黏土臟污對道砟集料的應力-剪脹關系影響

陳 靜，高 睿，劉洋澤鵬，石知政，張榮隆

（1.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；
2.武漢大學巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072）

道砟是有砟軌道道床主要材料，由粒徑為16 ～65 mm的中粗石料組成.對有砟軌道而言，道砟層的作用主要包括：1）為軌枕提供穩定的支撐，減少列車運行過程中對上部結構產生的擾動；
2）作為持力層，將上部荷載降低并傳遞至底砟層及下部路基；
3）提供暢通的排水通道并吸收噪音.然而，在列車長期循環荷載的作用下，地基層泥土會隨著孔隙水通過道砟骨架空隙逐漸上移，造成道床的翻漿冒泥及板結[1]；
由列車攜帶的泥土也會逐漸侵入道砟層.道床臟污會引起軌道不均勻沉降、翹曲等工程問題，并為鐵路運行帶來嚴重的安全隱患.

目前，黏土對道砟的臟污作用已引起國內外學者的廣泛研究.Tennakoon等[2]通過循環三軸試驗，對黏土臟污道砟的應力-變形行為、回彈模量進行了研究.其試驗表明，臟污程度的加深會增加試驗的軸向應變及體積應變.在低污染情況下，黏土臟污對道砟的“潤滑效應（lubrication effect）”顯著；
當試樣處于中度污染時，盡管道砟顆粒受到潤滑作用，但由于其骨架被黏土顆粒填充，顆粒間相對運動受到抑制，導致試樣軸向應變發展緩慢；
隨著污染程度加深，道砟顆粒間排水被阻礙，超孔隙水壓力迅速增加，道砟集料的力學特性逐漸由黏土基質特性所控制.同時，黏土包裹在道砟顆粒表面產生“涂層效應（coating effect）”，降低了顆粒間接觸力，從而可減少道砟顆粒的破碎[3-4].通過對受煤渣、黏土、礦物填料等不同臟污質污染的道砟集料進行直剪試驗，Huang等[5]分析了臟污質種類及含水量對道砟強度特性的影響.Danesh等[6]研究了黏土污染下，具有不同級配的道砟集料剪切強度變化，并提出考慮道砟級配和臟污程度的剪切強度經驗公式.Trinh 等[7]通過對受黏土污染的道砟開展單調及循環三軸試驗，研究了各種加載條件下集料含水量對其剪切強度參數及軸向變形的影響.

盡管已有較多關于黏土污染道砟力學性能的研究，但針對黏土臟污質對道砟集料的剪脹特性影響的研究較少.Rowe[8]于1962年提出了著名的應力-剪脹關系，如式（1）所示.

式中：σ1和σ3分別為大、小主應力；
εv和ε1分別為試樣體積應變、軸向應變；
K為材料相關常數.

Mitchell等[9]對土顆粒材料的應力-剪脹關系進行了研究，認為圍壓、初始應力狀態對材料剪脹特性的發展具有重要影響.與土顆粒不同，道砟具有顆粒粒徑大、外形不規則、棱角明顯等特點，其剪脹特性除受上述外界因素影響外，更依賴于試樣自身，如密度、級配或顆粒排列方式等因素.由于黏土臟污質附著在道砟顆粒表面，或填充于骨架空隙，改變了試樣的組構特征，從而影響其剪脹特性.Xiao 等[10-11]通過對堆石料進行真三軸試驗發現，最大剪脹比隨著中主應力比或最小主應力比增大而減小，并根據試驗結果提出了考慮中主應力比的修正應力-剪脹方程.Do??yk-szypcio等[12-14]分析了干凈道砟的應力-剪脹關系.Sarojiniamma等[15]根據受黏土污染道砟的大型三軸試驗結果，提出了關于臟污道砟的經驗剪脹模型.然而，目前較少有文獻針對受黏土污染的道砟（受格柵加筋或未受格柵加筋）在直剪環境下的應力-剪脹關系進行研究.因此，在考慮不同黏土臟污程度的情況下，本文通過對受格柵加筋和未受格柵加筋道砟集料開展大型直剪試驗；
比較不同荷載條件下各試樣強度及變形發展規律；
分析了各類道砟集料的應力-剪脹關系，探討了黏土臟污對道砟集料的剪脹特性影響.試驗所獲的剪脹方程為進一步構建不同黏土臟污程度下道砟集料的本構模型提供參考依據；
同時也可為鐵路運營及維護過程中改善黏土臟污引起的如道床承載力降低、枕軌不規則沉降及側向翹曲等工程危害提供設計指導.

1.1 試驗設備

本研究采用作者自主設計的大型直剪設備開展試驗，如圖1所示.該設備可進行600 mm （長）×600 mm （寬）× 500 mm （高）的大型直剪試驗.設備可分為4部分：1）反力系統，包括反力底座及反力架；
2）裝樣系統，由上、下剪切盒及頂板構成；
3）加載系統，包括水平向及豎向千斤頂，以及與之相連的液壓伺服控制設備；
4）數據采集系統，包括水平、豎向位移傳感器，水平、豎向壓力傳感器以及與之連接的靜態應變儀.設備采用的水平向及豎向千斤頂最大可提供15 t推力，充分滿足該直剪試驗所需要求.剪切過程中，豎向千斤頂施加的法向壓力基本維持恒定，而水平向千斤頂由液壓伺服設備控制，以實現勻速水平推力.詳細設備介紹可參考文獻[16].

圖1 大型直剪設備Fig.1 Apparatus of large-scale direct shear tests

1.2 試驗材料

選用的道砟取自湖北武漢地區某在建鐵路附近的采石場，材質為花崗巖.經測量，試驗所用道砟級配滿足《鐵路碎石道砟》[17]一級道砟的標準.需要說明的是，路基翻漿冒泥造成的黏土臟污在最初往往具有一定含水量，而侵入道砟層的黏土臟污質之后長期暴露于環境中，含水量減小并逐漸粉化，堵塞道砟骨架孔隙，不僅降低道砟骨料的承載力，還會嚴重影響道砟層的自由排水.因此，本研究未考慮黏土臟污質含水量的影響，試驗前將黏土進行充分曬干處理.試驗所采用黏土曬干前含水率為19.4% ～ 23.0%，曬干后測量黏土臟污質級配如圖2所示.道砟及黏土相關工程性能指標見表1.表中：Cu為不均勻系數；
Cc為曲率系數；
ωL為液限；
ωP為塑限；
e為孔隙比.采用雙向孔徑格柵對道砟集料進行加固.為保證格柵提供最佳約束力，本研究采用Mcdowell 等[18]對格柵孔徑與道砟平均粒徑（D50）尺寸之比建議值，即1.4，作為格柵選取標準，其力學參數見表2.圖3為本試驗所用相關材料.

圖2 道砟及黏土臟污質級配圖Fig.2 Size distribution of ballast and clay fine

表1 道砟及黏土臟污質工程性能指標表Tab.1 Engineering properties of clean ballast and clay fines

表2 格柵參數表Tab.2 Mechanical properties of geogrid

圖3 試驗所用材料Fig.3 Materials for the large-scale direct shear test

1.3 試驗設置

為量化道砟集料的臟污程度，采用VCI （void contamination index，VVCI）[19]作為黏土臟污指標（如式（2））.相比于FI （fouling index）[20]或PVC （percentage void contamination）[21]等道砟臟污指標，VCI可簡化對臟污質體積的測量，并可考慮臟污質級配的影響.

式中：eb、Gsb、Mb和ef、Gsf、Mf分別為道砟集料與黏土臟污質的孔隙比、比重、干重.

本研究共設置3種不同的黏土臟污程度（VCI為0、20%和40%）.實際現場中，當鐵道線路出現明顯臟污時，已及時采取夯實或重新換填等舉措，故較少存在VCI大于40%的極端情況.試驗分為無格柵加筋和受格柵加筋，具體設置情況見表3.

表3 試樣設置情況表Tab.3 Details of experimental specimens

試驗中道砟具體用量通過預試驗確定.預試驗中，道砟集料的堆積密度為1 432 kg/m3，共275 kg.試驗開始前，在上、下剪切盒接觸面、下剪切盒與底板接觸面均涂抹潤滑油以減小摩擦.各組試樣所需黏土臟污質質量通過式（2）計算得出.稱取所需黏土質與道砟集料充分拌合，共分4層裝入剪切盒內.根據Biabani 等[22]的研究，直剪試樣的初始密度對其剪切性能具有重要影響，故裝樣時，采用低錘重壓的方式對試樣進行分層振搗密實至預定高度，以確保所有試樣達到相同的初始孔隙率，即0.39.對于受格柵加筋道砟試樣的制備，格柵布置在剪切面處并與下剪切盒固定，防止剪切過程中格柵產生滑移造成誤差.格柵具體布置可參考相關文獻[23].

試驗中，對各組試樣共施加15、35、55 kPa不同法向壓力，并采用伺服控制，以維持其在剪切過程中的恒定不變.水平剪切力通過千斤頂施加，剪切速度為3 mm/min.通過布置位移計記錄剪切過程中試樣的水平及豎向位移.所有試樣剪切至60 mm剪切位移處，即10%剪切應變，此時剪切應力均已達到穩定值，試樣出現明顯剪切破壞面.

2.1 強度及變形特征

圖4為不同VCI值下，黏土臟污道砟集料的剪切應力τs和法向位移δn隨剪切位移δs變化曲線.由圖可知：1）隨著法向應力σn的增加，各組試樣呈現出相同的變化趨勢，即τs逐漸增加但δn受到抑制而逐漸減小.2）相比于未受格柵加筋的試樣，格柵加筋道砟的τs發展明顯較快，而δn卻由于道砟顆粒的運動受到格柵縱橫肋的限制作用出現降低.3）在相同法向壓力條件下，隨著污染程度的加深，即VCI增加，格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟的峰值剪切強度均逐漸減小，這是由于黏土臟污質附著于道砟顆粒表面，弱化了道砟顆粒間的咬合作用；
同時，黏土臟污質的“潤滑劑效應”可促進道砟顆粒間的相對平移和旋轉[24]，故降低了道砟集料的抗剪強度.4）隨著污染程度的增加，在相同加筋情況下，試樣在剪切過程中產生的法向位移減小，這是由于黏土臟污質填充于道砟骨架空隙，增加了集料內部的密實程度，造成道砟顆粒在剪切過程中的翻轉阻力增加，故在試驗中展現出更小的剪脹量.

圖4 受格柵加筋與未受格柵加筋道砟τs及δn與δs關系Fig.4 Relationships of shear stress τs vs.shear displacement δs and relationships of normal displacement δn vs.shear displacement δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast

2.2 應力-剪脹關系

圖5為不同臟污程度下道砟集料的應力比（τs/σn）與剪脹比（δn/δs）關系.圖中：m、n、k1、k2、k3均為擬合常數.Do??yk-szypcio [12]的研究表明，粗粒土在直剪環境下應力-剪脹關系可分為前峰值（pre-peak）和后峰值（post-peak）兩階段.本文僅針對前峰值階段進行研究.對于干凈受格柵加筋道砟或未受格柵加筋道砟（圖5（a）），τs/σn與δn/δs基本呈一階線性關系.類似結果可見相關文獻[10，25].擬合結果顯示，隨著法向壓力的增加，干凈道砟的τs/σn-δn/δs曲線逐漸向坐標軸左下方移動.這說明峰值狀態時，法向壓力越高，試樣的剪脹比越低.根據Rowe[8]研究，在相同δn/δs值下，試樣的τs/σn值為試樣抗剪摩擦角的函數，τs/σn值越大，試樣展現出的抗剪摩擦角越大.圖5（a）顯示：對于格柵加筋的干凈道砟或未受格柵加筋的干凈道砟而言，法向壓力越大，試樣的τs/σn值越低.法向壓力增加，試樣剪脹受到抑制，抗剪摩擦角由剪脹貢獻的部分會相應降低[26].道砟集料抗剪摩擦角的此種“應力相關性”也可見Indraratna等[27]關于煤渣臟污道砟的相關直剪試驗中.相同法向壓力條件下，格柵加筋道砟的τs/σn值較未受格柵加筋道砟大，即由于格柵的加筋作用，道砟集料的抗剪摩擦角會明顯增加.

圖5 τs/σn-δn/δs關系Fig.5 Relationships between τs/σn and δn/δs

對于黏土臟污道砟集料，由于黏土臟污質的添加，集料的組構特征發生了改變，從而影響試樣的τs/σn-δn/δs關系.基于黏土臟污道砟試樣三軸試驗數據，Sarojiniamma等[15]提出黏土臟污道砟應力比（q/p）與剪脹比（1 ? dεv/dε1）滿足二階多項式關系，如式（3）所示.

式中：q為剪應力；
p為平均應力；
a、b、c為無量綱常數，與臟污質含量及試樣所受圍壓相關.

由圖5（b）、（c）可以看出：直剪環境下，黏土臟污的受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟τs/σnδn/δs基本滿足二階多項式關系，如式（4）所示.

相比于干凈道砟，黏土臟污道砟在剪切后期表現出明顯塑性特征，即試樣的應變以速率增加方式發展，而剪切強度達到峰值后增長緩慢或降低至殘余強度.故τs/σn-δn/δs曲線由一階線性關系轉變為二階非線性關系.從圖5（b）、（c）可以看出：隨著VCI的增加，試樣的τs/σn-δn/δs非線性關系增強，這是由于黏土臟污質具有塑性特質，VCI越高，試樣將展現出更強的塑性.

為探究黏土臟污對道砟集料應力-剪脹關系的影響，圖6比較了同一法向壓力條件下未受格柵加筋道砟集料和格柵加筋道砟集料在不同臟污程度下的τs/σn-δn/δs關系.為節約篇幅，僅展示了法向壓力為35 kPa的試驗結果.由圖6表明：隨著臟污程度的增加，τs/σn-δn/δs關系曲線逐漸向坐標軸左下方移動，試樣的剪脹比逐漸減小.由于黏土臟污質的存在，集料骨架間因道砟顆粒相互錯動而產生的孔隙易被黏土顆粒所填充，從而降低了試樣的剪脹比.盡管如此，隨著VCI的增加，試驗達到峰值時的應力比（τs/σn）大幅降低.因受黏土臟污質污染而引起的低剪脹比并不能彌補集料峰值強度降低帶來的損失.從圖6（a）可以看出：在VCI值從20%增加至40%時，格柵加筋道砟集料的τs/σn-δn/δs關系變化并不明顯，這是由于格柵的加筋作用提升了道砟集料的強度，一定程度上彌補了黏土臟污帶來的強度損失；
在中度污染情況下（VVCI= 20%）,格柵可減小集料的剪脹比，降低集料發生變形破壞的速率.

圖6 τs/σn-δn/δs關系曲線Fig.6 Relationships between τs/σn and δn/δs

為研究黏土臟污質對道砟集料應力-剪脹特性的影響，本文對不同臟污程度下受格柵加筋和未受格柵加筋的道砟集料進行了一系列大型直剪試驗.研究了直剪條件下，臟污道砟集料剪切應力及變形的發展規律；
分析了不同法向壓力條件及不同臟污程度下，受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟集料的應力-剪脹關系變化及差異.得到以下結論：

1）VCI增加，受格柵加筋道砟和未受格柵加筋道砟集料的剪切應力及法向變形均降低；
由于受到格柵的加筋作用，道砟集料的剪切應力會增加而法向變形會降低；

2）干凈道砟集料的τs/σn-δn/δs曲線可用一階線性關系描述.法向壓力增加，τs/σn-δn/δs曲線會向坐標軸左下方移動，峰值狀態下集料的剪脹比隨之降低；
相比于未受格柵加筋的道砟集料，格柵加筋的道砟集料具有更高的剪應力比，集料展現出更大的抗剪摩擦角；

3）由于受到黏土臟污質的污染下，道砟集料塑性增強，導致其τs/σn-δn/δs曲線變為二階多項式關系，即在達到峰值狀態時，集料具有較大的剪脹比而抗剪強度降低至殘余強度或增長緩慢；

4）同一法向壓力條件下，由于黏土顆粒填充了部分道砟顆粒發生錯動而產生的孔隙，故降低了集料的剪脹比.然而格柵的加筋作用可彌補黏土臟污質污染下道砟集料的強度損失，并降低集料的變形破壞速率，在實際鐵路工程中可用于減小黏土臟污引起的危害.