陳　磊， 莊海洋， 沈禮偉， 李　浩

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 江蘇 南京 210005；

2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

?

列車振動(dòng)荷載作用下南京細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律研究①

陳磊1， 莊海洋2， 沈禮偉2， 李浩1

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 江蘇 南京 210005；

2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

摘要：以南京細(xì)砂為研究對(duì)象，采用空心圓柱扭剪儀模擬列車振動(dòng)荷載作用對(duì)應(yīng)的土體單元所受應(yīng)力路徑，考慮試樣圍壓、加載幅值和排水條件，研究列車振動(dòng)荷載作用下土體動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果分析表明：在模擬列車振動(dòng)荷載作用對(duì)土體豎向應(yīng)變的影響時(shí)，采用橢圓應(yīng)力路徑來代替心形應(yīng)力路徑是切實(shí)可行的，能克服試驗(yàn)儀器高頻加載時(shí)無法有效模擬心形應(yīng)力路徑的缺點(diǎn)；其次，當(dāng)圍壓和加載幅值都較小時(shí)南京細(xì)砂主要表現(xiàn)為在振動(dòng)初期強(qiáng)度強(qiáng)化特征，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后強(qiáng)度也達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定階段；當(dāng)試驗(yàn)圍壓較大時(shí)，隨振動(dòng)次數(shù)增加，南京細(xì)砂的強(qiáng)度變化主要以強(qiáng)度弱化階段為主；同時(shí)，排水條件對(duì)其強(qiáng)度變化的主要影響表現(xiàn)為對(duì)其振動(dòng)前期強(qiáng)度強(qiáng)化階段的影響，對(duì)其強(qiáng)度弱化階段的影響并不明顯。

關(guān)鍵詞：列車振動(dòng)； 南京細(xì)砂； 動(dòng)強(qiáng)度； 室內(nèi)試驗(yàn)

0引言

列車運(yùn)行引起的路基長(zhǎng)期沉降問題是目前軌道交通建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過程中存在的重大技術(shù)難題之一[1]。例如瑞典建在深厚軟土地基上的高速鐵路，經(jīng)瑞典國(guó)家鐵路局和其他單位聯(lián)合進(jìn)行的高速列車振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)高速列車的運(yùn)行引起了非常大的沉降，已超過保證鐵路安全運(yùn)營(yíng)的界限[2]；上海地鐵1號(hào)線在通車后8個(gè)月內(nèi)沉降竟達(dá)到30~60 mm，四年內(nèi)甚至達(dá)到了140 mm ，充分說明在快速軌道交通列車運(yùn)行振動(dòng)引起的動(dòng)應(yīng)力作用下，地基的長(zhǎng)期附加沉降是非常可觀的，甚至直接影響工程的正常使用。

近幾年隨著國(guó)內(nèi)高鐵和城市軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)交通荷載作用下土的力學(xué)特性有了較多的研究。例如陳云敏、沈揚(yáng)、姚兆明和唐益群等[3-6]分別對(duì)交通振動(dòng)荷載作用下土體的累計(jì)變形特性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度變化等主要?jiǎng)恿W(xué)特性進(jìn)行了卓有成效的研究。國(guó)外學(xué)者Wichtmann和Gidel等[7-8]也進(jìn)行了相近的研究。已有的研究成果已為生產(chǎn)實(shí)踐提供了很好的指導(dǎo)和工程應(yīng)用。

飽和新近沉積土在各類交通荷載作用下的動(dòng)力學(xué)特性是預(yù)測(cè)路基長(zhǎng)期沉降的重要基礎(chǔ)。早期由于受到試驗(yàn)條件的限制，一般都采用常規(guī)振動(dòng)三軸儀進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，即只能模擬土體在大主應(yīng)力軸向循環(huán)應(yīng)力路徑下的動(dòng)力學(xué)特性。本文擬采用較為先進(jìn)的空心圓柱扭剪儀模擬列車振動(dòng)荷載作用對(duì)應(yīng)的土體單元應(yīng)力路徑，以南京地區(qū)新近沉積的細(xì)砂為研究對(duì)象， 試驗(yàn)研究試樣圍壓、加載幅值和排水條件對(duì)南京細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究成果可為南京及其長(zhǎng)江中下游地區(qū)軌道交通路基變形的計(jì)算與分析提供有力的幫助。

1試驗(yàn)概況

1.1南京細(xì)砂的物理特性及試樣制備

試驗(yàn)土樣為南京細(xì)砂，對(duì)其進(jìn)行重塑樣。試驗(yàn)土樣的基本物理指標(biāo)為：平均天然重度ρ=18.5 kN/m3；最大孔隙比emax=1.14，最小孔隙比emin=0.62；不均勻系數(shù)cu=2.31；曲率系數(shù)cc=1.07；重塑土樣相對(duì)密度Dr=0.5。對(duì)應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線圖如圖1所示。

試驗(yàn)采用三瓣銅模制樣器制備砂土試樣，分4層裝樣，逐層擊實(shí)至控制重塑樣指標(biāo)，將砂土均制成內(nèi)直徑60 mm、外直徑100 mm、高200 mm的試樣。試樣制備完成后，首先采用抽氣通循環(huán)水進(jìn)行飽和，直至連續(xù)10分鐘內(nèi)不出現(xiàn)氣泡；將制備好的試樣安裝到GDS循環(huán)儀上，采用壓力控制器將反壓控制在100~150 kPa范圍內(nèi)，繼續(xù)通循環(huán)水進(jìn)行飽和，直至沒有氣泡冒出，調(diào)整內(nèi)壓、外壓和反壓，測(cè)得有效圍壓接近預(yù)定值時(shí)開始固結(jié)。試驗(yàn)達(dá)到有效圍壓并固結(jié)完成后即加循環(huán)荷載，開始振動(dòng)特性試驗(yàn)分析。

圖1　南京細(xì)砂的顆粒級(jí)配圖Fig.1　Grain size distribution diagram of Nanjing　　　 fine sand

1.2列車振動(dòng)荷載的試驗(yàn)加載

試驗(yàn)儀器采用南京工業(yè)大學(xué)土木工程與防災(zāi)減災(zāi)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的GDS空心圓柱扭剪儀喧[圖2(a)]。該儀器上土樣尺寸:10 cm(直徑)×20 cm(高)，最大圍壓2.0 MPa，最大動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)角度可達(dá)1 080°，可做實(shí)心、空心土樣在復(fù)雜應(yīng)力路徑下靜、動(dòng)力試驗(yàn)。GPS儀器可對(duì)試樣施加四個(gè)獨(dú)立的荷載：軸力W、扭矩MT、內(nèi)圍壓pi和外圍壓po。由于試驗(yàn)儀器無法在各種試驗(yàn)條件下較好地完成心形應(yīng)力路徑加載，故試驗(yàn)對(duì)心形應(yīng)力路徑進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用橢圓形應(yīng)力路徑代替，如圖2(c)中所示。為探明兩種加載應(yīng)力路徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，分別對(duì)兩種應(yīng)力路徑下土的累計(jì)變形特性進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖2　試驗(yàn)儀器與加載應(yīng)力路徑Fig.2　 Test instrument and the loading stress paths

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在不同加載幅值條件下，兩種應(yīng)力路徑下豎向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)十分接近，增長(zhǎng)幅度基本相同，100列次之后的累積豎向應(yīng)變最大偏差出現(xiàn)在加載幅值25 kPa時(shí)，而此時(shí)的差值也僅為0.022%。由于試驗(yàn)儀器影響及制樣裝樣過程中不可避免會(huì)存在一定偏差，兩者豎向應(yīng)變的增長(zhǎng)過程中存在較小的差值屬于正?，F(xiàn)象。因此可以初步得到結(jié)論：在模擬列車振動(dòng)荷載作用對(duì)土體豎向應(yīng)變的影響時(shí)，橢圓應(yīng)力路徑可以代替心形應(yīng)力路徑。具體試驗(yàn)方案見表1。

圖3　兩種不同加載應(yīng)力路徑下試驗(yàn)豎向應(yīng)變時(shí)程對(duì)比 (圍壓120 kPa)Fig.3　Comparison of vertical strain time-histories tested under two different loading stress paths

試驗(yàn)?zāi)康南鄬?duì)密度有效圍壓/kPa加載頻率/Hz動(dòng)力加載幅值/kPa排水條件累積變形特性100.580115不排水200.51201101520不排水排水

2南京細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律分析

2.1循環(huán)荷載作用下動(dòng)模量等效計(jì)算方法

通過分析動(dòng)模量動(dòng)力參數(shù)，探究其隨累積軸向應(yīng)變和偏應(yīng)力的變化情況，來揭示南京細(xì)砂土動(dòng)模量的發(fā)展變化規(guī)律。動(dòng)模量及阻尼比的計(jì)算可采用圖4中所示的方法進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ed為動(dòng)模量；σdmax、σdmin分別為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈中土樣的最大及最小動(dòng)應(yīng)力；εpmax、εpmin分別為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈中土樣的最大及最小動(dòng)應(yīng)力所對(duì)應(yīng)動(dòng)應(yīng)變值。

圖4　模量阻尼計(jì)算示意圖Fig.4　Calculation diagram of dynamic modulus and damping

2.2動(dòng)模量變化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果分析

列車振動(dòng)荷載作用下動(dòng)模量的變化分為兩個(gè)階段，即振動(dòng)開始之后的上升階段和一定振次之后的下降階段或者穩(wěn)定階段。上升階段：在振動(dòng)初期土體會(huì)隨著振動(dòng)逐漸密實(shí)；下降階段：當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展到一定程度土體顆粒結(jié)構(gòu)開始發(fā)生改變，土體強(qiáng)度降低，動(dòng)模量開始出現(xiàn)下滑趨勢(shì)；穩(wěn)定階段：若加載幅值偏小，動(dòng)模量在經(jīng)歷上升階段后強(qiáng)度無法在現(xiàn)有振動(dòng)水平下降低，則會(huì)保持一定模量值而不再變化。圖5給出了不排水條件下有效圍壓分別為80 kPa和120 kPa時(shí)南京細(xì)砂動(dòng)模量隨列車振動(dòng)次數(shù)的變化情況。

當(dāng)有效圍壓為80 kPa時(shí)，振動(dòng)初期隨著列車振動(dòng)次數(shù)的增加，土樣逐漸被振動(dòng)密實(shí)，土體強(qiáng)度有一個(gè)明顯的增強(qiáng)過程。隨著加載幅值變大，土體強(qiáng)度增長(zhǎng)量及其增長(zhǎng)速度也隨之變大。當(dāng)加載幅值增大到25 kPa時(shí)，由于試驗(yàn)控制精度不夠，動(dòng)模量的變化較為離散，但總體上可以看出有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)有效圍壓為120 kPa時(shí)，南京細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度在振動(dòng)初期的增強(qiáng)速度大大增加，尤其是當(dāng)加載幅值增大到15 kPa時(shí)土體強(qiáng)度很早就出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象，特別是隨著加載幅值由15 kPa增加到25 kPa時(shí)，這種弱化現(xiàn)象尤為明顯。

造成上述兩種不同圍壓下南京細(xì)砂強(qiáng)度變化規(guī)律明顯不同的主要原因?yàn)椋寒?dāng)圍壓較小時(shí)振動(dòng)加載幅值的變大很容易改變南京細(xì)砂顆粒的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為更為緊密的顆粒結(jié)構(gòu)排列，主要表現(xiàn)為剪縮狀態(tài)；當(dāng)圍壓較大時(shí)，上述剪縮過程大大縮短，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓增長(zhǎng)也變得更加明顯，對(duì)土體強(qiáng)度的弱化作用也隨之增強(qiáng)。圖5中分別給出了強(qiáng)度變化不同階段對(duì)應(yīng)的擬合公式。

圖5　不排水條件下動(dòng)模量隨列車振動(dòng)次數(shù)的變化Fig.5　 Dynamic modulus changes with the increase of vibration number under undrained condition

圖6　兩種不同排水條件下動(dòng)模量變化規(guī)律對(duì)比 (圍壓120 kPa,加載幅值25 kPa)Fig.6　 The change of dynamic modulus under two different drainage conditions

圖6為兩種不同排水條件下對(duì)應(yīng)的動(dòng)模量與列車振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系。由圖6可知，在試驗(yàn)為排水條件下南京細(xì)砂動(dòng)模量的變化有兩個(gè)階段，即上升階階段和下降階段。此變化規(guī)律明顯區(qū)別于不排水條件下對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，即排水條件主要對(duì)南京砂土前期的強(qiáng)度強(qiáng)化階段有明顯影響，而對(duì)強(qiáng)度弱化階段的影響并不明顯。

3結(jié)論

對(duì)南京細(xì)砂重塑土樣開展交通荷載作用下土動(dòng)強(qiáng)度變化特性試驗(yàn)研究，通過對(duì)不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下主要結(jié)論：

(1) 通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：橢圓應(yīng)力路徑和心形路徑對(duì)土體豎向應(yīng)變的影響基本相同，為了試驗(yàn)方便可以用橢圓應(yīng)力路徑代替列車振動(dòng)荷載作用對(duì)應(yīng)的心形應(yīng)力路徑；

(2) 列車振動(dòng)荷載作用下南京細(xì)砂的強(qiáng)度隨振動(dòng)次數(shù)的變化階段并不完全呈兩階段變化，即當(dāng)圍壓和加載幅值都較小時(shí)主要表現(xiàn)為在振動(dòng)初期土體強(qiáng)度強(qiáng)化特征，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定階段，且隨著加載幅值變大，振動(dòng)初期土體強(qiáng)度強(qiáng)化越明顯；

(3) 當(dāng)試驗(yàn)圍壓較大時(shí)，南京細(xì)砂的強(qiáng)度隨振動(dòng)次數(shù)增加的變化階段主要以強(qiáng)度弱化階段為主，且隨著加載幅值變大強(qiáng)度弱化現(xiàn)象也越來越明顯；

(4) 排水條件對(duì)南京細(xì)砂強(qiáng)度變化的主要影響表現(xiàn)為對(duì)其振動(dòng)前期強(qiáng)度強(qiáng)化階段的影響，對(duì)其強(qiáng)度弱化階段的影響并不明顯。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]盧祖文.高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的重大技術(shù)問題(特稿)[J].中國(guó)鐵路,2004, 8:11-13.

LU Zu-wen.Key Technical Problem of High-speed Railway Infrastructure (Feature)[J].China Railway,2004,8:11-13.(in Chinese)

[2]蔡英,曹新文.重復(fù)加載下路基填土的臨界動(dòng)應(yīng)力和永久變形初探[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1996(1):1-5.

CAI Ying,CAO Xin-wen.Study of the Dynamic Stress and Permanent Strain of the Subgrade-soil under the Repeated Load[J].Journal of Southwest Jiaotong University,1996(1):1-5.(in Chinese)

[3]陳云敏,陳仁朋,蘆森.軟土地基地鐵施工及運(yùn)營(yíng)過程中的幾個(gè)土力學(xué)問題[C]//城市地鐵建設(shè)與環(huán)境巖土工程高級(jí)技術(shù)論壇.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002：165-177.

CHEN Yun-min.CHEN Ren-peng,LU Sen.Several Problems about the Soil Mechanics when the Subway is Constructed in Soft Ground[C]//High-technology Forum of the Subway Construction and Environmental Geotechnics.Hangzhou:Zhejiang University Press,2002:165-177.(in Chniese)

[4]沈揚(yáng),周建,龔曉南,等.考慮主應(yīng)力方向變化的原狀軟黏土應(yīng)力應(yīng)變性狀試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(12): 3720-3726.

SHEN Yang,ZHOU Jian,GONG Xiao-nan,et al.Experimental Study of Stress-strain Properties of Intact Soft Clay Considering the Change of Principal Stress Direction[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(12):3720-3726.(in Chinese)

[5]姚兆明,黃茂松.考慮主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)角影響的飽和軟黏土不排水循環(huán)累積變形[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011,30(2):0391-0399.

YAO Zhao-ming,HUANG Mao-song.Undrained Cyclic Accumulative Deformation of SAaturated Soft Clay Considering Influence of Deviation Angle of Principal Stress Axis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(2):391-399.(in Chinese)

[6]唐益群,黃雨,葉為民,等.地鐵列車荷載作用下隧道周圍土體的臨界動(dòng)應(yīng)力比和動(dòng)應(yīng)變分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003,22(9):1566-1570.

TANG Yi-qun,HUANG Yu,YE Wei-ming,et al.Critical DSynamic Stress Ratio and Dynamic Strain Analysis of Soils around the Tunnel under Subway Train Loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(9):1566-1570.(in Chinese)

[7]Wichtmann T,Niemunis1 A,Triantafyllidis Th.Steady Strain Accumulation in Sand Due to Cyclic Loading：Drained Triaxial Tests[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2005(2)：967-979.

[8]Gidel G,Hornych P,Chauvin J,et al.A New Approach for Investigating the Permanent Deformation Behavior of Unbound Granular Material Using the Repeated Load Triaxial Apparatus[J].Bulletin Des Laboratories des Ponts et Chaussees,2001：5-21.

Variation Rule of Dynamic Strength of Nanjing Fine Sand under Train-induced Vibration Load

CHENL ei1， ZHUANG Hai-yang2，SHEN Li -wei2，LI Hao1

(1.JiangsuProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Nanjing210005,Jiangsu,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing210009,Jiangsu,China)

Abstract:Using a GDS hollow cylindrical torsional shear apparatus to model the stress path of strain-induced vibration, we investigated the dynamic strength of Nanjing fine sand under different loading conditions. To simplify the loading method, we modeled the relationship of the normal and shear stresses with an oval, rather than heart-shaped, stress path. Our results show that when the confining pressure and the amplitude of the train-induced vibration are small, the dynamic strength of the Nanjing fine sand first increases and then stays stable over time. However, when the confining pressure increases, the increasing stage of the dynamic strength of the Nanjing fine sand is very short and the dynamic strength values are also much smaller. After some vibration time, the dynamic strength of the Nanjing fine sand decreases almost linearly with increasing vibration. Also, as the amplitude of the vibration increases, the dynamic strength weakens more quickly. This also proves that the drain condition mainly affects the increasing stage of the dynamic strength and has very little influence on its weakening stage.

Key words：train-induced vibration; Nanjing fine sand; dynamic strength; laboratory test

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0089

中圖分類號(hào):TU44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)01-0089-05

作者簡(jiǎn)介：陳磊(1982-)，男，江蘇南京人，博士，高級(jí)工程師,主要從事軌道交通路基變形研究。E-mail：Emerald1982@126.com。通信作者：莊海洋(1978-)，男，副教授，主要從事軌道交通防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)研究。E-mail：zhuang7802@163.com。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(SBK201241288)；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXLX12_0436)

收稿日期：①2014-08-20