1、客运铁路路基黏土静三轴实验概述第1章绪论1.1前言新中国成立以后，铁路建设有了很大的发展，在路建设、线路状况、技术准备和运输效率上，取得了显著的成就。铁路在内陆运输中占有重要位置，为了发展经济，在部分待开发、但客货运量不是很大的地区修建一定等级的铁路必将带动本地经济的快速发展，诱发社会客货运量的持续增长，进而提高铁路运输的经济效益。特别是改革开放以来，中国经济走上了持续、快速发展的道路，政府逐步加大了铁路建设的力度。为了满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间快速客运通道，未来10年建设快速客运将是铁路发展的重点任务。为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路要扩大规模，完善结构，提高
2、质量，快速扩充运输能力，迅速提高设备水平。特别是在2007年，完成了我国铁路大面积的第6次提速，客运专线建设全面展开。近年来，高速铁路的快速发展，对铁路路基提出了更高的要求。高速铁路无诈轨道对路基的要求主要体现在对线路长期稳定性和沉降变形的严格控制上，包括路基和地基在静载作用下的工后沉降，以及在长期动力荷载作用下的附加沉降。路基的动力稳定性和后续沉降变形对无碎轨道上部结构的安全性、耐久性具有控制作用，所以应将其视为建设无碎轨道的最基本条件之一。要满足路基适用性要求，除了与满足路基功能性要求共有的填料适用性和填筑质量要求外，特别应重点考虑路基动力承载力、长期动力稳定性和沉降变形方面的要求。路基是
3、轨道的基础，又是铁路的关键工程。它由路基本体、机床、排水设施、地基及附属建筑物五大部分组成。路基所处的状态，对运输效率和行车安全影响极大。路基土石方由三相不均质材料组成，兼具弹性、塑性和點性，其性质复杂多变，材料强度和结构问题都难于掌握。路基又处在自然环境中，受各种不良地质现象、暴雨、温度、地震和洪水的影响，这些都造成了路基工程的复杂性3。为此，路基工程设计必须符合地质及岩土的实际情况，才能保证安全与经济。岩土的工程性质直接影响到土工结构物的设计施工、工程造价和养护费用。为全面了解此特性，需测定其物理力学指标，其中以抗剪强度最为重要。土的抗剪强度是研究在极限状态下，一部分土体对另一部分的剪切破
4、坏和滑动问题。性土兼有摩擦力和點聚力，此力来源于：1)天然土体中的胶结物质，特别是不溶盐所引起的抵抗，但经过剪切破坏后能恢复的很少。2)胶粒和强结合水所引起的點聚力，它和土的密度、含水量有关，变化范围很大。1.2选题背景和意义路基处于复杂多变的自然条件之下，例如：地质、水、降雨、气候、地震等条件，导致其时刻受到自然条件变化的侵袭和破坏。而且路基本身就是由松散的土石）等材料构成，所以路基本身的强度和稳定性也是在不断地变化。其工程性质对周围的环境条件变化十分敏感，抵抗能力较差41。路基所受的荷载主要包括两方面：一是，轨道静荷载；二是，列车动荷载。列车荷载的特点是多次重复作用。路基土在动荷载的长期作
5、用下，产生累计变形，而且土的强度会降低，出现疲劳的特性。路基的刚度与轨道结构比起来，相差甚远，在上部荷载作用下，这样的联结结构形式，抵抗动荷载的能力弱。早年修建铁路路基，虽然也采用相应夯实措施，但未应用土力学、工程地质学等专业知识，遇到问题多采用经验进行处理，缺乏理论知识支撑，因而发生过很多破坏与错误，导致工期延误、资金浪费和运输受阻。土的强度是土的重要力学指标之一。铁路路基中土层的承载能力由强度确定，天然土坡等的边坡稳定性以及是否产生滑坡，也是由强度来控制的。因此，对土的强度进行试验研究，是土工试验必不可少的工作。但是，由于岩石风化成土的模式千差万别，土的组成、结构构造和由此而形成的特性也是
6、各不相同的，再加上外部条件，如加载方式、排水条件、作用时间、温度湿度等因素的影响，因此，欲正确确定土的强度也并非易事。通常是在实验室通过各种试验方法测定土的应力-应变曲线，以此来确定土强度的高低。土的工程性质是十分复杂的。土的种类繁多，任何一种土的工程性质又随它所处的状态和外界条件的变化而有显著差异。在没有深入了解土的力学性质的变化规律以及没有条件进行复杂的计算以前，将土工问题的解决办法作一定程度的简化有助于实际问题的解决。相对来说，由于土的力学性质复杂，使得对本构模型的研究和计算参数的确定远远落后于计算技术的发展，因为计算参数选择不当所引起的误差，也往往大于计算方法本身的精度范围，所以计算参
7、数的确定就显得尤为重要5。第2章试验点概况与试样制备2.1吉珲铁路试验点概况2.1.1地形地貌与地层岩性土工试验中所用的土样分为两大类：原状土样和扰动土样。原状土样要求它的粒度、湿度、密度和结构均不改变其在土层中原有的存在状态，扰动土样则只要求保持土的粒度不变。实际上，当把土从土层中取出来，就必然使土原来的应力得到释放，从而导致土的密度、结构状态发生变化，影响试验结果中的强度和变形。为了补偿应力释放的影响，在试验时先向试样施加一个等于原土层压力的数值，使其恢复到天然应力状态，作为试样的初始状态。原状土样要求在掘取、包装、运输和保存过程中不受到人为或温度引起的扰动。深层采样需要在钻孔中的不同深度
8、上，用专门的取土器按照要求的步骤采取土样。深层土样一般要在地下水位以下采样。深层采取原状土样的技术除了需要防止在钻孔、压入和拔出取土器时可能的人为扰动外，最主要的问题是专门取土器的设计。虽然，深层采取原状土样的质量同样与采样、运输和储存以及制备试样成型和装入仪器等各个环节有关，但在采样时，从钻孔的方法、取土器的特征、取土器压入和拔出的方法等各个环节上确保土样质量也是非常重要的。对釆取得到的原状土样，除需对其进行编号、包装，注明部位、日期和釆样者，用铺质纸、墨笔写好标签，分别装入和贴于取土容器上等要求外，还必须保证在土样掘采、包装、运输和保存过程中不使其受到人为或温度引起的扰动，存放于地下室或阴
9、凉潮湿的地方备用；土样在运输过程中要避免受震、受冻或淋湿，小心轻放，谨防倒置，专人护送等。此原状样采用标准贯入式取土器，见图2-1。贯入式取土器一般分为敞口式和活塞式。敞口式取土器一般由土管取样管和废土管）和刃脚连接组成，有薄壁式、复壁式、束节式之分。图2-2为原状土采样的实物图，图2-3为从土层中取出的原状土样。第3章三轴试验分析.183.1引言.183.2静三轴试验基本原理.183.3静三轴试验方法.203.4试验数据处理.223.4.1静强度及其破坏标准.223.4.2试验误差因素分析及处理.243.5饱和试样测试数据处理与分析.2833.6非饱和试样测试数据处理与分析.523.7静三轴
10、试验和直剪试验对比分析.643.8本章小结.65第4章本构模型参数分析.674.1Duncan-Chang 模型.674.2Domaschuk-Valliappan 模型.734.3剑桥模型.794.4本章小结.86结论路基是轨道的基础，也叫线路下部结构。它必须具有足够的稳定性与耐久性，即在其本身静力作用下不应发生过大沉降；在车辆动力作用下不应发生过大弹性或塑性变形。路基所处的各种复杂地形、地质、水文与气象条件，对铁路的行车安全和使用寿命都有很大的影响，优质路基填料的缺乏而不得不使用细颗粒土来代替。因此全面掌握细颗粒土的物理力学特性意义重大。本文对取自吉珲铁路客运专线和武广高速铁路武汉试验段的
11、粉质黏土进行了相关静三轴试验研究，较全面地测定了土的物理力学参数，得到如下结论：(1)所有的室内土工试验都需要做好试验所用土样的采取与试样的制备工作。土样和试样是土工试验的核心，土样和试样的代表性是保证土工试验的关键；原状土样的采样一般可在开挖的试坑或探井中进行，但需视取土深度、土类别和地下水位的情况采用不同的方法。当在地下水位以下釆取點性土的原状土样时，需要辅以降低地下水位的措施；为了提高采样的成功率，防止采得的土样由取样管脱落，通常采用的方法有负压封口法、泥奖封口法、络封口法等；削样采用人工削样法，将从土层中取出的标准土样直径lOmm，高度20_)架在削样器上，借助削土刀，匀速转动试样，均
12、勻消除土样的外侧土，直至试样直径在50mm左右。然后从中取出一个直径50mm，高度100mm的三轴试样。(2)在三轴固结不排水试验中，不同的破坏标准所得到的抗剪强度指标不同，而且对點聚力取值影响较大，对内摩擦角影响较小；以峰值偏应力标准所得抗剪强度为基准，采用有效应力法时，极限应变标准偏小1.7%-6.3%，孔隙水压力标准偏小3.8%-?21.2%,峰值有效主应力比标准偏差0.3%-13.1%，有效应力路径标准偏差0.2%-4.8%;采用总应力法时，极限应变标准偏小1.1%-4.7%，孔隙水压力标准偏小21.5%-39.4%，峰值有效主应力比偏小6.0%?20.0%。(3)在剪切过程中，试样随剪切荷载的增加逐渐由弹性状态转变为轴向出现塑性变形，当轴向应变达到一定程度后，试样侧向也慢慢出现塑性变形，随后试样体积膨胀，直至孔压下降试样被剪坏，试样侧向变形与体积膨胀状态相继出现。以峰值有效主应力比作为破坏标准，则此时对应的偏应力视为极限静强度。径向幵始变形，对应的静强度发挥度约为45.19%。而剪胀开始位于径向变形之后，也就是把体积开始减小的临界点作为剪胀特征点，其静强度发挥度约为76.51%。
