周 宇， 趙瑩瑩,2， 王子玉， 王立慧

(1. 佳木斯大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 黑龍江 佳木斯 154007； 2. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 3. 海南熱帶海洋學(xué)院 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 海南 三亞 572022；4. 黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

高速鐵路路基不僅承受上部結(jié)構(gòu)靜荷載作用，還承受列車行駛產(chǎn)生的動荷載作用，其動力穩(wěn)定性與路基土的抗動剪切能力息息相關(guān)，設(shè)計時可將兩者作為重要的設(shè)計參數(shù)[1]。對于工程性質(zhì)較差的路基填土，常采用固化劑加固，因此，有必要對固化土動力響應(yīng)特性進(jìn)行深入研究。

對于路基土加固的固化劑多采用無機(jī)鹽類，從早期的水泥、石灰、粉煤灰等加固材料，至目前應(yīng)用廣泛采用的Aught-set、路豐、RT、NCS、SC、HEC、QJ等新型固化劑[2,3]，品類繁多。其制成的固化土動力性能受到多種因素影響[4]，最主要的因素為固化劑摻量[5]，此外還包括圍壓、頻率、密實度、干密度、孔隙比與飽和度等[6,7]，需針對不同類型固化劑和土種進(jìn)行專門研究。

學(xué)術(shù)界對于水泥、石灰和粉煤灰固化土動力性能的研究開展較多，并且成果較為成熟。多數(shù)成果表明，固化劑的摻入可顯著提升土體的動強(qiáng)度和動剛度，降低阻尼比[8,9]。同時，隨著固化劑摻量的增加，土體的動剪切模量并非單調(diào)增加，而是存在某一最佳摻量，在該摻量下，固化土動力性能達(dá)到最佳[9]。圍壓對固化劑加固效果的影響較大，圍壓低時，固化劑摻量對動力性能的提升作用明顯；隨著圍壓的增加，提升效果不斷弱化，因此，固化劑對深層土的加固效果一般[10]，一般只應(yīng)用于基床深度范圍內(nèi)。對于Aught-set固化土，雖然已在鐵路路基中得以應(yīng)用[11]，但目前對其研究多集中于靜力特性，而對于其在高速鐵路列車荷載下的動力性能研究較少[12]。

本文開展了一系列Aught-set路基土的動三軸試驗研究，討論固化劑摻入對路基土動力性能的改良效果及最佳配比，研究三因素影響下路基土的骨干曲線和動剪切模量變化規(guī)律，進(jìn)而嘗試發(fā)展三因素影響下的固化土動力模型，對于高速列車荷載作用下路基動力行為預(yù)測、設(shè)計與病害控制具有重要的理論意義。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料與試樣制備

試驗用土取自京哈高速鐵路哈沈段某填料場，將土樣風(fēng)干碾壓，過2 mm篩，以免帶入雜質(zhì)與大顆粒。土樣中粒徑大于0.075 mm顆粒質(zhì)量含量為59%，粉粒含量為28%，黏粒含量為12%，為粉砂，屬C組填料，作為基床底層填料時應(yīng)進(jìn)行改良。固化劑為北京奧特賽特B1型Aught-set固化劑，包括S，P1，P2，T1，T2，P3六種組分。

試樣制備時首先將蒸餾水按預(yù)定含水率摻入土中拌勻，悶料12～24 h，再將Aught-set固化劑滲入混合料中，混合均勻后采用三層成形法制成固化土試樣，試樣為圓柱形，高度為125 mm，直徑為61.8 mm，如圖1所示。將固化土試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度20±3 ℃、濕度90%條件下養(yǎng)護(hù)7 d取出進(jìn)行試驗。由擊實試驗得，路基土最佳含水率為12.5%，最大干密度為1.87 g/cm3。

圖1 試樣

1.2 試驗方法

試驗儀器采用DSD-160型動三軸試驗機(jī)，加載方式為應(yīng)變控制式。試樣采用固結(jié)不排水方式，等壓固結(jié)12 h。待固結(jié)穩(wěn)定后，以分級加載的方式施加正弦波動荷載，軸向從小到大等差施加，每級動荷載振動12次，直至試樣達(dá)到變形破壞為止。試樣的破壞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為軸向應(yīng)變達(dá)到15%。其中，每級循環(huán)選取第8次(數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定)作為此級數(shù)據(jù)分析代表值。為了模擬高速鐵路交通荷載，頻率選取4 Hz，振幅依據(jù)試樣性質(zhì)確定。

試驗方案為：固化劑摻量分別為0，4%，5%，6%，7%；含水率分別為10.5%，12.5%，14.5%，16.5%；圍壓分別為100，150，200，250 kPa。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路基土動參數(shù)提取

土的骨干曲線是不同循環(huán)動荷載作用下各周期動應(yīng)力-動應(yīng)變滯回圈的頂點繪制的軌跡線(如圖2)，可用于表征土體在動荷載作用下的抗動剪切破壞能力，是土動力分析的基礎(chǔ)。動剪切模量反應(yīng)動荷載下土體的抗變形能力，可表示為：

圖2 土的骨干曲線與滯回曲線

(1)

式中：Gd為動剪切模量；τd為動剪應(yīng)力；γd為動剪應(yīng)變幅值。

2.2 路基土抗動剪切破壞能力

2.2.1 固化劑摻量的影響

圖3為路基土骨干曲線，由圖3a可知，依賴于固化劑在土中硬化反應(yīng)所形成的膠結(jié)物具有良好結(jié)構(gòu)性，因此，路基土的骨干曲線明顯高于素土，說明固化劑摻入可顯著提升路基土的抗動剪切破壞能力。隨著固化劑摻量的增加，路基土骨干曲線不斷提升，摻量超過6%后開始下降，與多數(shù)固化土動力研究結(jié)果相符[9]。這是由于摻入的固化劑與土顆粒在水的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝物，填充土中孔隙，使土體更加密實，從而明顯提升土體抗剪性能。固化劑摻入越多，化學(xué)反應(yīng)越完全，土體越密實，性能越好，但加入量超過一定值后，會導(dǎo)致固化劑摻量過量，反應(yīng)完全后仍有殘余，多余殘留物會影響土體結(jié)構(gòu)性，造成其性能降低。

圖3 路基土骨干曲線

2.2.2 含水率的影響

由圖3b可知，隨著含水率增加，路基土骨干曲線先增后減，在最佳含水率12.5%時土體骨干曲線最高，土體抗動剪切破壞能力最強(qiáng)。分析表明，當(dāng)固化土處于最佳含水率時，膠結(jié)硬化反應(yīng)最為完全充分，且無多余水分，生成膠凝硬化物聯(lián)結(jié)效應(yīng)更好，結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)；當(dāng)含水量高時，多余水會增強(qiáng)膠凝物間的潤滑性，降低土中有效應(yīng)力，抗剪切強(qiáng)度和變形的能力減??；當(dāng)含水量低時，固化劑與土顆粒反應(yīng)所需水分不足，反應(yīng)不充分，膠凝硬化產(chǎn)物減小，固化劑的效能未能得到充分發(fā)揮。

2.2.3 圍壓的影響

由圖3c發(fā)現(xiàn)，圍壓越大，骨干曲線越高，土體抗動剪切破壞的能力越強(qiáng)。這是由于隨著圍壓加大，試樣所受側(cè)向束縛力增加，側(cè)向變形量減小，土體更加緊密，土顆粒間接觸增多，土中孔隙減小，顆粒間咬合力增大，因此，圍壓對土體具有良好的壓密作用。當(dāng)動剪應(yīng)變小于0.05%時，各圍壓下路基土骨干曲線近似重合，說明圍壓對小應(yīng)變水平下土的抗動剪切破壞能力影響微小。

2.3 路基土動剪切模量特性

如圖4所示，路基土動剪切模量隨著動剪應(yīng)變增加而逐漸衰減。表現(xiàn)為：在循環(huán)加載初期，小應(yīng)變情況下，動剪切模量變化幅值較大，隨著動剪應(yīng)變增加，大幅度衰減；動剪應(yīng)變超過一定值后，逐漸趨于平穩(wěn)。在不同工況下，隨著動剪應(yīng)變的增加，路基土的動剪切模量曲線相互靠攏，表明各影響因素對路基土動剪切模量的影響作用在高應(yīng)變時被不斷削弱。

圖4 路基土動剪切模量衰減曲線

固化劑摻入可明顯提升路基土的動剪切模量(見圖4a)。隨著固化劑摻量增加，路基土動剪切模量大幅增加，至摻量6%時達(dá)到最佳，隨后開始回落，這與骨干曲線的結(jié)果基本一致。含水率對路基土動剪切模量的影響規(guī)律與骨干曲線一致。如圖4b所示，隨著含水率的增加，動剪切模量先增后減，在最佳含水率12.5%處性能最佳。由此可知，路基土的最佳配比為固化劑摻量為6%，含水率為12.5%。由圖4c可知，隨著圍壓增加路基土的動剪切模量增加，這與前人研究成果一致[13]。

2.4 三因素土動力模型

2.4.1 骨干曲線模型

通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，在循環(huán)荷載作用下路基土骨干曲線(見圖3)符合Hardin-Drnevich雙曲線模型[14]，該模型可描述為：

(2)

式中：a，b為試驗參數(shù)，所代表的物理意義為1/Gdmax，1/τdmax，為初始動剪切模量Gdmax和最大動剪應(yīng)力幅值τdmax的倒數(shù)。

通過線性回歸分析，可得固化土的Hardin模型參數(shù)a，b如表1所示。分析可知，三種不同因素對骨干曲線方程中參數(shù)a，b的影響均存在差異，這也是造成路基土結(jié)構(gòu)性差異的根本原因。換句話說，動參數(shù)Gdmax和τdmax與固化劑摻量β、含水率ω和圍壓σ3具有較強(qiáng)相關(guān)性。

表1 路基土動力模型參數(shù)a，b

2.4.2 動參數(shù)模型

從表1可知，隨著圍壓增大，初始動剪切模量和最大動剪應(yīng)力不斷增加。但隨著固化劑摻量的增加，初始動剪切模量、最大動剪應(yīng)力均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，并在摻量6%時達(dá)到最佳；含水率對其變化規(guī)律的影響與固化劑摻量類似，在含水率12.5%處固化土動力性能達(dá)到最佳。

通過多次回歸分析可知，Gdmax與β，Gdmax與ω，τdmax與β，τdmax與ω等的關(guān)系均以較高精度符合單高斯模型；而Gdmax與σ3，τdmax與σ3的關(guān)系表現(xiàn)出與素土相同的規(guī)律，依然符合經(jīng)典冪函數(shù)模型[15]。據(jù)此，綜合上述規(guī)律可知，Gdmax，τdmax滿足下述動參數(shù)模型：

(3)

式中：ωopt，βopt分別為最佳含水率和固化劑最佳摻量；A為最佳配比時，圍壓為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化土的動參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之比；c1，c2，n為無量綱模型參數(shù)；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，近似取100 kPa。回歸分析得到的路基土動參數(shù)模型中ωopt，βopt，A，c1，c2，n的值如表2所示，可見，式(2)可以較高精度估計Gdmax和τdmax值，可完全滿足鐵路路基工程設(shè)計與動力反應(yīng)分析的需求。

表2 路基土動參數(shù)模型擬合結(jié)果

將式(2)，(3)聯(lián)立，可得到Aught-set固化土的三參數(shù)動力模型。

2.5 固化土破壞特征

固化劑與土反應(yīng)形成的水化膠凝物，具有良好的填充效應(yīng)，形成較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。在循環(huán)動荷載作用下，試樣產(chǎn)生側(cè)向變形，剪切表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)能有效抑制顆粒間搓動；但動荷載循環(huán)作用次數(shù)繼續(xù)增加，土中會造成結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)破裂，產(chǎn)生滑移，而后試樣斷裂，發(fā)生脆性張裂破壞，表現(xiàn)出明顯剪切破壞面，固化土剪切破壞以脆性破壞為主，無明顯塑性流動變形過程。

固化土試樣破壞形態(tài)多為剪切面，當(dāng)固化劑摻量為3%時，試樣沿一個主要剪切面破壞(見圖5a)；當(dāng)固化劑摻量為6%時，試樣沿多個剪切面破壞，呈破碎狀(見圖5b)，但在最佳摻量6%處試樣的側(cè)向鼓脹變形相對較小，土體更加密實，因此，產(chǎn)生相同變形所能承受的荷載更大。

圖5 試樣破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

本文采用動三軸試驗研究了在高速列車動荷載作用下的Aught-set路基土在多因素影響下的動力特性，結(jié)論如下：

(1)路基土的抗動剪切破壞能力和動剪切模量隨著圍壓單調(diào)增加，而與固化劑摻量和含水率不存在單調(diào)關(guān)系，存在最佳配比(固化劑摻量6%、含水率12.5%)，使路基土動力性能達(dá)到最佳。三參數(shù)對動剪切模量的影響隨動剪應(yīng)變的增加不斷弱化。

(2)在循環(huán)荷載作用下，路基土骨干曲線符合Hardin-Drnevich雙曲線模型，據(jù)此提出了考慮固化劑摻量、含水率和圍壓影響的三因素動力參數(shù)模型，進(jìn)而可推演出固化土三因素動力模型。

(3)三因素動力模型精度較高，參數(shù)物理意義明確，可通過有限次試驗獲得，適用于Aught-set固化劑改良的高速鐵路路基的設(shè)計與動力反應(yīng)分析，也可推廣至公路工程中。