寒區(qū)鐵路含冰率對(duì)碎石集料強(qiáng)度及變形特性影響試驗(yàn)研究

黎旭，嚴(yán)穎，季順迎

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

寒區(qū)有砟軌道廣泛分布于我國的東北、新疆北部及青藏高原部分地區(qū)，這些地區(qū)冬季干燥嚴(yán)寒，降雪量大，是雪害冰凍防治工作的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域[1]。對(duì)于該區(qū)域氣溫波動(dòng)較大的線路地段，雨雪下落堆積到外露的碎石道床表面，在多次凍融及低溫條件下融雪水滲入并填充道床內(nèi)部，將散粒體道床轉(zhuǎn)化為凍結(jié)固化道床。在低溫條件下由骨架顆粒、凍結(jié)冰及孔隙組成的冰-石凍結(jié)混合體的結(jié)構(gòu)形態(tài)將改變道床的物理力學(xué)特性及服役性能，引發(fā)線路不平順及凍害等一系列問題。因此，探究凍結(jié)固化道床的力學(xué)性能及變形特性可為寒區(qū)高速鐵路建設(shè)、行車安全及維修養(yǎng)護(hù)提供重要參考。目前，對(duì)于有砟軌道中碎石道床力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，大都集中于常溫環(huán)境。如單顆粒壓裂試驗(yàn)[2]、洛杉磯磨損試驗(yàn)[3]、直剪試驗(yàn)[4]及三軸壓縮試驗(yàn)[5]，這些研究為揭示道砟碎石集料的力學(xué)及物理特性起到了非常重要的作用。此外，由于有砟軌道廣泛分布于各種各樣的地質(zhì)地理環(huán)境中，外來物貫入并填充道床孔隙，將造成道床不同程度的臟污，導(dǎo)致道床抗剪及排水性能下降等[6]。對(duì)于風(fēng)沙區(qū)碎石道床鐵路，細(xì)沙的貫入將引起道床密實(shí)度增加，造成有效彈性降低及累計(jì)沉降增加，形成道床板結(jié)現(xiàn)象[7]。這類由于細(xì)小顆粒貫入、附著及沉積造成碎石道床力學(xué)性能改變的研究在國內(nèi)外已取得一定的成果。低溫條件下，針對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)巖石抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及彈性模量均會(huì)隨著溫度的降低而增大[8]。并且，凍結(jié)巖石內(nèi)初始含水率越大，其單軸抗壓強(qiáng)度越高，但超過某一界限其造成的凍脹損傷對(duì)強(qiáng)度增長率又會(huì)起到一定的抑制作用[9]。道床凍害主要由道床不潔造成，含水率的增大會(huì)提高板結(jié)道床的凍脹率[10]。雖然普遍認(rèn)為寒區(qū)鐵路中透水性良好的碎石道床凍脹敏感性不如土質(zhì)路基。但由于其直接分擔(dān)軌枕傳遞的列車荷載，相較于常溫散粒體狀態(tài)，在凍結(jié)固化條件下道床的動(dòng)力響應(yīng)及劣化機(jī)制將發(fā)生明顯改變。低溫條件下，冰介質(zhì)不僅以孔隙冰的形式存在于道床內(nèi)部，還可能附著于道砟顆粒表面，并且通過膠結(jié)作用將道砟碎石黏結(jié)成塊，甚至造成軌道凍害。因此，開展凍結(jié)碎石集料力學(xué)性能的研究非常重要。LIU 等[11]通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)及離散元仿真分析了溫度對(duì)凍結(jié)碎石試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響，并探究了凍結(jié)試樣內(nèi)部接觸力的分布特性。但到目前為止，針對(duì)寒區(qū)鐵路道床凍結(jié)情況下力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)試驗(yàn)及理論探究較為少見，其冰-石凍結(jié)混合體力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)研究亟待解決。為深入探究低溫條件下凍結(jié)碎石集料的物理力學(xué)性能，本文設(shè)計(jì)并制備了不同冰含量的凍結(jié)試樣并開展室內(nèi)低溫單軸壓縮試驗(yàn)，研究含冰率對(duì)凍結(jié)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線、破壞模式、強(qiáng)度和變形特性的影響。以上研究不僅對(duì)寒區(qū)鐵路凍結(jié)固化道床的力學(xué)特性研究有重要工程應(yīng)用價(jià)值，也能為冰-石凍結(jié)混合體的力學(xué)行為研究提供可靠試驗(yàn)依據(jù)。

1 含冰道砟材料單軸壓縮的試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 含冰道砟材料的試樣制備

考慮寒區(qū)凍結(jié)試樣的現(xiàn)場采樣及加工保存操作難度大且容易造成試樣損傷，室內(nèi)低溫模型試驗(yàn)被采用。根據(jù)我國《鐵路碎石道砟》規(guī)范要求，本文道砟試驗(yàn)材料選用莫氏硬度5～7 的玄武巖碎石，密度約為ρ=2 800 kg/m3。鐵路工程用道砟粒徑在22.4～63 mm 之間且滿足一定的級(jí)配分布。但由于室內(nèi)試驗(yàn)條件限制，制備的凍結(jié)試樣不能過大，同時(shí)試樣邊界尺寸與顆粒平均直徑的比值過小又會(huì)帶來顆粒尺寸效應(yīng)[12]。因此，可以采用縮尺方法[13]對(duì)碎石集料的現(xiàn)場級(jí)配進(jìn)行縮尺，將縮尺后的級(jí)配作為試驗(yàn)用料級(jí)配。本文以規(guī)范要求的顆粒最大直徑的1/2 作為試驗(yàn)用粒徑并滿足級(jí)配分布。凍結(jié)試樣尺寸參考普通混凝土單軸壓縮試樣制作標(biāo)準(zhǔn)[14]，大小為0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方體，體積記為V。

在室內(nèi)低溫模型試驗(yàn)中，凍結(jié)試樣的制備工序較為關(guān)鍵，是該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖1給出了級(jí)配碎石料制備凍結(jié)試樣的具體過程。

圖1 凍結(jié)試樣的制備過程Fig.1 Preparation process of frozen specimen

首先，在可拆卸模具的內(nèi)壁及底部鋪設(shè)一層防凍防水的聚四氟乙烯薄塑料，防止試樣與模具凍結(jié)黏連；之后再鋪設(shè)一層較厚的隔水墊防止水分過多下沉聚集于試樣底部。然后將晾干后的潔凈級(jí)配碎石料均分成多份并進(jìn)行稱重，保證用于制備試樣的每份碎石料的質(zhì)量基本一致，誤差控制在-2～2 g 左右，其初始重量記做m0。將碎石料浸水并逐份填充到模具內(nèi)，然后充分壓實(shí)并密封，最后放入恒溫箱中冷凍24～36 h，恒溫箱的溫度可調(diào)，溫度范圍可達(dá)0～-40 ℃。冷凍結(jié)束后，將模具、防凍塑料及隔水墊一并拆除，獲得凍結(jié)試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行稱重后再次放入恒溫箱以備后用，其凍結(jié)重量記做m1。

1.2 低溫試驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)裝置為長春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的型號(hào)為WD-200B 的電子萬能試驗(yàn)機(jī)，整體可分為3部分，分別是風(fēng)冷冷凝器，保溫箱體及控制系統(tǒng)。保溫箱體內(nèi)部則又包括上壓板、下支撐板、溫度計(jì)及引伸計(jì)，如圖2所示。冷凝器向保溫箱體內(nèi)輸送冷氣，使凍結(jié)試樣在加載過程中始終處于相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)溫環(huán)境。加載過程中，下支撐板固定，上壓板產(chǎn)生進(jìn)給位移。引伸計(jì)在加載過程中能準(zhǔn)確獲取上壓板產(chǎn)生的軸向位移，避免加載裝置裝配間隙造成的測量誤差。

圖2 試驗(yàn)裝置及加載示意圖Fig.2 Experiment equipment and loading diagram

1.3 含冰率的定義及試驗(yàn)方案

在室內(nèi)低溫單軸壓縮試驗(yàn)中，凍結(jié)試樣采用位移控制加載方式，加載速率v=0.01 mm/s，溫度設(shè)定為-30 ℃。含冰量通過在已凍結(jié)的未拆卸試樣上方噴射一定量潔凈水來增加，每次加水量控制穩(wěn)定，之后再凍結(jié)24～36 h。

凍結(jié)試樣的含冰率w定義為

其中：Vice表示凍結(jié)試樣內(nèi)冰的體積占比，有Vice=(m1-m0)/ρice，ρice為冰的密度，取920 kg/m3；Vpore表示未浸水干燥試樣內(nèi)孔隙的體積占比，有Vpore=V-m0/ρ。

由于制備的試樣含冰率不可能做到一致，這里采用劃分含冰率區(qū)間的方法。含冰率在區(qū)間3%～6%時(shí)定義為低含冰率的情況，10%～25%為中等含冰率，30%以上為高含冰率。此外，為降低試樣內(nèi)顆粒隨機(jī)排布帶來的結(jié)果誤差，每種條件下制備4個(gè)試樣。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 含冰道砟材料單軸壓縮的試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme of ballast material with ice under uniaxial compression

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 含冰道砟材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

為研究不同含冰率凍結(jié)試樣的變形特性，將含水率區(qū)間在2%～6%的試樣定義為參考試樣，并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。在低加載速率下(v=0.01 mm/s)，某個(gè)參考凍結(jié)試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ-ε)如圖3所示。

圖3 低加載速率下凍結(jié)碎石集料典型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Typical stress-strain curve of frozen aggregate under low loading rate

從圖3可以看出，該曲線在加載過程中可劃分為5 個(gè)階段：1)壓密階段OA：該階段曲線呈上凹型，主要是由于試樣內(nèi)部孔隙受壓閉合或加載端面受力不均所致；2)彈性變形階段AB：該階段曲線近似呈直線型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也近似呈線性；3)屈服階段BC：該階段曲線斜率降低，試樣內(nèi)由于微裂紋萌生擴(kuò)展產(chǎn)生損傷，表現(xiàn)為彈塑性變形特征；4)峰后應(yīng)變軟化階段CD：該階段試樣內(nèi)承載主骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象；5) 殘余強(qiáng)度階段DE：該階段應(yīng)力下落逐漸平緩，依靠道砟顆粒的咬合互鎖效應(yīng)及一部分未破碎填充冰的作用，試樣仍具有一定的承載能力。

圖4 給出了不同含冰率下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在低含冰率下(w=2%～6%)，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力跌落初始較大，呈現(xiàn)一定脆性破壞特征。之后由于道砟間的摩擦互鎖，試樣產(chǎn)生漸進(jìn)破壞，呈現(xiàn)一定的應(yīng)變軟化特征。隨著含冰率的增大，曲線屈服階段增大并出現(xiàn)多處波動(dòng)。在高含冰率下(w=30%～35%)，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降速度非常慢。此時(shí)，應(yīng)變軟化及塑性流動(dòng)特征較為明顯，并呈現(xiàn)一定理想塑性特點(diǎn)。

圖4 不同含冰率區(qū)間下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve under different ice contents

2.2 含冰率對(duì)破壞模式的影響

細(xì)觀上凍結(jié)碎石料由碎石粗顆粒、冰及它們之間的界面過渡區(qū)組成，凍結(jié)試樣的力學(xué)性能及破壞模式取決于它們的性質(zhì)及相互作用。圖5給出了2 類含冰率下的凍結(jié)試樣的破壞形式?？梢钥闯?，在圖5(a)低含冰率下(w=2%～6%)，由于試樣中相接觸道砟顆粒間凍結(jié)面較小，凍結(jié)強(qiáng)度較弱，加載過程中萌生的裂縫將沿著凍結(jié)面在道砟顆粒間擴(kuò)展，在加載過程中試樣表層部分道砟顆粒產(chǎn)生脫落，試樣破碎形式表現(xiàn)出與加載方向呈一定傾角的脆性破壞特征。失效后內(nèi)部凍結(jié)面被大范圍破壞，導(dǎo)致凍結(jié)道砟間的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生碎裂坍塌。

圖5 2類含冰率區(qū)間下凍結(jié)試樣的失效形式Fig.5 Failure modes of frozen aggregate under two ice contents

對(duì)于高含冰率(w=30%～35%)的凍結(jié)試樣，在加載過程中，一直伴隨著清脆的冰開裂聲響。萌生的微裂紋產(chǎn)生的斷裂能被試樣內(nèi)原有孔隙的彈性能及斷裂界面的摩擦耗能吸收，裂紋擴(kuò)展及匯合較為緩慢，呈現(xiàn)一定的韌性特征。試樣整體側(cè)向變形明顯，呈現(xiàn)不斷壓扁的狀態(tài)，試樣內(nèi)孔隙周圍產(chǎn)生的受拉翼型裂紋不斷沿加載方向擴(kuò)展形成數(shù)條宏觀貫穿裂縫，試樣的失效模式表現(xiàn)為軸向劈裂破壞特征。

對(duì)于凍結(jié)試樣而言，細(xì)觀上裂縫的擴(kuò)展路徑?jīng)Q定了其宏觀的破壞失效模式，而影響裂縫擴(kuò)展路徑的主要是各相介質(zhì)及交界面的相對(duì)強(qiáng)度。如圖6所示，對(duì)于高含冰率凍結(jié)試樣，在失效后能觀察到明顯的道砟邊角破碎及道砟壓裂的現(xiàn)象(如圖6(a)，6(b)和6(c)所示)。通過對(duì)破碎失效后的凍結(jié)試樣進(jìn)行道砟分離，發(fā)現(xiàn)大量的道砟碎片(如圖6(d)所示)，道砟產(chǎn)生劣化破碎現(xiàn)象較為明顯。這說明較高的含冰率增大了道砟間的凍結(jié)面積，試樣整體承載能力及凍結(jié)界面強(qiáng)度顯著提升。由于在外荷載作用下，道砟間主要通過強(qiáng)度相對(duì)薄弱的邊角進(jìn)行接觸力傳遞，此時(shí)接觸點(diǎn)處應(yīng)力將高度集中。在凍結(jié)界面強(qiáng)度增大及顆?；ユi效應(yīng)的雙重作用下，裂縫將刺穿薄弱的道砟邊角造成道砟的局部擠壓破碎。

基于圖6的道砟局部破碎情況，本文總結(jié)出含冰率影響下冰-石混合體中裂縫的2 類擴(kuò)展模式，以此來解釋試樣的失效機(jī)理，如圖7所示。在低含冰率下，道砟顆粒局部接觸區(qū)的凍結(jié)界面較小，混合體孔隙率高強(qiáng)度低。非規(guī)則道砟顆粒在接觸界面?zhèn)鬟f接觸力及力矩時(shí)，受不平衡力及力矩作用有局部滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，此時(shí)凍結(jié)面很容易產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)開裂，裂縫起裂后將沿著強(qiáng)度較低的顆粒凍結(jié)表面繼續(xù)擴(kuò)展；而隨著含冰率的增大，相接觸的道砟顆粒凍結(jié)界面面積增大，混合體孔隙被冰填充，強(qiáng)度增強(qiáng)。填充冰對(duì)薄弱的骨料接觸界面起到了加固作用，承載了較大部分的加載力，相接觸道砟在互鎖擠壓中裂縫將穿透薄弱接觸區(qū)域產(chǎn)生道砟邊角破碎，裂縫表現(xiàn)為沿顆粒破碎面擴(kuò)展。

圖6 高含冰率下凍結(jié)試樣的局部破碎情況Fig.6 Local breakage images of frozen aggregate with high ice content

圖7 凍結(jié)試樣內(nèi)裂縫的兩類擴(kuò)展方式Fig.7 Two types of crack propagation in frozen aggregates

2.3 含冰率對(duì)力學(xué)性能的影響

含冰率可通過降低試樣孔隙率，提高冰-石兩相材料界面的強(qiáng)度，從而影響凍結(jié)碎石料的宏觀力學(xué)性能。圖8給出了不同含冰率下凍結(jié)試樣的抗壓強(qiáng)度，從圖中可以看出，在較低含冰率下(w=2%～6%)，抗壓強(qiáng)度大致在0.18～0.3 MPa 之間，結(jié)果略高于已有的文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果[12]，可能與參考文獻(xiàn)中試樣的含冰率更低有關(guān)。隨著含冰率的增大，試樣抗壓強(qiáng)度顯著增大，其增長率也逐漸增大，在高含冰率(w=30%～35%)下，抗壓強(qiáng)度在1.27～1.57 MPa 之間，強(qiáng)度增長了5～6 倍。含冰率與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合曲線可用指數(shù)函數(shù)表示：

圖8 不同含冰率下凍結(jié)試樣的抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of frozen aggregate under different ice contents

其中：Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.101 MPa，擬合優(yōu)度R2=0.989，一致性較好。

此外，圖9還給出了含冰率對(duì)凍結(jié)試樣等效彈性模量的影響，可以看出，隨著含冰率的增大，試樣彈性模量也逐漸增大，在較低含冰率下(w=2%～6%)，彈性模量平均在225 MPa 左右；在較高含冰率下，彈性模量增大到600 MPa 左右，增長了2.7倍左右，兩者近似呈線性關(guān)系。

圖9 不同含冰率下凍結(jié)試樣的等效彈性模量Fig.9 Equivalent elastic modulus of frozen aggregate under different ice contents

2.4 含冰率對(duì)變形特性的影響

對(duì)凍結(jié)碎石料變形特性的研究主要通過應(yīng)力應(yīng)變曲線來表征，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變。圖10 為不同含冰率下試樣的破壞應(yīng)變變化情況，可以看出，低含冰率下破壞應(yīng)變平均在0.2%左右，隨著含冰率的增大，試樣的破壞應(yīng)變也不斷增大，但增長趨勢逐漸變緩。在高含冰率下時(shí)破壞應(yīng)變?cè)鲩L到了0.7%左右，但均小于1%。這說明含冰率的增加增大了凍結(jié)試樣的承載能力，峰前屈服階段延長，試樣韌性增強(qiáng)。但由于凍結(jié)界面冰的脆性及易碎性，試樣的整體破壞應(yīng)變不大。

圖10 不同含冰率下凍結(jié)試樣的破壞應(yīng)變Fig.10 Failure strain of frozen aggregate under different ice contents

此外，為評(píng)估凍結(jié)試樣的變形穩(wěn)定性，取試樣進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，應(yīng)力無明顯下降時(shí)的強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度。如圖11 為不同含冰率下試樣的殘余強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)，殘余強(qiáng)度隨著含冰率的增大也逐漸增大，兩者關(guān)系也可用指數(shù)函數(shù)擬合表示：

圖11 不同含冰率下凍結(jié)試樣的殘余強(qiáng)度Fig.11 Residual strengths of frozen aggregates under different ice contents

其中：Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.101 MPa，擬合優(yōu)度R2=0.988，一致性較好。

為更直觀地體現(xiàn)殘余強(qiáng)度在反映凍結(jié)試樣脆性程度中的作用，參考已有文獻(xiàn)[15]對(duì)巖石脆性指標(biāo)的定義，引入無側(cè)壓下凍結(jié)碎石料強(qiáng)度衰減系數(shù)η，用于表征峰后強(qiáng)度的衰減行為，定義為：

根據(jù)定義，當(dāng)殘余強(qiáng)度σr→0 時(shí)，強(qiáng)度衰減系數(shù)η→1，材料峰后表現(xiàn)為完全脆性；而當(dāng)殘余強(qiáng)度σr→1 時(shí)，強(qiáng)度衰減系數(shù)η→0，材料峰后表現(xiàn)為理想塑性。

圖12 給出了凍結(jié)道砟集料試樣的強(qiáng)度衰減系數(shù)隨含冰率的變化關(guān)系情況?？梢钥闯觯瑥?qiáng)度衰減系數(shù)隨著含冰率的增大而逐漸降低，兩者的關(guān)系可以用冪函數(shù)來擬合表示：

圖12 不同含冰率下凍結(jié)試樣的強(qiáng)度衰減系數(shù)Fig.12 Relationship between ice content and strength attenuation coefficient

結(jié)合式(4)～(5)，基于強(qiáng)度衰減法確定凍結(jié)試樣的殘余強(qiáng)度為：

可通過該公式估計(jì)凍結(jié)碎石料的殘余強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 較低加載速率下凍結(jié)試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型。當(dāng)含冰率較低時(shí)，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力降幅較大，之后由于道砟間互鎖效應(yīng)，曲線又呈現(xiàn)一定應(yīng)變軟化特征；隨著含冰率的增大，試樣屈服階段增大，曲線峰后應(yīng)變軟化愈加明顯，甚至呈現(xiàn)一定理想塑性特征。

2) 含冰率會(huì)影響試樣破壞模式。在低含冰率下，凍結(jié)試樣失效后呈現(xiàn)與加載方向一定傾角的脆性破壞特征。高含冰率下凍結(jié)試樣側(cè)向變形較為明顯，呈現(xiàn)軸向劈裂失效特征。

3)低含冰率下(w=2%～6%)，試樣抗壓強(qiáng)度大致在0.18～0.3 MPa 之間且隨含冰率逐漸增大，在高含冰率下(w=30%～35%)強(qiáng)度增長了5～6倍，兩者關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)表示；而有效彈性模量在低含冰率下平均在225 MPa左右，且隨含冰率的增大而近似線性增大。

4) 含冰率顯著影響試樣峰后變形特性。破壞應(yīng)變隨含冰率增大而增大，且增長率呈先增大后減小趨勢；峰后殘余強(qiáng)度可用強(qiáng)度衰減系數(shù)η來表征，該系數(shù)隨含冰率的增大而逐漸減小，基于強(qiáng)度衰減法可估計(jì)凍結(jié)試樣的殘余強(qiáng)度。

本研究通過探究低溫冰凍條件下含冰道砟集料的基本物理力學(xué)性質(zhì)，有望對(duì)高寒地區(qū)有砟軌道(尤其是道床結(jié)構(gòu))的建設(shè)、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修等方面提供有益工程參考。