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一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法
【專利摘要】一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法。該方法采用磚墻和砂袋構筑模型填土，與加載設備和位移傳感器等組成試驗系統(tǒng)，對填土模型進行循環(huán)加載試驗，得到累積變形隨荷載作用次數(shù)的變化曲線；進而計算得到分段單次加載平均變形量隨荷載作用次數(shù)的變化曲線,并采用負冪函數(shù)擬合，獲得冪指數(shù)Pi值隨荷載水平變化的關系曲線，通過三次多項式回歸得到Pi值與荷載水平之間的函數(shù)關系式，反算得P等于2、1、0所對應的荷載水平即為區(qū)分累積變形不同演化狀態(tài)的荷載閾值σt1、σt2、σt3。其中，σt1、σt2能分別為鐵路無砟、有砟軌道基床結構的設計與維護提供試驗依據(jù)。該方法具有模型制作方便、造價低廉、操作簡單、其判別準則明確，得到的荷載閾值更準確、可靠。
【專利說明】一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法，屬于土工試驗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]鐵路路基結構的上部即基床部分，長期承受來自列車荷載的循環(huán)作用，產(chǎn)生的累積變形會嚴重影響軌道結構的平順性，進而影響行車速度及行車安全。因此，必須限制基床的累積變形。我國現(xiàn)行規(guī)范要求無砟軌道路基總的工后沉降不大于15mm，它主要是為路基結構下面的地基的工后沉降考慮的，也即要求基床結構不能發(fā)生明顯的累積變形。對于有砟軌道結構，在長期的運營過程中，可通過起撥道、墊砟、振搗等工務維修方式來保持軌道結構的平順性，允許有一定的累積變形產(chǎn)生，但為了保證鐵路的高效運行及線路的有效利用，也要求基床結構累積變形及其發(fā)展速率必須在較低的水平內(nèi)，并在一定的使用年限內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定而不至于發(fā)生破壞。因而，如何控制基床結構在循環(huán)荷載作用下的累積變形，使其滿足線路結構的正常使用要求，是修建包括高速鐵路在內(nèi)的高等級鐵路的關鍵技術之一。就目前人們對土工填料本構模型的認識水平以及模型參數(shù)存在極大變異性的現(xiàn)實條件，通過精確計算出長期循環(huán)荷載作用下基床結構的累積變形值，進行基床結構設計的方法，既困難也不可靠。已有文獻資料表明，土工填料在循環(huán)荷載作用下其累積變形將呈現(xiàn)出不同的演化狀態(tài)。通過測定出構筑基床結構的土工填料在循環(huán)荷載作用下其累積變形不同演化狀態(tài)的荷載閾值，使得基床結構承受的列車循環(huán)荷載作用水平小于相應的荷載閾值，從而使基床結構累積變形得到有效控制的思路，從理論上和實際操作中都是切實可行的。對于無砟軌道基床結構要求不發(fā)生明顯累積變形，即累積變形的演化處于快速穩(wěn)定狀態(tài)；對于有砟軌道基床結構允許有一定的累積變形產(chǎn)生但須保證基床結構不至于破壞，即累積變形的演化處于緩慢穩(wěn)定狀態(tài)。
[0003]現(xiàn)有技術中，對于循環(huán)荷載作用下土工填料累積變形演化狀態(tài)的分類主要包括以下兩種:其一是兩狀態(tài)劃分，即不同荷載水平下累積變形演化呈穩(wěn)定或破壞狀態(tài)；其二是三狀態(tài)劃分，即低荷載水平下處于穩(wěn)定狀態(tài)，高荷載水平處于破壞狀態(tài)，在穩(wěn)定與破壞狀態(tài)之間存在一個臨界狀態(tài)，即累積變形演化是趨于收斂或發(fā)散的不確定狀態(tài)。應該來講，這些狀態(tài)的劃分很難與不同等級鐵路基床結構累積變形狀態(tài)控制要求相對應，尤其是無砟軌道的不可維修性，需要基床結構滿足快速穩(wěn)定的狀態(tài)控制要求更是無據(jù)可依。另外，對于累積變形演化狀態(tài)的區(qū)分，現(xiàn)有技術多采用動三軸儀進行循環(huán)加載試驗，得到累積變形隨荷載作用次數(shù)的變化曲線。通過觀察累積變形曲線形態(tài)在半對數(shù)坐標下的“凹凸”變化等特征來描述相應的狀態(tài)，估計相應的荷載閾值。存在以下不足:(I)由于動三軸儀試驗設備價格較為昂貴，尤其是用于開展粗顆粒土工填料試驗的大型動三軸儀，大多數(shù)土工試驗室和科研院所沒有配備。再加之試驗操作相對繁瑣，對試驗人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，難以大規(guī)模在工程設計中普及；(2)受三軸試驗試樣尺寸偏小和傳感測試精度的限制，難以獲得10_4?10_6小應變條件下的力學響應數(shù)據(jù)；(3)確定累積變形演化狀態(tài)的荷載閾值缺乏明確的判別標準，導致對試驗結果分析存在較大的隨意性和主觀性。因而，提供一種簡單、明確的試驗方法確定循環(huán)荷載作用下土工填料累積變形演化狀態(tài)的荷載閾值，為構建基于累積變形控制的鐵路基床結構設計方法奠定基礎，在國內(nèi)大規(guī)模建設高速鐵路及中國高鐵技術“走出去”戰(zhàn)略大力推進的今天，具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，提供一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法。該方法所需試驗條件以及試驗操作相對簡單，測出的荷載閾值更可靠、準確，能為鐵路基床結構的設計與維護提供更可靠的試驗依據(jù)。
[0005]本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術方案是:一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法，包括以下步驟:
[0006]A、試驗準備
[0007]Al、模型填土邊壁構筑:在剛性基礎上漿砌磚墻形成正方形的模型填土腔，模型填土腔的邊壁間互不搭接，所述的邊壁的寬和高均為90cm，并在邊壁的外側緊貼、碼砌砂袋，碼砌砂袋的總高度≥90cm ；
[0008]A2、模型填筑:將試驗土工填料在模型填土腔內(nèi)按預定壓實度分層填筑模型，每層填筑厚度為10~30cm,模型填筑總高度為90cm ；
[0009]A3、加載板 安放:在填筑的模型上表面中心位置安放剛性的直徑為30cm的圓形加載板；
[0010]A4、位移傳感器布設:在圓形加載板上表面邊緣均勻布設三個位移傳感器，位移傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接；
[0011]B、試驗加載及數(shù)據(jù)采集
[0012]B1、K30值測定:用循環(huán)加載設備通過圓形加載板對模型加載，并用位移傳感器測出圓形加載板的下沉量，據(jù)以測出模型的地基系數(shù)K3tl值；
[0013]B2、每級循環(huán)加載的荷載幅值確定:根據(jù)測出的地基系數(shù)K3tl(MPaAi)值，得出最大循環(huán)荷載的預估幅值σ max(kPa)，Omax = 2.4K30+15 ;進而得出每級循環(huán)加載的荷載幅值ο i，
[0014]σ i = Ki σ max
[0015]式中:i一循環(huán)加載的級數(shù)序號，i = 1，2，3，...，11 一加載比例系數(shù);其取值范圍為，當 i = I ~3 時，0.051≤1^〈0.05(1+1);當1 =4 ~11 時，0.1 (i_2) ^ K^0.1 (i_l)。
[0016]B3、循環(huán)加載:用循環(huán)加載設備通過圓形加載板對模型進行逐級循環(huán)加載，直至模型破壞；其中，每級循環(huán)加載的加載次數(shù)N為10萬次，荷載幅值為B2步得到的每級循環(huán)加載的荷載幅值σ y
[0017]Β4、每級循環(huán)加載過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集三個位移傳感器測得的每級循環(huán)加載圓形加載板沉降量隨加載次數(shù)的變化數(shù)據(jù)；
[0018]C、荷載閾值確定
[0019]Cl、將Β4步三個位移傳感器測得的變化數(shù)據(jù)平均，獲得每級循環(huán)加載時模型的豎向累積變形Si隨加載次數(shù)N的關系曲線，即Si~N曲線；[0020]C2、根據(jù)Cl得到的每級循環(huán)加載時的Si~N曲線均分為10段，每段的加載次數(shù)為一萬次，將每段的總變形量Λ Si除以每段的加載次數(shù)ΛΝ= 10000，得到各段單次加載平均
變形量
【權利要求】
1.一種測定循環(huán)荷載下土工填料累積變形狀態(tài)荷載閾值的方法，其操作步驟為: A、試驗準備 Al、模型填土邊壁構筑:在剛性基礎上漿砌磚墻形成正方形的模型填土腔(1)，模型填土腔(I)的邊壁間互不搭接，所述的邊壁的寬和高均為90cm，并在邊壁的外側緊貼、碼砌砂袋(2)，碼砌砂袋⑵的總高度≥90cm ； A2、模型填筑:將試驗土工填料在模型填土腔(I)內(nèi)按預定壓實度分層填筑模型(3),每層填筑厚度為10~30cm,模型(3)填筑總高度為90cm ； A3、加載板安放:在填筑的模型(3)上表面中心位置安放剛性的直徑為30cm的圓形加載板⑷； A4、位移傳感器布設:在圓形加載板(4)上表面邊緣均勻布設三個位移傳感器(5)，位移傳感器(5)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接； B、試驗加載及數(shù)據(jù)采集 BUK3tl值測定:用循環(huán)加載設備(6)通過圓形加載板⑷對模型(3)加載，并用位移傳感器(5)測出圓形加載板⑷的下沉量，據(jù)以測出模型(3)的地基系數(shù)K3tl值； B2、每級循環(huán)加載的荷載幅值確定:根據(jù)測出的地基系數(shù)K3tl (MPa/m)值，得出最大循環(huán)荷載的預估幅值σ max(kPa), σ max = 2.4K30+15 ;進而得出每級循環(huán)加載的荷載幅值σ i;σ.= K- σ
I ΑΥι max 式中:1一循環(huán)加載的級數(shù)序號，i = I, 2, 3,..., 11 ；Kj一加載比例系數(shù)；其取值范圍為，當 i = I ~3 時，0.05i ( Ki<0.05(i+l);當 i = 4 ~11 時，0.1 (i_2) ( K^0.1 (i_l)。 B3、循環(huán)加載:用循環(huán)加載設備(6)通過圓形加載板(4)對模型(3)進行逐級循環(huán)加載，直至模型破壞；其中，每級循環(huán)加載的最大加載次數(shù)為10萬次，荷載幅值為B2步得到的每級循環(huán)加載的荷載幅值σ i ; B4、每級循環(huán)加載過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集三個位移傳感器(5)測得的每級循環(huán)加載圓形加載板(4)沉降量隨加載次數(shù)的變化數(shù)據(jù)； C、荷載閾值確定 ClJfM步三個位移傳感器(5)測得的變化數(shù)據(jù)平均，獲得每級循環(huán)加載時模型的豎向累積變形Si隨加載次數(shù)N的關系曲線，即Si~N曲線； C2、根據(jù)Cl得到的每級循環(huán)加載時的Si~N曲線均分為10段，每段的加載次數(shù)為一萬次，將每段的段內(nèi)總變形量Λ Si除以每段的加載次數(shù)ΛΝ= 10000，得到各段單次加載平均變形量
【文檔編號】G01N3/32GK104020063SQ201410256612
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權日:2014年6月11日
【發(fā)明者】羅強, 劉鋼, 張良, 蔣良濰, 熊勇, 孟偉超, 侯振斌, 盧良青, 李 浩, 鄒亮明 申請人:西南交通大學