文摘
研究增强路基的动态行为,一系列的土壤不排水循环三轴试验的钢筋(标本的高度50厘米,直径20厘米)进行。的标本进行不同围压、振动频率、动态压力振幅和增强层。正交试验是一种更好的方法来优化实验的过程。影响讨论的动态行为强化土壤标本是通过四因素正交试验设计和三个层次。本研究表明,加筋土的动态弹性模量是影响动态应力幅值,频率,增强层,内围压变化因素的水平。动态应力幅值有很大影响的动态弹性模量增强土壤。增强路基的承载能力和动态弹性模量与动应变的增加略有减少。频率对动态弹性模量有影响。结果表明,增强土壤的累积应变与振动频率有关。测试结果也例证了路基的加固路基侧向位移限制和减少长期循环荷载作用下路基的沉降。
1。介绍
近年来,高速铁路和载重铁路已经成为一个主要的趋势在中国现代铁路的发展。加固是一种有效和可靠的技术来提高地基土的强度和稳定性。这种技术被用于各种各样的应用程序从挡土墙地基等等。土工格栅是一种合成材料被用来改善土壤的工程性质通过提供额外的抗剪切和拉伸应力。火车和铁路轨道的动态效果显著提高了训练速度和加速度的增加轴的重量。一方面,增加轨道的振动在循环荷载下,加速铁路轨道的打破。另一方面,铁路路基由松散土壤材料具有明显的各向异性,这似乎是非线性、滞后,变形积累。与地震和风暴波加载、低振幅单向循环荷载更典型的交通负荷。加固地基受到大量的负载应用程序在一个压力低于他们的力量。
经过多年的铁路,路基的不均匀沉降观测,然后变形加速,加剧铁轨和火车之间的交互。它可以导致铁路基础设施和重大问题是一个挑战的工程师保持铁路工作。因此,它非常实用的相关性研究加固路基交通载荷作用下的动态行为。目前,用于研究土壤的动态行为的方法分为(现场试验和模型试验)试验研究和理论研究(分析方法和数值模拟)。
在过去的几十年中,许多实验研究进行了调查长期循环荷载作用下的动态行为。例如,循环三轴试验,共振柱试验和振动台试验的动态行为,增强土壤被(早些时候报道1,2,3,4,5]。
垂直加速度、横向加速度和垂直位移的加固挡土墙逐渐增加随着墙的高度(6]。然而,水平位移的增加的趋势不明显,具有强大的关系与压力波形生成的训练负荷。模型试验重复加载下的加筋挡土墙上的动态响应进行了研究挡土墙(7]。结果表明,墙的位移平均值和墙的高度相关。与动态负载的增加,位移的趋势和力量的加筋挡土墙经历三个阶段:振动压实阶段,振动剪切阶段,振动破坏阶段。
此外,剩余体积应变和剪切变形减少钢筋,和模型参数变小(8]。与偏应力比在高围压的增加,剪切模量减少。剪切模量损失的速率被发现为纤维增强标本(低得多9]。纤维增强土的弹性模量随纤维含量的增加,围压和减少重复荷载的增加(10]。混合物的动态行为影响的内容注入泡沫也围压力(11]。压力低围压水平选择的条件用于模拟特定的条件。特别关注层面错误在顶部和底部的标本和传感器固定在膜上用于在低围压(12]。
大型模型试验的钢筋石笼的墙壁进行了不同的输入正弦波频率和振幅(13]。发现钢筋石笼墙壁的内部和外部负载(实施了二百万次)不显示明显的局部和整体破坏,当振动频率达到10赫兹。但是,有很大的变化的垂直和水平钢筋石笼壁的加速度和位移响应。材料的弹性模量之比饱和后,其弹性模量在干燥条件和饱和感应突然体积应变减少随着围压的增加(14]。的衰败TS-RC测试中观察到的是从一个较低的压力水平和更明显,尤其是在高应变水平和低约束应力[15]。定义的动态变形特点加强砂墙的侧向变形和旋转。结果表明纤维增强的有效性改善动态属性的细沙和纤维增强板桩挡土墙的变形特征在摇晃(16]。此外,大量的研究人员模拟加固路基的动力响应进行了分析通过建立track-subgrade数值模型。
的动态弹性模量和阻尼比是两个最重要的指标设计和计算分析加筋土结构。在目前的研究中,大多数岩土工程的分析和计算是密不可分的两个指标,受到许多因素的影响。然而,以往的研究大多集中在粉质粘土,粉砂土和软粘土。没有全面研究报道关于钢筋砾石土的不排水循环行为,因为它需要很长时间,很难准备土壤样本。与许多其它土壤类型相比,砾石土壤中扮演着重要的角色在整个铁路路基的变形行为。在施工过程中,砾石材料层压实密度最大,最可能的状态,也可以通过使用定义的最佳含水量普氏压实试验。经过多年的铁路操作,释放砾石土层暴露在特定压力条件和交通负荷。习惯使用一个常数弹性模量随着土壤刚度指数在传统的工程设计,而忽视土壤刚度的变化在循环荷载。实际上,即使在静态加载条件下,砾石土的刚度可以通过非线性软化特征逐渐随着应变的增加,和循环荷载下的动态行为更明显(17]。然而,在文献中没有信息增强路基的动态弹性模量的影响。此外,加筋土的应力和变形状态和循环荷载下钢筋和土壤之间的相互作用机理需要进行了研究。
本研究的主要目的是评价影响因素的影响增强路基的动态弹性模量。实验调查循环荷载下的钢筋土基于正交阵列设计。一系列的循环三轴试验进行了不同围压、振动频率、加固层和动态应力振幅。这些参数对动态弹性模量的影响增强路基进行了研究。此外,动态弹性模量的影响因素和因子的变化规律也根据极值分析进行了研究。最后,分析了测试的结果和可能会进一步提供理论基础和应用程序增强土壤。
2。循环三轴试验
2.1。装置
这些循环三轴试验进行了实验室的大连理工大学地震工程研究所。这个装置配备一个压力室直径20厘米,高50厘米,一起振动设备和测量设备设计和制造。最大轴向压力是150 kN,和最大轴向拉力是100 kN。最大轴向位移是±50毫米。最大的围压是3 MPa。可以使用一些更高的频率,因为特殊的测试目的,励磁系统是通常设置在轴向的仪器提供不同类型的振动载荷。可以采用三种波测试,这是影响类型,周期性的类型,和任意类型,如图1。
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图2显示了循环荷载的波形的草图。参数如下:的最大应力循环荷载;的最低压力是循环荷载;交变载荷, ; 是振动的周期;和是频率和 。
振动频率的变化从0.1赫兹到10赫兹。该仪器配备位移传感器和力传感器。实验数据可以自动收集和分析。高精度液压伺服介质三轴测试系统设计的反犹太的大连理工大学研究所利用计算机和液压伺服技术。本实验中使用。详细的草图和照片的装置如图所示3。
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2.2。材料
2.2.1。砾石土
本研究中使用的土壤是砾石土,从路基床上获得该地区的铁路轨道的大连,中国北部。收集的样本处于不安状态,通过人工开挖,在足够的数量来完成所有的测试。均匀性系数、铜、17.5的系数和矿料级配、Cc,是1.03。图4块的粒度分布曲线。这砾石土壤样品具有良好的级配和最常用的是填写实际的项目,和土壤的基本物理参数如表所示1。
2.2.2。土工格栅
在这项研究中,TGSG40-40双向塑料土工格栅作为增强材料。土工格栅是由高密度聚乙烯(HDPE)热塑性或模制,并且它是由山东肥城Lianyi工程塑料有限公司,中国。双向的前景(双轴)塑料土工格栅是网络结构就像一个广场,和由高分子聚合物为原料通过挤压,形成穿孔在纵向和横向拉伸。这种土工格栅具有较高的抗拉强度在纵向和横向方向和提供了一个理想的联锁系统。它可以广泛用于各种道路、铁路、和机场提高路基的承载力床上,提高边坡稳定性,延长路基的使用寿命。图5显示了TGSG40-40双向塑料土工格栅被用作加固。为了减少土工格栅和压力室之间的摩擦实验,土工格栅是削减如图5。土工格栅的物理性质如表所示2。
2.3。样品制备
样本准备在圆柱形模具高度50厘米,直径20厘米。测试了真空提取模具和橡胶之间示例包,然后土壤标本把振动的模具在五个连续的层。最后一个设置后,检查每个灌装高度为10厘米和钢规。考虑到仪器,三种强化方式可用于测试。第一种方法,土壤样品不是钢筋。第二种方法,一层土工格栅是放置在中间的样品。第三条道路,一层土工格栅是放置在中间和下部的模具,在中间和一层土工格栅和模具。标本准备在密度等于大约96%的最大密度在每一步的最佳含水量。土工格栅铺设水平。土工格栅位置关系图如图6。
2.4。测试计划
有很多技术参数对测试结果影响。正交阵列设计允许限制研究需要实现所需的测试结果,减少所需的时间为他们的表现,同时降低成本。这是一个有效的方法来设计一个实验来找出最具影响力的因素。均匀分散的正交阵列和两个优势,整洁,和类似的每个测试高度代表,所以实验次数越少,能充分反映不同层次的每个因素的影响指数。
围压的影响程度、强化方式,动态应力幅值和频率进行了分析,分别通过四因素正交试验设计和三个层次。为了更好地模拟土工格栅加固土的动态特性,选择不同的动态应力振幅来模拟动态响应,造成列车以不同速度或轴的重量。计算表的动态应力幅值如表所示3。
三种不同的围压60 kPa, 90 kPa, 150 kPa被认为是为模拟特定条件的情况下铁路路基。
考虑到瞬态振动的路基在列车荷载的长期效应,填充不是瞬时排水的排水,所以实验进行不排水。不同列车循环荷载的模拟与MTS伺服励磁机。不饱和标本不排水三轴压缩使用单调和循环加载条件下测试频率在0.5∼2赫兹的范围。正弦波是用于本研究模拟交通荷载振动周期短和更多的振动。Kc,固结应力比是1。有三个强化的情况下测试,也就是说,没有土工格栅、土工格栅的一层,两层土工格栅。的正交数组中提供的测试表4。
3所示。结果与讨论
3.1。铁路路基循环载荷作用下的动态特性
随着振动频率的增加,动应力增量的波动增加。经过约一万倍的振动,动态应力增量逐渐倾向于稳定区间振荡。因为测试数据密集型和不稳定周期的早期,中期测试中的一些测试数据选择放大,如图7。它显示了动态应力时间范围曲线周期载荷作用下9测试(代表负载周期)的数量。动态应力增量基本稳定在整个振动过程中除了一个小波动在一些地区。
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图8显示动态弹性模量和动态应变的关系曲线。可以看到从图8随着动应变振幅的增加,动态弹性模量( )逐渐减少,也就是说,出现应变软化。当在周期的初始阶段,曲线是陡峭的衰减率速度更快;动态应变大于0.25%时,曲线趋于温和,和衰减率往往是0。总的来说,曲线(幂函数)的形象通过应用插值对动态弹性模量是收敛的。
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3.2。最大动态弹性模量
最大动态弹性模量( )通常是作为项目的设计参数。量化加固土的循环载荷作用下的动态行为,最大动态弹性模量可以定义基于曲线。它可以观察到,测量数据通过哈丁双曲线分布分析;也就是说,增强土壤的动态本构关系符合双曲线模型,定义如下: 在哪里动态弹性模量,和拟合参数,是动态应变。从公式(1),代表的最大动态弹性模量增强土壤样本 。结果如表所示5。
根据弹性模量最大,影响因素的顺序是由范围分析,结果如表所示6。
通过正交实验设计,利用区间分析的动态弹性模量的影响因素试验确定在三因素的水平。它们是动态的应力幅值、频率、钢筋层和围压。也就是说,围压的影响增强土壤是最大的。
3.3。重要的影响因素的分析
加筋土的影响因素可以确定虽然范围分析,但没有比较的结果引起的变化的因素和水平,结果由实验误差造成的。没有标准来衡量它的重要性。为了解决这个问题,可以采用方差分析在这项研究中。正交实验的方差分析的结果如表所示7。正交实验的方差分析表明,增强土壤的动态弹性模量是影响动态应力振幅。钢筋层的动态弹性模量的影响增强土壤具有重要意义。它已被确认频率和围压有一个微不足道的影响。
3.3.1。动态应力幅值的影响
增强路基的动力响应,这是由于列车以不同的轴负载和速度,可以模拟动态应力振幅。当动态应力很小,土样的强度和刚度基本不变和动态应力振幅和动态应变基本不变。动态应力增加而增加动态应力幅值。这时,土壤样品的结构变化和土壤颗粒往往相互接近,动态应变和孔隙压力逐渐增加。随着振动频率的增加,土样变形,强度和刚度性能的降低,土壤样本的承载力降低,土壤样品的弹性模量逐渐降低。值得注意的是动态应力幅值有最大影响的动态弹性模量增强土壤。演示结果符合这一事实重轴载列车引起的动态应力比light-axle负载在工程训练。
3.3.2。频率的影响
动态效应引起的不同速度列车通过路基加固可以刺激不同的振动频率。土壤累积应变与振动频率相同的振动。随着频率的增加,土壤的动态应变增加。相对传统的铁路,它可以很容易地获得高速铁路中的动态应变和应变率更快发展。在一定动态应变范围、动态弹性模量与频率的增加增加。
3.3.3。钢筋层的影响
实验结果表明,动态弹性模量与强化层的增加逐渐降低。平原土壤的动态弹性模量大于钢筋只有一层,这是高于两层的强化。由于这项研究是基于实验与强化层不到两个,还需要更多的研究来调查动态弹性模量的影响。
3.3.4。围压的影响
如前所述,不同埋深的TGSG土工格栅在某种程度上可以证明了围压。围压的影响扮演小角色的动态弹性模量。进一步的测试结果表明,采用围压小的区别(60 kPa和90 kPa之间或90 kPa和150 kPa)之间会影响测试精度,因为3 MPa围压试验装置可以应用。可以看出土壤塑性变形可以抵制通过增加围压;因此,它提高了antideformation土壤的能力。
4所示。结论
不排水循环三轴试验进行了使用正交实验设计。的动态弹性模量的影响因素加强路基进行了研究。围压的影响,动态应力幅值,频率,增强层的动态弹性模量进行了讨论。加筋土的顺序的动态弹性模量是影响动态应力幅值,频率,增强层,内围压变化因素水平。
动态应力幅值有显著影响的动态弹性模量增强土壤。动态应力较低、动态应力振幅和动态应变基本不变。与动态应力的增加,动应力幅值相应增长,土壤颗粒往往是彼此接近。增强土壤的承载力下降和动态弹性模量随动应变的增加而略有降低。
频率对动态弹性模量有影响。结果表明,增强土壤的累积应变与振动频率有关。频率越高,压力越大造成的路基。随着振动频率上升在一定动态应变范围。增强层对动态弹性模量的影响。与钢筋层的增加,动态弹性模量逐渐减少。测试结果也例证了路基的加固路基侧向位移限制和减少长期循环荷载作用下路基的沉降。
应该注意,增强土壤的动态行为的研究是急需的加筋土为了进一步解决应用程序。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个学术研究工作的博士科研基金中国辽宁省(201601255),教育部科学研究基金会中国辽宁省(JDL2016017),中国国家自然科学基金(51408093)和中国辽宁省自然科学基金(21070540134)。作者感谢晨光周和Jirong田他们帮助建设物理模型和贡献在循环三轴试验。作者感谢清杨的努力阅读手稿,让有价值的建议。作者也要感谢匿名评论者的关键评论。