測(cè)定靜載下鐵路路基土體變形狀態(tài)荷載閾值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)定鐵路地基土體變形狀態(tài)荷載閾值的方法，屬于土工試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路路基的工后沉降會(huì)嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)的幾何平順性，進(jìn)而影響行車(chē)平穩(wěn)性及 安全性。鐵路路基沉降的主要原因?yàn)榈鼗苈返痰壬喜拷Y(jié)構(gòu)自重的長(zhǎng)期作用而產(chǎn)生變形。 對(duì)于有砟軌道鐵路，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可通過(guò)起撥道、墊砟、振搗等工務(wù)維修方式來(lái)保 持軌道結(jié)構(gòu)的平順性，因此，允許地基有一定的變形產(chǎn)生。但為了保證鐵路的高效運(yùn)行及線 路的有效利用，要求有砟軌道鐵路地基處于緩慢穩(wěn)定的變形狀態(tài)；對(duì)于無(wú)砟軌道高速鐵路， 我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求路基及過(guò)渡段的工后沉降不大于5?15_，并且快速收斂，也就是要求 無(wú)砟軌道高速鐵路路基處于快速穩(wěn)定的變形狀態(tài)。因此，如何測(cè)定靜載下緩慢穩(wěn)定與緩慢 破壞的變形狀態(tài)間的荷載閾值、快速穩(wěn)定與緩慢穩(wěn)定的變形狀態(tài)間的荷載閾值，是修建鐵 路尤其是無(wú)砟軌道高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 路基工后沉降的發(fā)展過(guò)程具有復(fù)雜非線性特性，以目前人們對(duì)土體本構(gòu)模型的認(rèn) 識(shí)水平以及模型參數(shù)存在極大變異性的客觀現(xiàn)實(shí)，通過(guò)計(jì)算得出地基快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定 和緩慢破壞三種變形狀態(tài)的兩個(gè)荷載閾值，既困難也不可靠?，F(xiàn)有技術(shù)，多采用小尺寸試樣 長(zhǎng)期蠕變土工試驗(yàn)，得到數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間內(nèi)土體在不同荷載作用下的變形規(guī)律。通過(guò)觀 察變形曲線主觀推測(cè)最終變形是否收斂，來(lái)獲得土體穩(wěn)定與破壞的荷載閾值。存在以下不 足：1)受蠕變土工試驗(yàn)試樣尺寸偏小和傳感測(cè)試精度的限制，難以獲得1(T6?1(T4微小應(yīng) 變條件下的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)；2)確定土體緩慢穩(wěn)定與緩慢破壞兩種變形狀態(tài)的荷載閾值缺 乏明確定量的判別標(biāo)準(zhǔn)，存在較大的隨意性和主觀性，所得閾值波動(dòng)范圍過(guò)大；3)蠕變?cè)?驗(yàn)過(guò)程需要的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法在大規(guī)模工程建設(shè)中普及應(yīng)用。因而，提供一種明確的試驗(yàn)方 法快速測(cè)定靜載下地基土體變形狀態(tài)荷載閾值，對(duì)鐵路工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提供一種測(cè)定靜載下鐵路地基土體變形狀態(tài)荷載閾值的試驗(yàn)方 法。該方法所需試驗(yàn)時(shí)間較短，測(cè)出的荷載閾值更可靠、準(zhǔn)確，能為鐵路工程建設(shè)與狀態(tài)評(píng) 價(jià)提供更可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是：一種測(cè)定靜載下鐵路地基土體變形 狀態(tài)荷載閾值的方法，其操作步驟為：
[0006] A、試驗(yàn)準(zhǔn)備
[0007] A1、模型箱構(gòu)筑：在剛性基礎(chǔ)上構(gòu)建剛性模型邊壁，構(gòu)成長(zhǎng)、寬、高分別為150cm、 150cm、90cm的模型箱；
[0008] A2、模型填筑：將試驗(yàn)用的鐵路路基土樣在模型箱內(nèi)按預(yù)定壓實(shí)度分層填筑形成 填土模型，每層填筑的厚度為20?25cm，填土模型的總高度為90cm;
[0009] A3、加載板安放：在填土模型上表面中心位置安放直徑為30cm的圓形剛性加載 板；
[0010] A4、位移傳感器布設(shè)：在圓形剛性加載板上表面邊緣均勻布設(shè)三個(gè)位移傳感器，位 移傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接；
[0011] A5、試驗(yàn)?zāi)Ｐ头忾]保濕：將模型箱置于封閉空間內(nèi)，并通過(guò)加濕設(shè)備使封閉空間內(nèi) 的相對(duì)空氣濕度保持為90 %?95% ;
[0012] B、試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集
[0013] B1、確定分級(jí)施加靜載值：用地基系數(shù)測(cè)定方法測(cè)出填土模型的地基系數(shù) K3Q(MPa/m)，進(jìn)而得出填土模型的極限承載力〇f(kPa)，〇f=2(2.4K3Q+15);再得出分級(jí)靜 力加載的荷載Pi，Pi=Xi〇f，其中：i為加載的級(jí)數(shù)序號(hào)，i= 1，2, 3, 4, 5, 6 ;Ai為第i級(jí) 加載的比例系數(shù)，其取值依次為：〇. 05, 0. 2, 0. 4, 0. 6, 0. 7, 0. 8 ;
[0014] B2、分級(jí)施加靜載：先進(jìn)行一次預(yù)加載，預(yù)加載的荷載等于B1確定的第1級(jí)加載的 荷載Pi，保持時(shí)間5min，卸除荷載Pl后靜置5min;隨后進(jìn)行第1至第6級(jí)的分級(jí)靜力加載： 第i級(jí)加載的荷載等于B1確定的荷載Pi，每級(jí)加載的時(shí)間為24h，兩級(jí)加載之間的間歇時(shí) 間lh;
[0015] 在進(jìn)行每級(jí)加載及兩級(jí)加載之間的間歇期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)采集三個(gè)位移 傳感器測(cè)得的圓形剛性加載板的豎向位移值；
[0016] C、荷載閾值確定
[0017] C1、將B2步三個(gè)位移傳感器測(cè)得的第i級(jí)加載過(guò)程中同一時(shí)刻的豎向位移值平 均，獲得第i級(jí)加載過(guò)程中填土模型的豎向變形Si隨加載時(shí)間t的關(guān)系曲線，即Si?t曲 線；并將第i級(jí)加載間歇期開(kāi)始時(shí)和結(jié)束時(shí)，三個(gè)位移傳感器測(cè)得的圓形剛性加載板的豎 向位移值平均之差，作為第i級(jí)荷載Pi卸除后的回彈變形Sei;
[0018] C2、根據(jù)Cl得到的第i級(jí)加載過(guò)程中填土模型的豎向變形Si和加載時(shí)間t的關(guān)系 曲線減去第i級(jí)卸除后的回彈變形S&得到第i級(jí)加載過(guò)程中的塑性變形和時(shí)間t的關(guān)系 曲線；再以設(shè)定的時(shí)間間隔，算出第i級(jí)加載過(guò)程中多個(gè)時(shí)刻t的塑性變形速率Vi(t);其 中，加載級(jí)數(shù)i= 1時(shí)，設(shè)定的時(shí)間間隔為0. 5h，加載級(jí)數(shù)i= 2, 3, 4, 5時(shí)，設(shè)定的時(shí)間間隔 為lh;
[0019] 將多個(gè)時(shí)刻t的塑性變形速率^⑴置于Vi(t)?t雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，提取出線性區(qū) 間內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)；
[0020] C3、對(duì)C2步得到的第i級(jí)加載過(guò)程中的塑性變形速率的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，按負(fù)冪函 數(shù)v(t) =Af進(jìn)行擬合，得到第i級(jí)加載的比例系數(shù)A,對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)a,值；并將數(shù)據(jù) (ai，按a=aA3+bA2+cA+d進(jìn)行擬合，得到冪指數(shù)a與加載比例系數(shù)A的關(guān)系曲 線，即a?A曲線；
[0021] C4、根據(jù)a?A曲線的曲率k的計(jì)算公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)定靜載下鐵路路基土體變形狀態(tài)荷載閾值的方法，其操作步驟為： A、 試驗(yàn)準(zhǔn)備 A1、模型箱構(gòu)筑：在剛性基礎(chǔ)上構(gòu)建剛性模型邊壁，構(gòu)成長(zhǎng)、寬、高分別為150cm、 150cm、90cm 的模型箱（1); A2、模型填筑：將試驗(yàn)用的鐵路路基土樣在模型箱內(nèi)按預(yù)定壓實(shí)度分層填筑形成填土 模型（2)，每層填筑的厚度為20?25cm，填土模型的總高度為90cm ; A3、加載板安放：在填土模型（2)上表面中心位置安放直徑為30cm的圓形剛性加載板 (3) ； A4、位移傳感器布設(shè)：在圓形剛性加載板（3)上表面邊緣均勻布設(shè)三個(gè)位移傳感器 (4) ，位移傳感器（4)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接； A5、試驗(yàn)?zāi)Ｐ头忾]保濕：將模型箱（1)置于封閉空間（5)內(nèi)，并通過(guò)加濕設(shè)備使封閉空 間（5)內(nèi)的相對(duì)空氣濕度保持為90 %?95% ; B、 試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集 B1、確定分級(jí)施加靜載值：通過(guò)地基系數(shù)測(cè)定方法測(cè)出填土模型（2)的地基系數(shù) K3Q(MPa/m)，進(jìn)而得出填土模型（2)的極限承載力〇f(kPa)，〇f=2(2.4K 3Q+15);確定分級(jí) 施加靜載值Pi，Pi= λ i σ f，其中：i為加載的級(jí)數(shù)，i = 1，2, 3, 4, 5, 6 ; λ i為第i級(jí)加載的 比例系數(shù)，其取值依次為：〇. 05, 0. 2, 0. 4, 0. 6, 0. 7, 0. 8 ; B2、分級(jí)施加靜載：先進(jìn)行一次預(yù)加載，預(yù)加載的荷載等于Bl確定的第1級(jí)加載的荷載 P1，保持5min，卸除荷載P1后靜置5min ;隨后進(jìn)行第1至第6級(jí)的分級(jí)靜力加載：第i級(jí)加 載的荷載等于Bl確定的荷載Pi，每級(jí)加載的時(shí)間為24h，兩級(jí)加載之間的間歇時(shí)間Ih ; 在進(jìn)行每級(jí)加載及兩級(jí)加載之間的間歇期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)采集三個(gè)位移傳感 器⑷測(cè)得的圓形剛性加載板⑶的豎向位移值； C、 荷載閾值確定 C1、將B2步三個(gè)位移傳感器（4)測(cè)得的第i級(jí)加載過(guò)程中同一時(shí)刻的豎向位移值平 均，獲得第i級(jí)加載過(guò)程中填土模型（2)的豎向變形Si隨加載時(shí)間t的關(guān)系曲線，即S i? t曲線；并將第i級(jí)加載間歇期開(kāi)始時(shí)和結(jié)束時(shí)，三個(gè)位移傳感器⑷測(cè)得的圓形剛性加載 板（3)的豎向位移值平均之差，作為第i級(jí)荷載P i卸除后的回彈變形Sei; C2、根據(jù)Cl得到的第i級(jí)加載過(guò)程中填土模型（2)的豎向變形Si和加載時(shí)間t的關(guān) 系曲線減去第i級(jí)卸除后的回彈變形sei，得到第i級(jí)加載過(guò)程中的塑性變形和時(shí)間t的關(guān) 系曲線；再以設(shè)定的時(shí)間間隔，算出第i級(jí)加載過(guò)程中多個(gè)時(shí)刻t的塑性變形速率^⑴；其 中，加載級(jí)數(shù)i = 1時(shí)，設(shè)定的時(shí)間間隔為0. 5h，加載級(jí)數(shù)i = 2, 3, 4, 5時(shí)，設(shè)定的時(shí)間間隔 為Ih ; 將多個(gè)時(shí)刻t的塑性變形速率Vi (t)置于Vi (t)?t雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，提取出線性區(qū)間內(nèi) 的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)； C3、對(duì)C2步得到的第i級(jí)加載過(guò)程中的塑性變形速率的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，在按負(fù)冪函數(shù) v(t) =Af進(jìn)行擬合，得到第i級(jí)加載的比例系數(shù)λ i對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)a i值；并將數(shù)據(jù) (ai，Ai)按a = aA3+bA2+cA+d進(jìn)行擬合，得到冪指數(shù)α與加載比例系數(shù)λ的關(guān)系曲 線，即α?λ曲線； C4、根據(jù)α?λ曲線的曲率k的計(jì)算公式i
計(jì)算得到α? λ曲線的曲率k與加載比例系數(shù)λ的關(guān)系曲線，獲得曲率k的兩個(gè)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)加 載比例系數(shù)λ 1和λ π;將較小的加載比例系數(shù)λ 1與填土模型（2)的極限承載力σ #目 乘即得到區(qū)分變形快速穩(wěn)定與緩慢穩(wěn)定狀態(tài)的荷載閾值P1 ,P1= λ 1Of;將較大的加載比 例系數(shù)λ 11與填土模型（2)的極限承載力〇 #目乘積即得到區(qū)分變形緩慢穩(wěn)定與緩慢破壞 狀態(tài)的荷載閾值P11，Pn= λ 11O f。
【專(zhuān)利摘要】一種測(cè)定靜載下鐵路地基土體變形狀態(tài)荷載閾值的方法，其操作步驟為:在剛性邊壁構(gòu)成的模型箱內(nèi)構(gòu)筑填土模型，通過(guò)圓形剛性加載板對(duì)填土模型按極限承載力的不同比例系數(shù)λi分級(jí)施加靜載；通過(guò)位移傳感器測(cè)量并計(jì)算加載過(guò)程中不同時(shí)刻t土體的塑性變形速率vi(t)，并取其有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，按負(fù)冪函數(shù)v(t)＝At-α擬合；得到荷載比例系數(shù)λi對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)αi值，并對(duì)其按三次多項(xiàng)式擬合得到α～λ曲線，以α～λ曲線的兩個(gè)曲率極大值點(diǎn)的λΙ和λII對(duì)應(yīng)的荷載pΙ＝λΙσf和pII＝λIIσf作為土體變形狀態(tài)的荷載閾值。pΙ和pII能分別為高速鐵路無(wú)砟/有砟軌道路基設(shè)計(jì)與優(yōu)化、變形狀態(tài)評(píng)價(jià)與整治原則提供試驗(yàn)依據(jù)。該方法具有試驗(yàn)時(shí)間較短、判別準(zhǔn)則明確的特點(diǎn)，得到的荷載閾值更準(zhǔn)確、可靠。
【IPC分類(lèi)】G01N3-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104535420
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410836977
【發(fā)明人】羅強(qiáng), 熊勇, 張良, 蔣良濰, 劉鋼, 朱江江, 孟偉超, 侯振斌, 鄒亮明, 葉慶志
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月29日