一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法
【专利摘要】一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法。该方法采用砖墙和砂袋构筑模型填土，与加载设备和位移传感器等组成试验系统，对填土模型进行循环加载试验，得到累积变形随荷载作用次数的变化曲线；进而计算得到分段单次加载平均变形量随荷载作用次数的变化曲线,并采用负幂函数拟合，获得幂指数Pi值随荷载水平变化的关系曲线，通过三次多项式回归得到Pi值与荷载水平之间的函数关系式，反算得P等于2、1、0所对应的荷载水平即为区分累积变形不同演化状态的荷载阈值σt1、σt2、σt3。其中，σt1、σt2能分别为铁路无砟、有砟轨道基床结构的设计与维护提供试验依据。该方法具有模型制作方便、造价低廉、操作简单、其判别准则明确，得到的荷载阈值更准确、可靠。
【专利说明】一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法，属于土工试验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]铁路路基结构的上部即基床部分，长期承受来自列车荷载的循环作用，产生的累积变形会严重影响轨道结构的平顺性，进而影响行车速度及行车安全。因此，必须限制基床的累积变形。我国现行规范要求无砟轨道路基总的工后沉降不大于15mm，它主要是为路基结构下面的地基的工后沉降考虑的，也即要求基床结构不能发生明显的累积变形。对于有砟轨道结构，在长期的运营过程中，可通过起拨道、垫砟、振捣等工务维修方式来保持轨道结构的平顺性，允许有一定的累积变形产生，但为了保证铁路的高效运行及线路的有效利用，也要求基床结构累积变形及其发展速率必须在较低的水平内，并在一定的使用年限内逐渐趋于稳定而不至于发生破坏。因而，如何控制基床结构在循环荷载作用下的累积变形，使其满足线路结构的正常使用要求，是修建包括高速铁路在内的高等级铁路的关键技术之一。就目前人们对土工填料本构模型的认识水平以及模型参数存在极大变异性的现实条件，通过精确计算出长期循环荷载作用下基床结构的累积变形值，进行基床结构设计的方法，既困难也不可靠。已有文献资料表明，土工填料在循环荷载作用下其累积变形将呈现出不同的演化状态。通过测定出构筑基床结构的土工填料在循环荷载作用下其累积变形不同演化状态的荷载阈值，使得基床结构承受的列车循环荷载作用水平小于相应的荷载阈值，从而使基床结构累积变形得到有效控制的思路，从理论上和实际操作中都是切实可行的。对于无砟轨道基床结构要求不发生明显累积变形，即累积变形的演化处于快速稳定状态；对于有砟轨道基床结构允许有一定的累积变形产生但须保证基床结构不至于破坏，即累积变形的演化处于缓慢稳定状态。
[0003]现有技术中，对于循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的分类主要包括以下两种:其一是两状态划分，即不同荷载水平下累积变形演化呈稳定或破坏状态；其二是三状态划分，即低荷载水平下处于稳定状态，高荷载水平处于破坏状态，在稳定与破坏状态之间存在一个临界状态，即累积变形演化是趋于收敛或发散的不确定状态。应该来讲，这些状态的划分很难与不同等级铁路基床结构累积变形状态控制要求相对应，尤其是无砟轨道的不可维修性，需要基床结构满足快速稳定的状态控制要求更是无据可依。另外，对于累积变形演化状态的区分，现有技术多采用动三轴仪进行循环加载试验，得到累积变形随荷载作用次数的变化曲线。通过观察累积变形曲线形态在半对数坐标下的“凹凸”变化等特征来描述相应的状态，估计相应的荷载阈值。存在以下不足:(I)由于动三轴仪试验设备价格较为昂贵，尤其是用于开展粗颗粒土工填料试验的大型动三轴仪，大多数土工试验室和科研院所没有配备。再加之试验操作相对繁琐，对试验人员的专业素养要求较高，难以大规模在工程设计中普及；(2)受三轴试验试样尺寸偏小和传感测试精度的限制，难以获得10_4?10_6小应变条件下的力学响应数据；(3)确定累积变形演化状态的荷载阈值缺乏明确的判别标准，导致对试验结果分析存在较大的随意性和主观性。因而，提供一种简单、明确的试验方法确定循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的荷载阈值，为构建基于累积变形控制的铁路基床结构设计方法奠定基础，在国内大规模建设高速铁路及中国高铁技术“走出去”战略大力推进的今天，具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，提供一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法。该方法所需试验条件以及试验操作相对简单，测出的荷载阈值更可靠、准确，能为铁路基床结构的设计与维护提供更可靠的试验依据。
[0005]本发明实现其发明目的所采用的技术方案是:一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法，包括以下步骤:
[0006]A、试验准备
[0007]Al、模型填土边壁构筑:在刚性基础上浆砌砖墙形成正方形的模型填土腔，模型填土腔的边壁间互不搭接，所述的边壁的宽和高均为90cm，并在边壁的外侧紧贴、码砌砂袋，码砌砂袋的总高度≥90cm ；
[0008]A2、模型填筑:将试验土工填料在模型填土腔内按预定压实度分层填筑模型，每层填筑厚度为10~30cm,模型填筑总高度为90cm ；
[0009]A3、加载板 安放:在填筑的模型上表面中心位置安放刚性的直径为30cm的圆形加载板；
[0010]A4、位移传感器布设:在圆形加载板上表面边缘均匀布设三个位移传感器，位移传感器与数据采集系统电连接；
[0011]B、试验加载及数据采集
[0012]B1、K30值测定:用循环加载设备通过圆形加载板对模型加载，并用位移传感器测出圆形加载板的下沉量，据以测出模型的地基系数K3tl值；
[0013]B2、每级循环加载的荷载幅值确定:根据测出的地基系数K3tl(MPaAi)值，得出最大循环荷载的预估幅值σ max(kPa)，Omax = 2.4K30+15 ;进而得出每级循环加载的荷载幅值ο i，
[0014]σ i = Ki σ max
[0015]式中:i一循环加载的级数序号，i = 1，2，3，...，11 一加载比例系数;其取值范围为，当 i = I ~3 时，0.051≤1^〈0.05(1+1);当1 =4 ~11 时，0.1 (i_2) ^ K^0.1 (i_l)。
[0016]B3、循环加载:用循环加载设备通过圆形加载板对模型进行逐级循环加载，直至模型破坏；其中，每级循环加载的加载次数N为10万次，荷载幅值为B2步得到的每级循环加载的荷载幅值σ y
[0017]Β4、每级循环加载过程中通过数据采集系统同步采集三个位移传感器测得的每级循环加载圆形加载板沉降量随加载次数的变化数据；
[0018]C、荷载阈值确定
[0019]Cl、将Β4步三个位移传感器测得的变化数据平均，获得每级循环加载时模型的竖向累积变形Si随加载次数N的关系曲线，即Si~N曲线；[0020]C2、根据Cl得到的每级循环加载时的Si~N曲线均分为10段，每段的加载次数为一万次，将每段的总变形量Λ Si除以每段的加载次数ΛΝ= 10000，得到各段单次加载平均
变形量
【权利要求】
1.一种测定循环荷载下土工填料累积变形状态荷载阈值的方法，其操作步骤为: A、试验准备 Al、模型填土边壁构筑:在刚性基础上浆砌砖墙形成正方形的模型填土腔(1)，模型填土腔(I)的边壁间互不搭接，所述的边壁的宽和高均为90cm，并在边壁的外侧紧贴、码砌砂袋(2)，码砌砂袋⑵的总高度≥90cm ； A2、模型填筑:将试验土工填料在模型填土腔(I)内按预定压实度分层填筑模型(3),每层填筑厚度为10~30cm,模型(3)填筑总高度为90cm ； A3、加载板安放:在填筑的模型(3)上表面中心位置安放刚性的直径为30cm的圆形加载板⑷； A4、位移传感器布设:在圆形加载板(4)上表面边缘均匀布设三个位移传感器(5)，位移传感器(5)与数据采集系统电连接； B、试验加载及数据采集 BUK3tl值测定:用循环加载设备(6)通过圆形加载板⑷对模型(3)加载，并用位移传感器(5)测出圆形加载板⑷的下沉量，据以测出模型(3)的地基系数K3tl值； B2、每级循环加载的荷载幅值确定:根据测出的地基系数K3tl (MPa/m)值，得出最大循环荷载的预估幅值σ max(kPa), σ max = 2.4K30+15 ;进而得出每级循环加载的荷载幅值σ i;σ.= K- σ
I ΑΥι max 式中:1一循环加载的级数序号，i = I, 2, 3,..., 11 ；Kj一加载比例系数；其取值范围为，当 i = I ~3 时，0.05i ( Ki<0.05(i+l);当 i = 4 ~11 时，0.1 (i_2) ( K^0.1 (i_l)。 B3、循环加载:用循环加载设备(6)通过圆形加载板(4)对模型(3)进行逐级循环加载，直至模型破坏；其中，每级循环加载的最大加载次数为10万次，荷载幅值为B2步得到的每级循环加载的荷载幅值σ i ; B4、每级循环加载过程中通过数据采集系统同步采集三个位移传感器(5)测得的每级循环加载圆形加载板(4)沉降量随加载次数的变化数据； C、荷载阈值确定 ClJfM步三个位移传感器(5)测得的变化数据平均，获得每级循环加载时模型的竖向累积变形Si随加载次数N的关系曲线，即Si~N曲线； C2、根据Cl得到的每级循环加载时的Si~N曲线均分为10段，每段的加载次数为一万次，将每段的段内总变形量Λ Si除以每段的加载次数ΛΝ= 10000，得到各段单次加载平均变形量
【文档编号】G01N3/32GK104020063SQ201410256612
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】罗强, 刘钢, 张良, 蒋良潍, 熊勇, 孟伟超, 侯振斌, 卢良青, 李 浩, 邹亮明 申请人:西南交通大学