高频循环荷载作用下砂土抗剪强度试验研究.pdf
《高频循环荷载作用下砂土抗剪强度试验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高频循环荷载作用下砂土抗剪强度试验研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第45卷第8 期2023年8 月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.8August2023文章编号:10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)0 8-0 147-0 9高频循环荷载作用下砂土抗剪强度试验研究陕耀-2,陈平1.2 3,周顺华1-2,叶伟涛1-2,代宁1.2(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海2 0 18 0 4;2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室,上海2 0 18 0 4;3.中铁城市发展投资集团有限公司,四川成都6 10 2 18)摘要:路基填料的力学性质在车致振动下会发生显著变化,既有车速为35
2、0 km/h的高速铁路路基动力异常现象正逐步显现。当车速接近40 0 km/h甚至更高时,高速铁路路基振动响应的高频成分更为显著,探究高频振动下散体材料强度的变化规律有助于揭示路基潜在的动力隐患。为研究高频振动作用下散体材料的强度变化规律,选用材料参数变异性小的平潭标准砂进行一系列三轴试验,将试样通过静力加载至近临界状态后附加高频循环荷载,研究高频循环荷载作用下砂土残余抗剪强度特性,及振动强度、有效围压、初始相对密实度、含水率、振动频率等因素对残余抗剪强度损失的影响。试验结果表明:附加高频循环荷载会引起砂土试样残余抗剪强度的损失,即静态与振动稳定后残余抗剪强度之差。关键词:高速铁路路基;高频循
3、环荷载;砂土;三轴压缩试验;残余抗剪强度损失中图分类号:TU411.8;U213.1Experimental Study on Shear Strength of Sand underSHAN Yao,CHEN Ping.,ZHOU Shumhua,YE etao,AI Ning.(1.Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Key Laboratory of Road and Traffic Eng
4、ineering of the Ministry of Education,Shanghai 201804,China;3.China Railway Urban Development Investment Group Co.,Ltd.,Chengdu 610218,China)Abstract:The mechanical properties of subgrade fillers will change significantly under vehicle-induced vibration,andthe dynamic anomalies of the subgrade of ex
5、isting high-speed railways with the operation speed of 350 km/h are gradual-ly emerging.At the train speed of 400 km/h or above,the high-frequency component of the vibration response of thehigh-speed railway subgrade is more significant.Hence,exploring the variation law of the strength of the bulk m
6、aterialunder high-frequency vibration is helpful to reveal the potential dynamic hazards of the subgrade.In order to investigatethe change law of the strength of bulk material under high-frequency vibration,the Pingtan sand with low parameter vari-ability was used to conduct a series of triaxial tes
7、ts.The specimens were firstly statically loaded to a near critical state be-fore additional high-frequency cyclic load was added to the specimens,to study the characteristics of the residual shearstrength of the sand under high-frequency cyclic load,as well as the impact of factors such as vibration
8、 intensity,effec-tive confining pressure,initial relative density,moisture content,and vibration frequency on the loss of residual shearstrength.The results show that the additional high-frequency cyclic load will cause the loss of the residual shear strengthof the sand specimens,which is the differ
9、ence from the residual shear strength between static load and high-frequencycyclic load.Key words:high-speed railway subgrade;high-frequency cyclic load;sand;triaxial compression test;residual shearstrength loss收稿日期:2 0 2 1-0 7-14;修回日期:2 0 2 2-0 3-11基金项目:国家自然科学基金(517 6 113510 9);上海市科技计划项目(2 1142 2 0
10、 0 40 0)作者简介:陕耀(19 8 4一),男,山东济宁人,副教授,博士。E-mail:shanyao 文献标志码:AHigh-frequency Cyclic Loadingdoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.08.016颗粒土常受车辆交通振动、地震、爆破、施工作业、机械振动等的影响。例如,高速列车的振动会导致路基局部沉降甚至破坏,严重影响高速列车运行的平稳148性和行车安全性-3。当车速从350 km/h提高至400km/h,甚至再往上突破时,由高频振动所引发的路基土体动力学问题将会愈加突出。列车振动引起的弹性波在土体内扩散和传播,会导致土体颗粒间的摩
11、阻力下降,从而导致土体产生显著变形并影响上部以及邻近结构4-10 。目前,车致高频循环荷载作用所引起的轨下基础散体材料的物理力学机制,尤其是土体的强度变化尚不明确。因此,通过高频循环振动下的散体材料力学行为的研究,可以对高铁路基的局部破坏和沉降中颗粒土的受力和变形特性产生新的认识。振动中颗粒土的强度不仅取决于振动特性,如加速度、频率和振幅,还与颗粒土的物理性质,如含水量、粒度分布、颗粒形状、相对密度或孔隙比、颗粒土的黏聚力和内摩擦角等因素有关。除此之外,散体材料的振动特性在地震、振动流化床以及其它物理力学领域也存在相应的问题1-2,国内外学者采用室内模型试验、动直剪试验和动三轴试验等手段,研究
12、了振动作用对颗粒材料尤其是砂土强度特性的影响。Barkanl 通过改进的动直剪仪研究了水平振动对砂土抗剪强度参数的影响,研究表明,振动强度是决定砂土内摩擦角和孔隙率大小的主要参数,并且砂土的内摩擦角和孔隙率都随振动强度的增大而不断减小。Grossman12 认为振动会引起颗粒材料的流动,并将其归因于颗粒和界面之间的非弹性摩擦作用。Au-maitre等13 研究了颗粒材料在正弦振动下的力学行为,结果表明加速度对颗粒运动状态影响较大。Raihane等2 的试验结果证实了文献13的研究结论。Johnson 等14-15 对玻璃微珠开展了振动直剪试验,发现高频振动会引起颗粒材料结构的破坏,导致剪切应力
13、下降。Denies等16-17 发现振动会导致砂土抗剪强度显著降低,并将砂土的运动分为3类:当垂直振动的加速度幅值小于1g时,砂土表现为振动压缩;当加速度幅值接近1g时,砂土自由表面的颗粒产生流动;当加速度幅值大于1g时,砂土会发生对流和分层。最近,文献18-19 通过改进的动直剪试验发现结构面的粗糙度对砂土试样强度有显著影响。此外,Taslagyan等2 0-2 1 通过改进动直剪仪研究了一系列不同正应力下振动强度对干砂抗剪强度的影响,统计了砂土在剪切作用下的峰值、残余和振动残余强度,结果表明:振动强度的增大有效降低了颗粒材料在峰值和残余状态下的内摩擦角。但由于直剪试验难以真实地反映三轴应力
14、状态下振动对砂土抗剪强度的影响,且砂土在残余剪切强度下,各影响因素(如振动强度、有效围压、初始相对密实度、含水率和振动频率等)对砂土残余抗剪强度指标的影响,未发现有相关文献展开铁道学报研究。因此,本文采用自主研制的静载与高频循环荷载耦合作用三轴仪2 3-2 41,以国内常见的福建平潭标准砂为研究对象,对砂土在振动条件下的残余抗剪强度损失展开研究,分析振动强度、有效围压、初始相对密实度以及含水率和振动频率等因素对砂土残余抗剪强度损失的影响,探索砂土在高频循环荷载作用下的力学特性。1试验装置试验采用可以施加高频循环荷载的三轴仪,系统构成主要包括:加载系统、控制系统、测量和数据采集系统,以及围压控制
15、系统。试验装置见图1。静荷载传感器动荷载传感器音圈电机激振器加速度传空气感器压缩机激光位移传感器加载杆体应变测量系统围压控制器图1试验装置静力加载系统类似常规静力三轴仪的结构,以恒定的轴向应变速率加载。静力加载系统包括下部加载控制台、试样底座、反力架、围压控制系统,动力加载系统主要包括音圈电机、传力杆。音圈电机安装在荷载传感器和试样之间,振子受电流驱动,产生安培力,其振动方向为试样同轴方向。控制系统采用音圈电机驱动器,包括直流电源、精密信号发生器和功率放大器。测量和数据采集系统包括静荷载传感器、动荷载传感器、激光位移传感器、加速度传感器、动力测试分析系统。动荷载传感器用来测量振动过程中动应力幅
16、值,加速度传感器用来测量试验振动过程中加速度幅值。动荷载传感器与加速度传感器的采集频率均为500Hz。激光位移传感器采集频率可达2 0 0 0 Hz,记录振动过程中试样的位移幅值以及由振动引起试样的压缩变形情况。所有传感器都连接到一个动力测试分析系统,来分析加速度、轴向位移以及动应力的响应情况。试验系统相关介绍和可靠性见文献2 3-2 4。第45卷反力架三轴压力室反压控制器第8 期2试验材料与方法2.1试样材料本文试验对象为通用的福建平潭标准砂,其颗粒级配曲线见图2。由图2 可知,试验所用平潭标准砂为中砂。平潭砂的基本物理指标和颗粒形状分别见表1、图3。10090%80605040302010
17、0101表1平潭标准砂基本物理指标颗粒密度G/物理最大孔隙最小孔隙不均匀系指标(g:cm)数值2.65陕耀等:高频循环荷载作用下砂土抗剪强度试验研究L100粒径/mm图2 颗粒级配曲线2 3比emax比emin0.8760.584149完全饱和。通过反压控制方式施加加压,为了保证试样充分饱和,反压从0 kPa逐级加载至10 0 kPa,以溶解水中的滞留空气,直到SkemptonB值不小于0.9 6,即试样达到完全饱和。在试样饱和的过程中,试样的有效应力不得低于10 kPa,以防止试样发生变形甚至塌陷。试样在10 0 kPa的有效固结围压下直至没有额外的体积变形即完成固结。饱和砂试样制备方法见图
18、4。小勺加砂饱和砂土10-1102曲率系数C.数C。1.2351.461轻敲使试样密实图4饱和砂试样制备方法2 32.3试验方法试验采用应变控制模式,试样首先以恒定剪切速率u=0.1 mm/min进行单调剪切,直至试样接近临界状态。再通过音圈电机对试样施加一定时间的动荷载,加载频率和能量通过计算机端控制。试验过程中,砂土的加速度、应力和应变分别通过加速度传感器、动荷载传感器和位移传感器采集。试验加载示意见图5。加速度时间GIEC20-375.0kV8.0mmx30SE(M)2020-8-515:13图3平潭砂颗粒形状2 32.2试样制备三轴试样为圆柱形,尺寸为50 mm100mm(D H),干
19、砂试样采用干法制备2 5。制样时,试样通过分层压实至所需密度,当每层加至预定高度,通过小锤轻轻敲击对开模外壁使试样表面平整。制样结束后,通过给试样内部施加负压保证试样保持原状。饱和砂土试样采用湿法制备。制样前,用无气水覆盖砂土并煮沸,使砂土内空气完全排尽。待其冷却后,按文献23制备饱和砂土试样。当加砂完成时,通过轻轻敲击对开模使砂土试样达到指定高度,以控制饱和试样初始相对密实度。值得注意的是,加砂过程需保证砂土始终位于液面以下,从而减少空气进入,提高饱和度。当试样装载至三轴仪后,采用反压饱和法使试样00mm单调加载位移时间图5试验加载示意由图5可知,随着单调加载的进行,偏应力逐渐恢复至振动前的
20、应力水平,再重复前述加载步骤。然而,试样轴向应变越大,试样内部各向异性越明显,此时试样与进人临界状态初期时的性质差异显著,从而试验结果差异较大。为避免因试样充分剪切使得轴向应变过大而影响试验结果,本文试验的最终轴向应变不超过15%。Zhai等【2 6 通过现场实测发现京沪高铁路基土体的高频成分主要集中于2 0 6 0 Hz。为反映振动高频成分的影响,在研究加速度与抗剪强度损失的关系时,选取6 0 Hz作为试验的加载频率。Dai等2 3 的试验结150果表明,振动时间(10 30 s)对偏应力降低的影响不大,故本试验选择的振动时长为10 s。由于土体性质受众多因素的影响,本文还考虑不同初始相对密
21、实度、有效围压、含水率、振动频率等因素对砂土在高频循环荷载作用下的力学特性的影响,试验方案见表2。表2 试验方案试验影响因素初始相对密实度D,有效围压/kPa施加振动时的偏应力状态频率/Hz加速度幅值/g振动持续时间/s3试验结果分析根据无黏性土库伦公式=tanp,其中,T为静力剪切的剪切力;为正应力;内摩擦角为强度指标,强度损失体现为内摩擦角减小。故本文确定研究对象为内摩擦角减小值,以反映强度损失状况。采用有效应力法计算振动前砂土的内摩擦角,通过有效围压分别为30、50、7 0 kPa条件下的静三轴试验,得到平潭标准砂的应力-应变关系。当试样剪切至残余应力状态时,基于偏应力与有效围压可计算得
22、到轴向应力,最终得到莫尔应力圆和残余抗剪强度包络线,干砂与饱和砂的残余抗剪强度包络线见图6。由图6 可知,当D,=0.4时,干砂的残余内摩擦角9 1=36.66;当D,=0.7时,干砂的残余内摩擦角9 2=36.44;当D,=0.4时,饱和砂土的残余内摩擦角?3=铁道学报300200F100范围0.4,0.73050.70残余应力状态11000.01 0.2610第45卷一莫尔圆切线y=0.744x-0.500100200a/kPa(a)干砂D,=0.4300一莫尔圆切线200ed/1000300一莫尔圆切线200J-0.778x-4.0001000300一莫尔圆切线200300=0.738x
23、0.900100200a/kPa(b)干砂D,=0.7100200/kPa(c)饱和砂土D,=0.4-4.80040030040030040037.88;当D,=0.7时,饱和砂土的残余内摩擦角94=38.39。干砂在D,=0.7、;=50 k Pa 时的偏应力、竖向加速度与加载时间的关系曲线见图7。当试样经历单调剪切至残余应力状态时,对试样施加正弦荷载。振动强度通常用无量纲加速度a/g表示,其中,为振动加速度;g为重力加速度。由图7 可知,当D,=0.7、;=50 kPa的干砂试样单调剪切至残余应力状态时,对试样施加6 0 Hz循环荷载,试样很快发生强度损失。而随着振动持续,干砂试样强度基本
24、保持不变。当振动停止后,随着单调剪切继续发展,试样强度逐渐恢复至振前水平。即施加的高频循环荷载对干砂试样振动前后的抗剪强度没有长期影响,甚至还可能产生轻微的应力硬化(振后的强度比振前的强度更高)。然而,振动确实降低了试样的抗剪强度,因此,把振动达到稳定状态时试样的残余抗剪强度称为振动残余抗剪强度,对应的砂土内摩J=0.792.x-100100(d)饱和砂土D,=0.7图6 三轴试验不同D,残余抗剪强度包络线20070.80.615019018017010016015014012.612.813.013.213.413.650轴向应变/10 202图7 残余应力状态下的振动响应200/kPa0.
25、106g偏应力加速度14681012141618轴向应变/10-23000147g.0.151g0.20.24000.40第8 期擦角称为振动残余内摩擦角18.2 1。振动过程中产生的剪切力T的表达式为T=tanpdiAP;=P;-Pdi式中:;为振动前的砂土内摩擦角值,i=1,2,3,4;9ai为振动稳定时的砂土内摩擦角值;为振动前与振动稳定时砂土内摩擦角的差值,即砂土单调剪切内摩擦角与振动残余内摩擦角的差值。为便于单位统一,将内摩擦角的减小进行归一化处理,从而定义新的变量/;为内摩擦角降比,以更好地反映砂土内摩擦角衰减比例,也间接反映残余抗剪强度损失比例。由于饱和砂土试验现象与干砂土相似,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高频 循环 荷载 作用 砂土 强度 试验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。