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含盐饱和砂土液化特性试验及其路基应用研究

张磊  
【摘要】:近些年来,我国西北地区响应国家“一带一路”战略工程的号召,突破险阻修建了许多大型铁路与公路工程。但由于西北地区复杂的地质条件,在工程建设中也遇到很多错综复杂的技术问题。例如在青海省锡铁山到北霍布逊盐湖矿地区的铁路路基建设,因该地区高含盐砂土分布广泛,盐湖区含水量又高、降雨较频繁,部分高含盐砂土常年处于饱和状态,加之该地区处于地震烈度8度区,而含盐饱和砂土在地震作用下会产生液化效应,进而导致铁路路基的液化、路堤侧向滑动、路基整体下沉、轨道不平顺等诸多安全隐患。为此研究好含盐饱和砂土在地震作用下的液化特性、分析含盐饱和砂土与普通饱和砂土的液化机理及影响因素的区别、对比不同含盐量下的饱和砂土液化时的力学参数以及地震作用下的含盐饱和砂土路基的变形规律有着深远而现实的意义。由于不同地区的盐渍土种类与性质存在差异,气候条件也有差别,路基受雨水的影响情况也不相同,使得对含盐的饱和砂土的液化特性没有一个较为全面系统的研究,为此本文以青海省的锡铁山到北霍布逊地区铁路路基的修建为依托,选取该地区紧邻盐湖的高含盐盐渍土饱和地区进行取样,通过室内基本土工试验得出土样的含盐量、最优含水率、最大干密度、级配曲线等基本物理参数,再进行土样的重塑,配置不含盐、10%含盐、20%含盐、30%含盐的四种饱和砂土试样,利用GDS动三轴仪对试验土样进行液化特性试验,通过室内动三轴试验得到了四种土体的轴向应力曲线(σ_a-N)、轴向应变曲线(ε_d-N)、剪切应力-应变曲线(τ-γ_d)、超静孔压比曲线(Y-N)、动剪切模量变化曲(G_d-γ_d)、动阻尼比特性曲线(D-γ_d)以及土体抗液化强度CSR曲线,以及验证含盐饱和砂土的液化判别标准,最后结合ANSYS数值模拟软件,模拟不同含盐量下的饱和砂土铁路路基在地震荷载下的力学特性及沉降规律。主要研究内容与成果如下:(1)本文分析了含盐饱和砂土的液化机理,指出含盐饱和砂土液化时的特殊性,即地震荷载的作用下过高的含水量会使含盐饱和砂土发生溶陷和液化的共同作用。同时提出含盐的饱和砂土的液化判别标准是当超静孔压标准比u_d/σ_3=1和双向应变幅值(ε_d)达到5%时含盐饱和砂土开始液化,并在后续试验中验证了其合理性。(2)据土工试验得到的基本参数设计室内试验,分别配置不含盐饱和砂土、10%、20%、30%四种含盐饱和砂土,进行室内动三轴试验。得到土样随着动荷载的循环次数增加,轴向动应力和动应变曲线。随着含盐量的增加,土样承受的轴向最大应力值减小。不同含盐饱和砂土的轴向应变随着荷载振动次数的增加皆呈现增长的趋势同时发现含盐饱和砂土达到的液化破坏所需时长要大于不含盐的饱和砂土。(3)对比分四种土样的超静孔压比曲线,都随着振动次数的增大而增大,当孔压比系数达到1时,土体的轴向双幅变形ε_d也达到5%,其轴向应力σ_a也达到最大值,此时土体符合含盐饱和砂土的液化判别机理,表明此时土体达到初始液化状态。(4)分析试样的剪切应力应变滞回曲线,随着荷载的振动次数的增加,动剪切应变γ_d逐渐增大,动应力幅值也增加,当四种不同含盐饱和砂土处于液化前阶段,剪应力应变曲线都是集中在极小的变化范围内,随着振动次数的增加含盐饱和砂土的剪应力达到了液化初始值,土体无法继续承受振动荷载的冲击,开始液化,滞回圈的面积也逐渐开始增大。(5)土样在振动荷载初期,动剪切模量随着剪切应变的增大变化幅度很小,随着剪切应变γ_d的逐渐增大,动剪切模量G_d的衰减速率也逐渐放缓,当动剪应变值大于5%时,动剪模量变化趋势逐渐趋于平缓,其值渐近于0。四种饱和砂土的阻尼比均随其动剪应变的增大而增大。通过计算四种饱和土的动剪应力比CSR值得到土体抗液化强度曲线,抗液化强度大小为:10%含盐饱和砂土20%含盐饱和砂土30%含盐饱和砂土不含盐的饱和砂土。(6)构建四种换填处理后的不同含盐量的饱和砂土路基模型,施加concrete地震三向波,发现含盐的饱和砂土路基的位移沉降小很多,表明含盐饱和砂土路基抵抗地震能力更好。对比四种饱和土液化时的剪切应力,四种路基中的最大应力都无法达到液化时的剪切应力,表明该路基换填后有效的减轻了地震液化效应。


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