测定静载下铁路路基土体变形状态荷载阈值的方法技术

一种测定静载下铁路地基土体变形状态荷载阈值的方法，其操作步骤为:在刚性边壁构成的模型箱内构筑填土模型，通过圆形刚性加载板对填土模型按极限承载力的不同比例系数λi分级施加静载；通过位移传感器测量并计算加载过程中不同时刻t土体的塑性变形速率vi(t)，并取其有效数据点，按负幂函数v(t)＝At-α拟合；得到荷载比例系数λi对应的幂指数αi值，并对其按三次多项式拟合得到α～λ曲线，以α～λ曲线的两个曲率极大值点的λΙ和λII对应的荷载pΙ＝λΙσf和pII＝λIIσf作为土体变形状态的荷载阈值。pΙ和pII能分别为高速铁路无砟/有砟轨道路基设计与优化、变形状态评价与整治原则提供试验依据。该方法具有试验时间较短、判别准则明确的特点，得到的荷载阈值更准确、可靠。

【技术实现步骤摘要】
测定静载下铁路路基土体变形状态荷载阈值的方法
本专利技术涉及测定铁路地基土体变形状态荷载阈值的方法，属于土工试验

技术介绍
铁路路基的工后沉降会严重影响轨道结构的几何平顺性，进而影响行车平稳性及安全性。铁路路基沉降的主要原因为地基受路堤等上部结构自重的长期作用而产生变形。对于有砟轨道铁路，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，因此，允许地基有一定的变形产生。但为了保证铁路的高效运行及线路的有效利用，要求有砟轨道铁路地基处于缓慢稳定的变形状态；对于无砟轨道高速铁路，我国现行规范要求路基及过渡段的工后沉降不大于5～15mm，并且快速收敛，也就是要求无砟轨道高速铁路路基处于快速稳定的变形状态。因此，如何测定静载下缓慢稳定与缓慢破坏的变形状态间的荷载阈值、快速稳定与缓慢稳定的变形状态间的荷载阈值，是修建铁路尤其是无砟轨道高速铁路的关键技术之一。路基工后沉降的发展过程具有复杂非线性特性，以目前人们对土体本构模型的认识水平以及模型参数存在极大变异性的客观现实，通过计算得出地基快速稳定、缓慢稳定和缓慢破坏三种变形状态的两个荷载阈值，既困难也不可靠。现有技术，多采用小尺寸试样长期蠕变土工试验，得到数月甚至数年时间内土体在不同荷载作用下的变形规律。通过观察变形曲线主观推测最终变形是否收敛，来获得土体稳定与破坏的荷载阈值。存在以下不足：1)受蠕变土工试验试样尺寸偏小和传感测试精度的限制，难以获得10-6～10-4微小应变条件下的力学响应数据；2)确定土体缓慢稳定与缓慢破坏两种变形状态的荷载阈值缺乏明确定量的判别标准，存在较大的随意性和主观性，所得阈值波动范围过大；3)蠕变试验过程需要的时间过长，无法在大规模工程建设中普及应用。因而，提供一种明确的试验方法快速测定静载下地基土体变形状态荷载阈值，对铁路工程建设具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种测定静载下铁路地基土体变形状态荷载阈值的试验方法。该方法所需试验时间较短，测出的荷载阈值更可靠、准确，能为铁路工程建设与状态评价提供更可靠的试验依据。本专利技术实现其专利技术目的所采用的技术方案是：一种测定静载下铁路地基土体变形状态荷载阈值的方法，其操作步骤为：A、试验准备A1、模型箱构筑：在刚性基础上构建刚性模型边壁，构成长、宽、高分别为150cm、150cm、90cm的模型箱；A2、模型填筑：将试验用的铁路路基土样在模型箱内按预定压实度分层填筑形成填土模型，每层填筑的厚度为20～25cm，填土模型的总高度为90cm；A3、加载板安放：在填土模型上表面中心位置安放直径为30cm的圆形刚性加载板；A4、位移传感器布设：在圆形刚性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；A5、试验模型封闭保湿：将模型箱置于封闭空间内，并通过加湿设备使封闭空间内的相对空气湿度保持为90％～95％；B、试验加载及数据采集B1、确定分级施加静载值：用地基系数测定方法测出填土模型的地基系数K30(MPa/m)，进而得出填土模型的极限承载力σf(kPa)，σf＝2(2.4K30+15)；再得出分级静力加载的荷载pi，pi＝λiσf，其中：i为加载的级数序号，i＝1,2,3,4,5,6；λi为第i级加载的比例系数，其取值依次为：0.05,0.2,0.4,0.6,0.7,0.8；B2、分级施加静载：先进行一次预加载，预加载的荷载等于B1确定的第1级加载的荷载p1，保持时间5min，卸除荷载p1后静置5min；随后进行第1至第6级的分级静力加载：第i级加载的荷载等于B1确定的荷载pi，每级加载的时间为24h，两级加载之间的间歇时间1h；在进行每级加载及两级加载之间的间歇期，数据采集系统同步实时采集三个位移传感器测得的圆形刚性加载板的竖向位移值；C、荷载阈值确定C1、将B2步三个位移传感器测得的第i级加载过程中同一时刻的竖向位移值平均，获得第i级加载过程中填土模型的竖向变形Si随加载时间t的关系曲线，即Si～t曲线；并将第i级加载间歇期开始时和结束时，三个位移传感器测得的圆形刚性加载板的竖向位移值平均之差，作为第i级荷载pi卸除后的回弹变形Sei；C2、根据C1得到的第i级加载过程中填土模型的竖向变形Si和加载时间t的关系曲线减去第i级卸除后的回弹变形Sei，得到第i级加载过程中的塑性变形和时间t的关系曲线；再以设定的时间间隔，算出第i级加载过程中多个时刻t的塑性变形速率vi(t)；其中，加载级数i＝1时，设定的时间间隔为0.5h，加载级数i＝2,3,4,5时，设定的时间间隔为1h；将多个时刻t的塑性变形速率vi(t)置于vi(t)～t双对数坐标中，提取出线性区间内的数据点作为有效数据点；C3、对C2步得到的第i级加载过程中的塑性变形速率的有效数据点，按负幂函数v(t)＝At-α进行拟合，得到第i级加载的比例系数λi对应的幂指数αi值；并将数据(αi,λi)按α＝aλ3+bλ2+cλ+d进行拟合，得到幂指数α与加载比例系数λ的关系曲线，即α～λ曲线；C4、根据α～λ曲线的曲率k的计算公式计算得到α～λ曲线的曲率k与加载比例系数λ的关系曲线，获得曲率k的两个极大值点对应的两个加载比例系数λΙ和λII；将较小的加载比例系数λΙ与填土模型的极限承载力σf相乘即得到区分变形快速稳定与缓慢稳定状态的荷载阈值pΙ，pΙ＝λΙσf；将较大的加载比例系数λII与填土模型的极限承载力σf相乘积即得到区分变形缓慢稳定与缓慢破坏状态的荷载阈值pII，pII＝λIIσf。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：一、填土模型的长、宽和高分别为150cm、150cm和90cm，宽度为加载板直径的5倍，深度为加载板直径的3倍；相对蠕变土工试验中的试样放大了10～20倍。该几何尺寸下进行试验，加载产生竖向应力在填土模型底面的衰减剩余量小于4％，在填土模型侧面的衰减剩余量接近0，能较真实模拟铁路地基的半无限空间环境；且在相同的传感器精度下，可更好的反映微小应变情况下模型结构的力学响应和变形规律。二、含水率显著影响土体变形状态，本专利技术通过在封闭空间环境内进行试验，且使封闭空间内的相对空气湿度保持在90％～95％；使试验土样的含水率变化量不超过0.5％～1.0％，维持试验过程中填土模型含水率相对稳定，保证了测试结果的精度和可靠性。三、土体蠕变属于物理张弛过程，该过程在时间上具有明确的分形特性，分形具有无标度性特点，相对较短的时间内的变形规律与长期变形规律具有一致性，故可用24h内的变形规律来反映长期变形规律，整个试验仅需数天，与常规蠕变土工试验所需数月甚至数年的时间相比，大大降低了时间成本，解决了常规蠕变土工试验所需时间过长，难以在工程建设中大规模应用的难题。四、按经验关系式σf＝2[σ]＝2[2.4K30+15]得到填土模型的极限承载力σf，以该极限承载力为最大值，按小于1的一定比例系数λi逐级增加。使试验能通过6级加载即可使填土模型经历快速稳定状态、缓慢稳定状态、缓慢破坏状态，进一步加快了试验进程。五、由于土体变形随时间呈现非线性发展趋势，其塑性变形速率vi(t)随时间t满足幂函数衰减规律，测量精度范围内的有效数据在双对数坐标下应呈现线性关系，据此选取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定静载下铁路路基土体变形状态荷载阈值的方法，其操作步骤为：A、试验准备A1、模型箱构筑：在刚性基础上构建刚性模型边壁，构成长、宽、高分别为150cm、150cm、90cm的模型箱(1)；A2、模型填筑：将试验用的铁路路基土样在模型箱内按预定压实度分层填筑形成填土模型(2)，每层填筑的厚度为20～25cm，填土模型的总高度为90cm；A3、加载板安放：在填土模型(2)上表面中心位置安放直径为30cm的圆形刚性加载板(3)；A4、位移传感器布设：在圆形刚性加载板(3)上表面边缘均匀布设三个位移传感器(4)，位移传感器(4)与数据采集系统电连接；A5、试验模型封闭保湿：将模型箱(1)置于封闭空间(5)内，并通过加湿设备使封闭空间(5)内的相对空气湿度保持为90％～95％；B、试验加载及数据采集B1、确定分级施加静载值：通过地基系数测定方法测出填土模型(2)的地基系数K30(MPa/m)，进而得出填土模型(2)的极限承载力σf(kPa)，σf＝2(2.4K30+15)；确定分级施加静载值pi，pi＝λiσf，其中：i为加载的级数，i＝1,2,3,4,5,6；λi为第i级加载的比例系数，其取值依次为：0.05,0.2,0.4,0.6,0.7,0.8；B2、分级施加静载：先进行一次预加载，预加载的荷载等于B1确定的第1级加载的荷载p1，保持5min，卸除荷载p1后静置5min；随后进行第1至第6级的分级静力加载：第i级加载的荷载等于B1确定的荷载pi，每级加载的时间为24h，两级加载之间的间歇时间1h；在进行每级加载及两级加载之间的间歇期，数据采集系统同步实时采集三个位移传感器(4)测得的圆形刚性加载板(3)的竖向位移值；C、荷载阈值确定C1、将B2步三个位移传感器(4)测得的第i级加载过程中同一时刻的竖向位移值平均，获得第i级加载过程中填土模型(2)的竖向变形Si随加载时间t的关系曲线，即Si～t曲线；并将第i级加载间歇期开始时和结束时，三个位移传感器(4)测得的圆形刚性加载板(3)的竖向位移值平均之差，作为第i级荷载pi卸除后的回弹变形Sei；C2、根据C1得到的第i级加载过程中填土模型(2)的竖向变形Si和加载时间t的关系曲线减去第i级卸除后的回弹变形Sei，得到第i级加载过程中的塑性变形和时间t的关系曲线；再以设定的时间间隔，算出第i级加载过程中多个时刻t的塑性变形速率vi(t)；其中，加载级数i＝1时，设定的时间间隔为0.5h，加载级数i＝2,3,4,5时，设定的时间间隔为1h；将多个时刻t的塑性变形速率vi(t)置于vi(t)～t双对数坐标中，提取出线性区间内的数据点作为有效数据点；C3、对C2步得到的第i级加载过程中的塑性变形速率的有效数据点，在按负幂函数v(t)＝At‑α进行拟合，得到第i级加载的比例系数λi对应的幂指数αi值；并将数据(αi,λi)按α＝aλ3+bλ2+cλ+d进行拟合，得到幂指数α与加载比例系数λ的关系曲线，即α～λ曲线；C4、根据α～λ曲线的曲率k的计算公式计算得到α～λ曲线的曲率k与加载比例系数λ的关系曲线，获得曲率k的两个极大值点对应的两个加载比例系数λΙ和λII；将较小的加载比例系数λΙ与填土模型(2)的极限承载力σf相乘即得到区分变形快速稳定与缓慢稳定状态的荷载阈值pΙ，pΙ＝λΙσf；将较大的加载比例系数λII与填土模型(2)的极限承载力σf相乘积即得到区分变形缓慢稳定与缓慢破坏状态的荷载阈值pII，pII＝λIIσf。...

【技术特征摘要】
1.一种测定静载下铁路路基土体变形状态荷载阈值的方法，其操作步骤为：A、试验准备A1、模型箱构筑：在刚性基础上构建刚性模型边壁，构成长、宽、高分别为150cm、150cm、90cm的模型箱(1)；A2、模型填筑：将试验用的铁路路基土样在模型箱内按预定压实度分层填筑形成填土模型(2)，每层填筑的厚度为20～25cm，填土模型的总高度为90cm；A3、加载板安放：在填土模型(2)上表面中心位置安放直径为30cm的圆形刚性加载板(3)；A4、位移传感器布设：在圆形刚性加载板(3)上表面边缘均匀布设三个位移传感器(4)，位移传感器(4)与数据采集系统电连接；A5、试验模型封闭保湿：将模型箱(1)置于封闭空间(5)内，并通过加湿设备使封闭空间(5)内的相对空气湿度保持为90％～95％；B、试验加载及数据采集B1、确定分级施加静载值：通过地基系数测定方法测出填土模型(2)的地基系数K30,单位为MPa/m，进而得出填土模型(2)的极限承载力σf,单位为kPa，σf＝2(2.4K30+15)；确定分级施加静载值pi，pi＝λiσf，其中：i为加载的级数，i＝1,2,3,4,5,6；λi为第i级加载的比例系数，其取值依次为：0.05,0.2,0.4,0.6,0.7,0.8；B2、分级施加静载：先进行一次预加载，预加载的荷载等于B1确定的第1级加载的荷载p1，保持5min，卸除荷载p1后静置5min；随后进行第1至第6级的分级静力加载：第i级加载的荷载等于B1确定的荷载pi，每级加载的时间为24h，两级加载之间的间歇时间1h；在进行每级加载及两级加载之间的间歇期，数据采集系统同步实时采集三个位移传感器(4)测得的圆形刚性加载板(3)的竖向位移值；C、荷载阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗强，熊勇，张良，蒋良潍，刘钢，朱江江，孟伟超，侯振斌，邹亮明，叶庆志，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51