yīng)采用低頻振動(dòng)荷載對(duì)粗粒土填料進(jìn)行壓實(shí)，降低顆粒破碎；在路基使用過程中應(yīng)盡量減少雨水滲入基床，降低列車荷載作用下粗粒土顆粒破碎，從而減小路基沉降。