Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js
  • ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

连续与间歇荷载作用下路基黄土动强度的试验研究

庄心善 杨端 李仝 李肖飞

庄心善, 杨端, 李仝, 李肖飞. 连续与间歇荷载作用下路基黄土动强度的试验研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240462
引用本文: 庄心善, 杨端, 李仝, 李肖飞. 连续与间歇荷载作用下路基黄土动强度的试验研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240462
ZHUANG Xinshan, YANG Duan, LI Tong, LI Xiaofei. Experimental Study on Dynamic Strength of Subgrade Loess under Continuous and Intermittent Loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240462
Citation: ZHUANG Xinshan, YANG Duan, LI Tong, LI Xiaofei. Experimental Study on Dynamic Strength of Subgrade Loess under Continuous and Intermittent Loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240462

连续与间歇荷载作用下路基黄土动强度的试验研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240462
基金项目: 国家自然科学基金项目(51708190,41772332)
详细信息
    作者简介:

    庄心善(1964—),男,教授,博士生导师,研究方向为土动力学,E-mail:zhuangxinshan@163.com

  • 中图分类号: TU444

Experimental Study on Dynamic Strength of Subgrade Loess under Continuous and Intermittent Loads

  • 摘要:

    列车在运行过程中产生的周期性动应力对路基填料的动强度构成了显著挑战,现有研究多采用连续加载方式模拟列车荷载,未能充分反映列车荷载的间歇性,为探究连续、间歇加载下黄土路基的动强度差异性,采用GDS 动三轴仪设计一系列连续和间歇加载的固结不排水试验,探讨围压和动应力幅值对土体动强度的影响,并对比分析不同加载方式对路基黄土动强度及其强度参数的作用效果. 试验结果表明:黄土路基的动强度随着围压的增大而增大,但增长幅度却逐渐减小;动粘聚力(cd)和动摩擦角(φd)随破坏次数(lgNf)的增大而减小,整体呈线性关系;相对于连续加载,间歇加载作用下土体的cdφd有明显提升,cd提高了2.18%~5.09%,φd提高了4.03%~13.78%;通过引入静三轴抗剪强度对动强度进行归一化处理,提出以静强度为变量的黄土路基动强度经验公式,为评估路基在动力作用下的稳定性提供了重要依据.

     

  • 随着现代交通的快速发展,高速铁路和重载铁路的建设对路基工程提出了更为严格的要求. 路基填料在列车荷载的作用下,其稳定性受到材料力学特性、荷载模式以及环境条件等多重因素的综合影响,可能导致路基发生沉降变形和强度破坏,严重影响列车运行的平稳性和安全性,制约着铁路运输的发展[1,2]. 因此,深入研究路基在列车荷载下的动力响应机制,对于确保铁路运输的稳定性和安全性具有至关重要的意义.

    动三轴试验是一种广泛应用于土体动力性能研究、获取土体动力参数、构建土体动本构模型的常用手段. 众多学者已对影响土体动力响应的多种因素(如动应力幅值、加载次数、频率等动荷载特性以及围压、固结比、含水率等土体初始状态参数)进行了深入研究,这些因素的相互作用共同决定了路基填料的动弹性模量、累积应变及动强度等关键动力响应指标. 其中:Xiao等[3-4]揭示了路基在循环荷载作用下的动应力应变关系、动强度、动剪切模量和阻尼比等动力特性;Wang等[5-6]基于动三轴试验对饱和黄土进行固结排水试验,发现黄土试样的动强度随围压的增大而提高,随加载次数的增大而降低;Liu等[7]对重塑黄土开展一系列不排水循环三轴试验,探讨了初始静剪应力对黄土破坏模式的影响,并提出考虑初始应力状态和超孔隙水压力的黄土破坏模型;田堪良等[8]对黄土的动强度及振陷变形特性进行研究,证明了非饱和黄土与饱和黄土的强度及变形特性存在明显差异;杨庆等[9-10]和利用固结排水非饱和土静、动三轴仪,探讨非饱和土静、动强度特性指出,静、动强度之间具有明显的关联性,并证实加载过程中土样不排水抗剪强度会发生衰减;庄心善等[11]利用动三轴试验,观察到动黏聚力随加载次数的增大呈线性减小,动内摩擦角随加载次数的增大略微减小的现象.

    上述研究中,动三轴试验均采用了连续加载方式,旨在模拟列车对路基填料的长期作用. 然而,这种连续加载方式未能充分反映列车荷载的间歇性,不能正确评估土体在运营中的承载能力. 实际上,相邻列车通过同一点的间隔约为5~15 min[12],意味着路基填料所承受的交通荷载是一种周期性的非连续荷载,包括列车通过时的振动和无车通过的间歇. 因此,为更真实地反映路基填料在列车实际运行中的动态响应,采用动三轴试验模拟列车荷载时,考虑相邻列车运行间隔所导致的间歇阶段,对研究路基填料的动力行为显得尤为重要. Wang等[13-14]基于动三轴试验分析间歇荷载对土体动力特性的影响,并指出间歇排水作用显著的削弱了土体孔压、变形的发展. 庄心善等[15]开展一系列连续加载与间歇加载的动三轴试验,研究了黄土在不同围压、循环应力比的累积塑性变形及刚度软化特征,对比分析不同加载条件下的路基填料动力行为发现,间歇荷载提高了土体的刚度. 聂如松等[16]为研究列车间歇对铁路路基的影响,分析不同加载方式下土体孔隙水压力、回弹模量、累积塑性应变等的发展规律,指出室内动三轴试验忽略间歇效应,将高估列车动荷载作用下试样超孔压和塑性应变的累积程度及发生破坏的可能性.

    关于间歇荷载作用下路基填料的动力特性研究主要集中在累积变形、孔隙水压力及刚度软化等方面,对动强度的研究相对较少. 此外,对动强度的研究分析基于浅层数据对比分析,未能建立起相关的预测模型. 动强度是反映土体在一定应变下所能承载动应力大小的关键指标,对评估路基在动力作用下的稳定性至关重要. 鉴于此,为探究连续、间歇加载下黄土路基的动强度差异,设计一系列连续、间歇动三轴试验,针对不同动应力水平下的路基填料进行研究,对比分析不同加载方式下黄土的动强度特性,研究成果对阐明间歇性列车荷载的作用机理及间歇荷载对路基填料动强度影响机制具有重要意义.

    路基是铁路轨道结构的重要组成部分,主要功能是承受并传递轨道荷载及列车荷载,确保列车运行的安全和稳定,如图1所示. 试验所用土取自郑州西部铁路附近,属于Q3 马兰黄土,渗透性较小,液限WL=37.4%,塑限为WP=21.2%,塑性指数IP=16.2,属于粉质黄土,其基本物理性质参数如表1所示. 表中:Gs为颗粒相对密度,wopt为最优含水率,ρdmax为最大干密度.

    图  1  路基结构示意图
    Figure  1.  Subgrade structure
    表  1  土的物理参数指标
    Table  1.  Indicators of physical parameters of soil
    Gs wopt/% ρdmax/(g•cm−3 WL/% WP/% IP
    2.72 19.1 1.85 37.4 21.2 16.2
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    将风干、粉碎后的土料进行过筛处理,颗粒级配曲线如图2所示. 图中:P为小于某粒径的土的质量分数,D为粒径. 过筛后置于105 ℃的烘箱12 h,参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[17]采用击实法制备重塑土试样,试样直径为50 mm,高度为100 mm. 根据三瓣膜体积与土体密度计算所需的土样总质量,按照一定压实度分5层击实制样,每层进行刮毛处理. 由于黄土具有湿陷性,王寒等[18]指出,当压实度超过90%且含水率处于最佳状态时,黄土的湿陷系数趋近为0,即无湿陷性. 鉴于铁路路基压实度标准不可低于90%,故本文所有试样均按照95%的压实度进行制样. 将制备好的试样放入真空桶进行真空饱和,确保负压状态持续超过3 h后注入无汽水浸泡12 h,在进行动三轴试验时采用反压饱和法进行孔隙水压力系数的检测,若B值超过0.95,则判定试样达到饱和状态.

    图  2  试验用土颗粒级配曲线
    Figure  2.  Particle grading curve of test soil

    试验所用仪器为英国GDS真/动三轴,如图3所示. 该仪器主要由压力室、反压控制系统、围压控制系统等组成,加载频率f=0.001~5 Hz. GDSLAB软件精准控制该仪器动三轴测试系统,可以精准施加轴向压力、围压、反压,实时记录土样的孔隙水压力、体积应变、轴向应变等数据,每个循环周期的数据记录点数设定为50个,轴向位移精度0.01%. 仪器由两种模块组成,本次试验采用动力加载模块对试样进行加载.

    图  3  动三轴试验设备
    Figure  3.  Dynamic triaxial test equipment

    土体在交通荷载下动力性质受多种因素的综合影响,主要包括动荷载的加载条件、土的物理状态及应力历史等,这些因素共同决定了土体在动荷载作用下的行为特征. 试验采用应力控制加载方式,在饱和结束后对试样施加30、60、90 kPa的围压进行等压固结,模拟不同深度处路基的侧向压力,当超孔隙水压力小于1 kPa时即认为固结完成. 固结结束后,关闭排水阀门,保持密闭试验环境. 在施加循环荷载前,先施加15 kPa的静偏应力(σs),模拟上部轨道及道砟在无列车通过时对路基的静力作用[12].

    列车实际运营中所产生的荷载较为复杂,大量研究表明,可将其转化为半正弦波模拟列车荷载[19]. 列车在运行时产生的振动频率(f)通常受到列车速度(v)和车厢长度(l)的影响,根据已有研究表明[20],列车运行速度通常为60~150 km/h,车厢长度l=23.6 m,则f=0.706~1.76 Hz,试验采用加载频率1 Hz. 引入循环应力比(CCSR)表征动应力水平,为轴向循环剪应力τd与试样固结不排水抗剪强度τf的比值. 课题组已有的研究证明[15],当CSR一定时,围压增大所导致土体刚度的增强,不足以抵消相应动应力幅值增大带来的应变增加量,累积变形表现为随围压增大而增大[2]. 此外,当CCSR较小时,土体累积塑性应变未能达到应变破坏标准,因此综合考虑上述影响因素确定CCSR的取值范围,试验方案见表2. 对于固结不排水试验,τf=qf/2qf为静三轴试验中轴向应变达到15%的偏应力. 因此,循环应力比可以表示为

    表  2  试验方案
    Table  2.  Experimental program
    σ3/kPa qf/kPa CCSR σd/kPa 加载方式
    30 440.51 0.7、0.75、0.8、0.85、0.9 308.35、330.38、352.40、374.43、396.459  连续加载(加载到10000次或应变达到10%时结束)
    60 564.73 0.6、0.65、0.7、0.75、0.8 338.83、367.07、395.31、423.54、451.78
    90 632.16 0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、 347.68、379.29、410.90、442.51、474.12
    30 440.51 0.8、0.85、0.9、0.93、0.95 352.40、374.43、396.45、409.67、418.48  间歇加载(每一阶段振动200次,停振600 s,加载到10000次或应变达到10%结束)
    60 564.73 0.7、0.75、0.8、0.85、0.9 395.31、423.54、451.78、480.02、508.25
    90 632.16 0.6、0.7、0.75、0.8、0.85 379.29、442.51、474.12、505.72、537.33
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    CCSR=τdτf=σd/2qf/2=σdqf (1)

    式中:σd为轴向动应力幅值,σd=σ1σ3σs,其σ1为轴向总应力,σ3为固结时的围压.

    Nie等[21]研究发现,当铁路运营线路上列车通过时,路基中固定点受8~200次循环加载,相邻列车的间隔时间为5~15 min. 此外,吴遥杰等[22]认为,当间歇时长达到一定程度,试样产生的累积塑性应变不再受间歇时长的影响,而是逐渐趋于稳定. 因此,试验设置加载次数200次、间歇时间600 s为一个阶段,最多50个阶段. 作为统一采用应变控制和加载次数双重标准(不考虑其它破坏条件)作为. 若试样发生破坏,以轴向应变达到10%作为判定标准,并以此作为试验终止条件. 对未发生破坏的试样,则将加载次数达到10000次作为试验结束的依据[23]. 由于黄土具有低渗透性,列车运行过程中来不及排水,故在加载过程中设置为不排水. 考虑到列车通过后黄土路基会经历一段间歇时间,在此期间,由于循环荷载消失和孔隙水排出,孔隙水压力会逐渐降至0[20]. 试验为模拟列车在间歇阶段超孔隙水压力的消散,因此,在间歇阶段打开排水阀,排出试样中的孔隙水. 连续加载及间歇加载示意如图4所示. 图中:σ为轴向应力,T为加载时间.

    图  4  模拟列车运行的加载波形示意
    Figure  4.  Loading waveforms for simulated train operation

    Andersen 等[24]提出了动强度的概念,并将动强度定义为在动荷载作用下,土体产生某一指定破坏应变或满足某一破坏标准所对应的动应力. 从动强度的概念可以看出,破坏标准的差异直接影响到动强度的评定结果,因此,确立一个合理的破坏准则对研究动强度特性至关重要. 目前,常用的破坏标准主要有孔压标准、屈服标准和应变标准. 通常只有饱和松散的砂或粉土,超孔隙水压力(u)才出现与围压相持平的现象,由于黄土具有一定的黏性且渗透性低,孔隙水难以迅速排出,在连续加载过程中孔压可能达到与围压相持平的状态. 对于间歇荷载作用的试样,在停振阶段开启排水阀门,允许孔隙水排出,超孔隙水压力逐渐消散至0,当动荷载在下一个加载阶段再次施加时,超孔隙水压力会再次上升,但增长速度却明显低于初始阶段. 此外,随着间歇排水次数增多,试样的超孔隙水压力将稳定在一定水平,远远低于孔压破坏标准,如图5所示(对于间歇加载,为了图像效果,仅展示了整个试验过程的前十个加载阶段,一共 50 个加载阶段),孔压破坏标准不适用间歇加载的土体. 图5中:Δu=umax+umax.

    图  5  孔隙水压力时程曲线
    Figure  5.  Pore water pressure time course curves

    黄土路基在连续加载及间歇加载作用下的轴向应变(ε)时程曲线如图6所示. 图中:εr,1为第一阶段的弹性应变,εe,2为第二阶段间歇时产生的回弹变形,εp,1为第一阶段产生的累积塑性应变,εr为弹性应变,εp为累积塑性应变. 由图可知,加载过程中土体的轴向应变发展速率较为稳定,未出现变形急速陡转的现象,这意味着在加载过程中土体不会遵循屈服破坏标准. 在试验过程中,试样均呈现鼓胀现象,未发现明显的剪切破坏面,因此,可以断定试样是由于变形过大导致试样发生破坏,所以采用应变破坏标准. 动强度的破坏标准可在动应变幅2.5%~10%范围确定[25],王兰民[26]提出,将3%动应变视为黄土破坏动应变较为合理. 因此,综合现有研究成果和课题组已有的试验结果,将3%的轴向应变作为判定破坏的依据.

    图  6  轴向应变时程曲线
    Figure  6.  Axial strain time course curves

    依据上述破坏准则,将不同应力水平下试样达到破坏标准所得到的σd值及破坏次数(Nf)绘制为曲线,如图7所示. 并采用式(2)进行拟合,拟合结果见表3.

    图  7  不同围压下土体动强度曲线
    Figure  7.  Dynamic strength curves of soil under different confining pressures
    表  3  动强度值及拟合参数表
    Table  3.  Dynamic strength values and fitting parameters
    加载方式 σ3/kPa σd,100/kPa A d R2
    连续加载30344.49436.65730.0350.9795
    60418.08546.58500.0480.9825
    90456.29602.23560.0470.9897
    间歇加载30368.28440.52940.05120.9888
    60451.42563.48700.05810.9981
    90493.03624.91160.06020.9671
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    σd=A(Nf)d (2)

    式中:Ad均为拟合参数.

    图7可知,路基黄土的动强度随着围压的增大而显著提高,随着破坏次数的增加而减小,与陈存礼等[27]研究结果一致.

    在相同加载条件下,路基黄土动强度随围压增大而增大,这是因为围压的增大导致土颗粒嵌合更为紧密,使得土体更为密实,提高了其承载能力和抵抗破坏的能力,因此,路基黄土的动强度与围压成正比. 此外,黄土具有一定的结构性,使其在循环荷载作用下表现出结构损伤和软化行为,在庄心善等[15]的研究中已被证实. 土体结构的损伤程度与动应力的大小和加载次数密切相关,在较高水平的动应力作用下,土体结构强度仅需在较小的加载次数下就会发生软化行为,达到破坏变形标准,由此可推断,在其他条件不变时,破坏次数减少意味着土体动强度增大.

    为定量描述不同应力条件对土体动强度的影响,试验选取Nf=100次时对应的动强度(σd,100)进行分析,具体数据见表3. 在连续加载作用下,当围压维持在50 kPa时,σd,100仅为344.49 kPa,随着围压逐步提升至60、90 kPa时,土体的σd,100分别提高了21.36%、32.24%,增长幅度逐渐减小. 同样地,在间歇荷载作用下黄土的σd,100值随围压的增大表现出同样的现象. 对于黄土路基动强度随着围压的增大,增长幅度逐渐减小的现象,可能与土体颗粒间的相互作用有关. 当围压增加时,土体颗粒间的咬合更加紧密,土体结构更为密实,有助于提高土体的承载能力. 然而,随着围压的持续增加,颗粒间的咬合力提升空间逐渐趋于饱和,导致动强度的增长幅度减小. 此外,已有研究表明,围压能够一定程度上抑制裂隙的开展,通过裂隙面咬合产生强度,但这种抑制作用存在一个上限,超过这个上限后,围压的增加对动强度的提高效果将会削弱[28].

    路基填料在不同加载模式下的动力响应特性具有显著的差异性,间歇排水阶段的存在,削弱了土体累积塑性变形及超静孔隙水压力的发展,但关于土体动强度的研究尚未得出具体的结论. 如表3所示,在间歇荷载作用下,σd,100值相较于连续加载条件下提升了6.90%至8.05%,这一现象可归因于孔隙水未能及时排出,导致超孔隙水压力的累积,进而导致土体刚度软化. 间歇排水的影响还表现在土体内部结构的持续变化上,这种变化增强了土体抵抗破坏的能力,从而提升了动强度.

    黄土的静强度和动强度特性紧密依赖于土体的物理状态,并受到加载方式和应力条件的显著影响,因此,土体的静强度与动强度之间必然存在联系[29-30]. 深入分析土体的静、动强度之间的差异及其相互关系对寻找一种基于静强度来推导动强度曲线的经验公式至关重要. 这能够在仅有静强度参数的情形下,为动力稳定性分析提供参考的动强度值.

    为确保动三轴试验得到的动强度曲线具有可比性,将图7中不同围压下土样破坏时对应的动应力分别除以对应静三轴抗剪强度的轴向偏应力,对其进行归一化处理,分别得到2种加载方式下σd/qfNf关系曲线,如图8所示,(为了将动强度归一化与上述CCSR区分,故采用σd/qf表示动强度归一化). 所有归一化后的数据点在不同围压条件下均聚集于同一曲线上,结合式(1)可用式(3)表示.

    图  8  归一化动强度曲线
    Figure  8.  Normalized dynamic strength curve
    σdqf=n(Nf)m (3)

    式中:nm 为拟合参数.

    拟合结果见式(4)、(5). 通过式(4)、(5),利用静三轴试验即可推算出在连续与间歇加载条件,不同破坏次数下路基黄土的动强度值.

    连续加载:

    σdqf=1.0123(Nf)0.0648,R2=0.9322; (4)

    间歇加载:

    σdqf=1.0188(Nf)0.0524,R2=0.9502. (5)

    动强度指标提供了土体在动荷载作用下的性能参数,是进行土工结构设计的重要依据之一,Mohr-Coulomb破坏准则是静力学中评估土体抗剪能力的基本方法,在动力学中仍然适用[11].

    根据式(4)、(5)的拟合结果,得到不同围压下Nf=20次所对应的破坏动应力,结合式(6)、(7),在τ-σ平面绘出摩尔应力圆,如图9(a)所示,并得到不同加载方式下黄土的抗剪强度包线,见式(8)、(9).

    图  9  不同Nf及加载方式对应动强度的应力强度指标
    Figure  9.  Stress strength indexes corresponding to dynamic strength for different Nf
    τd=cd+σdtanφd (6)

    式中:cd为动黏聚力,φd为动内摩擦角.

    σ1d=σ3+σd+σs, σ3d=σ3 (7)

    式中:σ1dσ3d分别为试样在不同围压下发生动力破坏的大、小主应力.

    连续加载:

    τd=88.48+σdtan27.53 (8)

    间歇加载:

    τd=90.41+σdtan28.64. (9)

    值得注意的是,破坏次数的选择可能对土体的抗剪强度指标产生一定影响,为了探究不同破坏次数对土体动强度及抗剪强度指标的影响,选取Nf=100,500,2000次与Nf=20进行对比分析,不同破坏次数及加载方式对应的莫尔圆,如图9所示,抗剪强度指标见表4.

    表  4  不同破坏次数对应的抗剪强度指标
    Table  4.  Shear strength indexes corresponding to different numbers of damage
    加载方式 Nf/次 cd/kPa φd/(°)
    连续加载 20 88.48 27.53
    100 84.04 24.83
    500 79.82 22.08
    2000 76.36 19.66
    间歇加载 20 90.41 28.64
    100 86.72 26.48
    500 83.18 24.29
    2000 80.25 22.37
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    图9(a)可知,连续加载下土体的动黏聚力经过间歇排水作用提高了1.92 kPa,增加了2.17%,动内摩擦角同样有略微的提高,增加了1.11°,相对提高了4.01%. 这是因为间歇加载的排水效应降低了土体的孔隙水压力,土体的有效应力增加,土颗粒之间进行重新排列和调整,从而增加了土体的密实度和摩擦阻力,动黏聚力和动内摩擦角得以提高.

    表4可以看出在同一加载方式作用下,选取不同的破坏次数作为标准,得到的抗剪强度参数有明显的不同,基于表4绘制了黄土抗剪强度指标cdφd随破坏次数的变化关系,见图10. 从图中可以发现:1) cdφdNf的增大而减小,整体呈线性关系. 这主要是因为动黏聚力与土颗粒间的初始胶结力有关,加载次数越多,土颗粒间的胶结力越弱,所以破坏时较高的Nf对应的黄土黏聚力越低. 2) 在循环荷载作用下,黄土的微观结构可能发生破坏,导致颗粒间的接触和摩擦特性发生变化[31]. 这种结构的破坏可能会减少颗粒间的摩擦阻力,从而降低动内摩擦角. 3) 不同的加载方式对土体抗剪强度指标的影响不容忽视,间歇加载相对于连续加载土体cdφd值略有提高,cd提高了2.18%~5.09%,φd提高了4.03%~13.78%,这主要是因为间歇排水作用降低了土体间的超孔隙水压力,增加了颗粒间的实际接触应力,导致cdφd具有明显的提升效果.

    图  10  动黏聚力与动内摩擦角随破坏次数的变化关系
    Figure  10.  Relationship between dynamic cohesion and dynamic internal friction angle with number of damage

    1) 荷载间歇对路基累积塑性变形的发展有显著影响,削弱了土体累积塑性变形及超孔隙水压力的发展,致使孔隙水压力未能达到与围压相持平的状态,黄土填料不符合孔压破坏及屈服破坏标准.

    2) 围压增大能够一定程度上提高颗粒间的咬合力,增大土体的密实度,但围压的增加对动强度的提高效果将有所削弱,导致黄土路基的动强度随着围压的增大增长幅度逐渐减小. 破坏次数与动强度呈反比关系,破坏次数减少意味着土体动强度增大.

    3) 基于静三轴抗剪强度,分别提出了关于连续、间歇加载条件下黄土动强度的经验公式,简化工程应用,为合理评估列车荷载下路基填料动力稳定性提供了理论依据.

    4) 选取不同的破坏次数及加载方式作为标准,得到的抗剪强度参数有明显的不同,cdφd随循环Nf的增大而减小,整体呈线性关系;间歇加载相对于连续加载土体cdφd值有明显的提高,分别提高了2.18%~5.09%和4.03%~13.78%.

  • 图 1  路基结构示意图

    Figure 1.  Subgrade structure

    图 2  试验用土颗粒级配曲线

    Figure 2.  Particle grading curve of test soil

    图 3  动三轴试验设备

    Figure 3.  Dynamic triaxial test equipment

    图 4  模拟列车运行的加载波形示意

    Figure 4.  Loading waveforms for simulated train operation

    图 5  孔隙水压力时程曲线

    Figure 5.  Pore water pressure time course curves

    图 6  轴向应变时程曲线

    Figure 6.  Axial strain time course curves

    图 7  不同围压下土体动强度曲线

    Figure 7.  Dynamic strength curves of soil under different confining pressures

    图 8  归一化动强度曲线

    Figure 8.  Normalized dynamic strength curve

    图 9  不同Nf及加载方式对应动强度的应力强度指标

    Figure 9.  Stress strength indexes corresponding to dynamic strength for different Nf

    图 10  动黏聚力与动内摩擦角随破坏次数的变化关系

    Figure 10.  Relationship between dynamic cohesion and dynamic internal friction angle with number of damage

    表  1  土的物理参数指标

    Table  1.   Indicators of physical parameters of soil

    Gs wopt/% ρdmax/(g•cm−3 WL/% WP/% IP
    2.72 19.1 1.85 37.4 21.2 16.2
    下载: 导出CSV

    表  2  试验方案

    Table  2.   Experimental program

    σ3/kPa qf/kPa CCSR σd/kPa 加载方式
    30 440.51 0.7、0.75、0.8、0.85、0.9 308.35、330.38、352.40、374.43、396.459  连续加载(加载到10000次或应变达到10%时结束)
    60 564.73 0.6、0.65、0.7、0.75、0.8 338.83、367.07、395.31、423.54、451.78
    90 632.16 0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、 347.68、379.29、410.90、442.51、474.12
    30 440.51 0.8、0.85、0.9、0.93、0.95 352.40、374.43、396.45、409.67、418.48  间歇加载(每一阶段振动200次,停振600 s,加载到10000次或应变达到10%结束)
    60 564.73 0.7、0.75、0.8、0.85、0.9 395.31、423.54、451.78、480.02、508.25
    90 632.16 0.6、0.7、0.75、0.8、0.85 379.29、442.51、474.12、505.72、537.33
    下载: 导出CSV

    表  3  动强度值及拟合参数表

    Table  3.   Dynamic strength values and fitting parameters

    加载方式 σ3/kPa σd,100/kPa A d R2
    连续加载30344.49436.65730.0350.9795
    60418.08546.58500.0480.9825
    90456.29602.23560.0470.9897
    间歇加载30368.28440.52940.05120.9888
    60451.42563.48700.05810.9981
    90493.03624.91160.06020.9671
    下载: 导出CSV

    表  4  不同破坏次数对应的抗剪强度指标

    Table  4.   Shear strength indexes corresponding to different numbers of damage

    加载方式 Nf/次 cd/kPa φd/(°)
    连续加载 20 88.48 27.53
    100 84.04 24.83
    500 79.82 22.08
    2000 76.36 19.66
    间歇加载 20 90.41 28.64
    100 86.72 26.48
    500 83.18 24.29
    2000 80.25 22.37
    下载: 导出CSV
  • [1] WANG J H, LING X Z, LI Q L, et al. Accumulated permanent strain and critical dynamic stress of frozen silty clay under cyclic loading[J]. Cold Regions Science and Technology, 2018, 153: 130-143. doi: 10.1016/j.coldregions.2018.05.007
    [2] YANG D, ZHUANG X S, TAO G L, et al. Cumulative plastic strain and shakedown analysis in loess subgrades under intermittent loads[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2025, 190: 109224.1-109224.12.
    [3] XIAO Z H, LIAO H J, WEN Y, et al. Accumulative deformation behaviour of loess under cyclic loading[J]. Materials Research Innovations, 2011, 15(S1): s539-s542.
    [4] 崔凯,林维康. 非饱和混合土动剪切模量与阻尼比试验研究[J]. 西南交通大学学报,2016,51(5): 1033-1040. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.028

    CUI Kai, LIN Weikang. Experimental study on dynamic shear modulus and damping ratio for unsaturated mixed soil[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(5): 1033-1040. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.028
    [5] WANG H J, SUN P, LIU E L, et al. Dynamic properties of Tianshui saturated remolded loess: a laboratory study[J]. Engineering Geology, 2020, 272: 105570.1-105570.13.
    [6] 王铁行,郝延周,汪朝,等. 干湿循环作用下压实黄土动强度性质试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2020,39(6): 1242-1251.

    WANG Tiehang, HAO Yanzhou, WANG Zhao, et al. Experimental study on dynamic strength properties of compacted loess under wetting-drying cycles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(6): 1242-1251.
    [7] LIU X, QIN Z H, YANG J. Undrained cyclic behaviour of loess with initial shear stress: a focus on failure mode[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2023, 171: 107971.1-107971.11.
    [8] 田堪良,张慧莉,张伯平,等. 动扭剪荷载作用下非饱和黄土动力特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(24): 4151-4155. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2004.24.010

    TIAN Kanliang, ZHANG Huili, ZHANG Boping), et al. Experimental study on dynamic characteristics of unsaturated loess under dynamic torsional shear load[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(24): 4151-4155. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2004.24.010
    [9] 杨庆,王猛,栾茂田,等. 非饱和粉土静、动强度对比试验研究[J]. 岩土力学,2010,31(1): 71-75,80. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.01.013

    YANG Qing, WANG Meng, LUAN Maotian, et al. Experimental research of correlation on static and dynamic strength of unsaturated silty clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1): 71-75,80. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.01.013
    [10] 郑刚,霍海峰,雷华阳. 循环荷载后原状与重塑饱和粉质黏土不排水强度性状研究[J]. 岩土工程学报,2012,34(3): 400-408.

    ZHENG Gang, HUO Haifeng, LEI Huayang. Undrained strength characteristics of saturated undisturbed and remolded silty clay after cyclic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(3): 400-408.
    [11] 庄心善,赵汉文,陶高梁,等. 循环荷载下弱膨胀土累积变形与动强度特性试验研究[J]. 岩土力学,2020,41(10): 3192-3200.

    ZHUANG Xinshan, ZHAO Hanwen, TAO Gaoliang, et al. Accumulated deformation and dynamic strength properties of weak expansive soil under cyclic loading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(10): 3192-3200.
    [12] LI Y F, NIE R S, LENG W M, et al. Cumulative permanent strain and critical dynamic stress of silty filler for subgrade subjected to intermittent cyclic loading of trains[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2021, 80(4): 3079-3096. doi: 10.1007/s10064-021-02125-5
    [13] WANG Y P, ZHANG S J, ZHAO S P, et al. Plastic strain characteristics on frozen silty clay subjected to intermittent vehicle loads[J]. Transportation Geotechnics, 2023, 43: 101147.1-101147.11.
    [14] LIU J S, REN Y, ZHU K X, et al. Dynamic characteristics of freezing–thawing aeolian soil under intermittent cyclic loading[J]. International Journal of Geomechanics, 2023, 23(10): 04023171.1-04023171.12.
    [15] 庄心善,杨端,张博文,等. 间歇荷载下路基黄土累积塑性变形及刚度软化研究[J]. 铁道科学与工程学报,2025,22(4): 1576-1588.

    ZHUANG Xinshan, YANG Duan, et al. ZHANG Bowen, et al. Investigation of subgrade loess's cumulative plastic deformation and stiffness softening under intermittent loads[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2025, 22(4): 1576-1588.
    [16] 聂如松,董俊利,梅慧浩,等. 考虑时间间歇效应的粉土动力特性[J]. 西南交通大学学报,2021,56(5): 1125-1134.

    NIE Rusong, DONG Junli, MEI Huihao, et al. Dynamic characteristics of silt considering time intermittent effect[J]. Journal of southwest jiaotong university, 2021, 56(5): 1125-1134.
    [17] 王寒,黄雪峰,邱明明,等. 压实黄土高压力下湿陷变形特性试验研究[J]. 自然灾害学报,2023,32(1): 122-130.

    WANG Han, HUANG Xuefeng, QIU Mingming, et al. Experimental study on the deformation characteristics of compacted loess under high pressure[J]. Journal of Natural Disasters, 2023, 32(1): 122-130.
    [18] YANG J J, ZHU S Y, XU L, et al. A 3D train-track-tunnel-soil coupled dynamics model based on semi-analytical cylindrical layer element[J]. Computers and Geotechnics, 2025, 179: 106966.1-106966.120.
    [19] LI Y F, NIE R S, YUE Z R, et al. Dynamic behaviors of fine-grained subgrade soil under single-stage and multi-stage intermittent cyclic loading: Permanent deformation and its prediction model[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2021, 142: 106548.1-106548.12.
    [20] NIE R S, LI Y F, LENG W M, et al. Plastic deformation and critical dynamic stress of fine-grained soils under intermittent loading of trains[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(4): 828-841.
    [21] 吴遥杰,周浩东,宫全美. 间歇循环荷载下粉土路基动力特性及累积变形研究[J]. 华东交通大学学报,2022,39(4): 1-9. doi: 10.3969/j.issn.1005-0523.2022.4.hdjtdxxb202204001

    WU Yaojie, ZHOU Haodong, GONG Quanmei. Study on dynamic characteristics and accumulative deformation of silty subgrade soil under intermittent cyclic loading[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2022, 39(4): 1-9. doi: 10.3969/j.issn.1005-0523.2022.4.hdjtdxxb202204001
    [22] YANG D, ZHUANG X, LI X, et al. Effects of Lignin on the Dynamic Characteristics and Mechanisms of Silty Soil[J]. International Journal of Geomechanics, 2025, 25(6): 04025099. doi: 10.1061/IJGNAI.GMENG-10988
    [23] ANDERSEN K H, LAURITZSEN R. Bearing capacity for foundations with cyclic loads[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1988, 114(5): 540-555. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1988)114:5(540)
    [24] 中国机械工业联合会. 地基动力特性测试规范:GB/T 50269—2015[S]. 北京:中国计划出版社,2015.
    [25] 王兰民. 黄土动力学[M]. 北京:地震出版社,2003.
    [26] 陈存礼,杨鹏,何军芳. 饱和击实黄土的动力特性研究[J]. 岩土力学,2007,28(8): 1551-1556. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.08.005

    CHEN Cunli, YANG Peng, HE Junfang. Research on dynamic characteristics of saturated compacted loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(8): 1551-1556. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.08.005
    [27] AI X H, LUO F, MA W, et al. The study on the dynamic deformation characteristics of loess reinforced by nano-silica based on shakedown theory[J]. Construction and Building Materials, 2025, 458: 139546.1-139546.17.
    [28] SOBCZYK K, CHMIELEWSKI R, KRUSZKA L, et al. Strength Characterization of Soils’ Properties at High Strain Rates Using the Hopkinson Technique—A Review of Experimental Testing[J]. Materials, 2021, 15(1): 274. doi: 10.3390/ma15010274
    [29] WANG B, DONG J, LUO C X, et al. Study of soil strength variation patterns under temperature changes using piezoelectric testing technology[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2024, 83(12): 513.1-513.18.
    [30] DENG L S, ZHANG C, FAN W, et al. Three-dimensional microstructure evolution of loess liquefaction based on the μm-CT quantitative observations[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2024, 178: 108442.1-108442.12.
  • 加载中
图(10) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  34
  • HTML全文浏览量:  19
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-13
  • 修回日期:  2025-03-03
  • 网络出版日期:  2025-06-26

目录

/

返回文章
返回