曾志 李書明 鄭新國 劉競 謝永江 馮仲偉 樓梁偉

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

高速鐵路地基、路基的不均勻工后沉降變形是無砟軌道線路運營過程中面臨的主要問題之一［1］。針對較小的沉降變形，可通過調(diào)整扣件的軌下墊板進行調(diào)節(jié)，對于沉降量超過扣件可調(diào)范圍的無砟軌道線路，主要通過高聚物注漿抬升技術恢復線路的平順性。近年來，以高聚物注漿材料為核心的注漿技術在我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構抬升中得到了有效應用［2］。

高聚物注漿抬升技術是采用高壓注漿設備向無砟軌道結(jié)構下方路基基床表層級配碎石中注入膨脹性雙組分聚氨酯高聚物注漿材料，借助高聚物注漿材料的膨脹力和高壓注漿設備的液壓傳動力提供抬升力，抬升無砟軌道結(jié)構［3］。高聚物注漿材料以層狀的形式存在于無砟軌道結(jié)構與級配碎石之間，該材料在結(jié)構中主要起抬升軌道、承力、傳力和使上部無砟軌道結(jié)構保持穩(wěn)定等作用［4］。

高聚物注漿材料具有快速反應、膨脹性高、輕質(zhì)高強、韌性好等特點，并且其性能與其表觀密度密切相關。王娟等［5］研究表明高聚物注漿材料的密度對高聚物碎石混合料的變形和強度有較大影響，隨著高聚物密度的增加，高聚物碎石混合料脆性增加，強度提高。鄭新國等［6］指出高聚物注漿材料結(jié)構體的彎曲強度、壓縮強度隨高聚物密度的增加而增大，彎曲變形能力隨密度的增加而降低，并擬合出相應的關系曲線。高翔等［7］研究了不同密度高聚物注漿材料的單軸抗壓強度，并基于Gibson?Ashby模型較好地擬合了材料強度。顏行等［8］研究表明高聚物注漿材料膨脹比和豎向壓應力對其強度和剪脹特性影響較大，高聚物的剪應力-位移變化規(guī)律與黏土和砂土較為類似，剪切位移較小時剪應力快速上升，隨后保持穩(wěn)定。

由高聚物注漿材料固結(jié)體的服役特征可知，固結(jié)體除了承受豎向荷載之外，還要承受高速列車行車作用下的橫向水平荷載，尤其對于曲線區(qū)段，高聚物注漿材料固結(jié)體與無砟軌道結(jié)構之間能否形成良好的剪切黏結(jié)，直接影響無砟軌道結(jié)構的穩(wěn)定性。然而，已有理論成果主要針對高聚物注漿材料固結(jié)體的抗壓、抗彎、抗拉性能，針對高聚物注漿材料與無砟軌道結(jié)構混凝土之間剪切黏結(jié)性能的研究較少。為此，本文以無砟軌道結(jié)構抬升后高聚物注漿材料固結(jié)體的密度分布為基礎，模擬無砟軌道結(jié)構混凝土與相應密度下高聚物注漿材料之間的黏結(jié)，對比高聚物注漿材料結(jié)構體以及級配碎石的剪切黏結(jié)性能，并對固結(jié)體和級配碎石的壓縮性能進行研究，分析高聚物注漿抬升后無砟軌道結(jié)構的穩(wěn)定性，為無砟軌道結(jié)構高聚物注漿抬升技術的工程應用提供理論支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 高聚物注漿材料

高聚物注漿材料為自主研發(fā)的雙組分聚氨酯。其中，A組分為異氰酸酯，呈棕黃色；B組分為多元醇，呈淡黃色。二者的體積比為1∶1。A，B雙組分混合攪拌均勻后發(fā)生發(fā)泡膨脹反應，起發(fā)時間為7 s，表干時間為26 s。表干后膨脹基本完成，形成具有獨立閉孔結(jié)構的白色固結(jié)體，15 min后強度達到設計強度的95%以上。通過調(diào)整發(fā)泡劑的用量調(diào)節(jié)高聚物注漿材料固結(jié)體的密度。

1.2 無砟軌道實尺模型抬升試驗

采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構進行模擬試驗，自上往下依次為鋼軌、扣件、CRTS型無砟軌道板、水泥乳化瀝青砂漿和C30混凝土支承層。下部基礎模擬路基，基床底層為A，B組填料，基床表層為級配碎石，基床底層和表層均通過機械碾壓密實。采用自主研發(fā)的高聚物注漿抬升工藝，在線路中線上設置抬升孔，注漿孔間距為4.0 m，抬升高度為20 mm，抬升完成后進行揭板試驗，測試高聚物注漿材料的擴展范圍和固結(jié)體密度。

1.3 剪切黏結(jié)試驗

模擬高聚物注漿材料與支承層混凝土之間的黏結(jié)，采用C30混凝土進行試驗，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。待混凝土養(yǎng)護至28 d之后，采用鉆機在試件中心鉆取直徑為105 mm的圓柱體，接著在混凝土試件中灌注高聚物注漿材料。待高聚物注漿材料固結(jié)并養(yǎng)護3 d以后，在電子萬能試驗機上用直徑為100 mm的混凝土試塊沿豎直方向壓高聚物注漿材料固結(jié)體，進行剪切黏結(jié)試驗，加載速率為5 mm/min。級配碎石剪切黏結(jié)成型方法與高聚物注漿材料類似，采用人工搗實的方式進行級配碎石搗固密實。所用級配碎石的最大粒徑為30 mm，最優(yōu)含水率為4.35%，最大干密度為2.27 g/cm3。

1.4 壓縮性能試驗

將高聚物注漿材料固結(jié)體試件切割成尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的試樣，采用電子萬能試驗機進行壓縮性能試驗，加載速率為5 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高聚物注漿材料固結(jié)體密度分布

無砟軌道結(jié)構抬升完成后進行揭板檢驗。揭板后高聚物注漿材料固結(jié)體以抬升注漿孔為中心呈橢圓形擴展（圖1），其中沿線路縱向為長軸方向，固結(jié)體基本全部黏附在支承層混凝土底部，與無砟軌道結(jié)構支承層混凝土形成良好黏結(jié)。

取離抬升孔不同距離固結(jié)體測試其密度。當距離抬升孔分別為0.3，0.6，0.9 m時，高聚物注漿材料固結(jié)體密度分別為240，190，96 kg/m3?？芍c抬升孔的距離不同，高聚物注漿材料固結(jié)體的密度也不同，距離抬升孔越近固結(jié)體密度越大。這主要是因為，抬升孔附近的固結(jié)體為最先注入的高聚物注漿材料，開始抬升時，無砟軌道結(jié)構與級配碎石間縫隙較小，高聚物注漿材料在狹小空間中承受巨大的上部反壓才能抬升上部軌道結(jié)構，反壓情況下形成的固結(jié)體密度也較大。隨著抬升的進行，無砟軌道結(jié)構與碎石間的縫隙逐漸加大，高聚物注漿材料逐漸向外圍擴展，填充無砟軌道結(jié)構下方空隙，填充時遇到的反壓相對較小，形成固結(jié)體的密度也較小。

圖1 高聚物注漿材料固結(jié)體分布形態(tài)

2.2 高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)性能

采用密度分別為96，190，240 kg/m3的高聚物注漿材料成型剪切黏結(jié)試樣開展試驗，得到的剪切黏結(jié)應力-應變曲線見圖2。

圖2 固結(jié)體剪切黏結(jié)應力-應變曲線

由圖2可知，在剪切荷載作用下，高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)應力-應變曲線呈現(xiàn)出2個階段變化特征。在第1階段，隨著應變增加剪切黏結(jié)應力呈線性增長，且固結(jié)體密度越大剪切黏結(jié)應力增長越快，呈現(xiàn)彈性變化特征。在此階段固結(jié)體與混凝土黏結(jié)良好，并未發(fā)生剪切破壞。產(chǎn)生剪切彈性應變主要是因為固結(jié)體是多孔材料，固結(jié)體密度越小，固結(jié)體中的氣泡含量越多，越容易發(fā)生剪切彈性變形。在第2階段，隨著應變的增加，密度小于190 kg/m3的低密度高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)應力基本不變，呈現(xiàn)屈服特征，而對于密度為240 kg/m3的高密度固結(jié)體剪切黏結(jié)應力逐漸增加。這主要是因為低密度固結(jié)體剪切黏結(jié)強度相對較低，在較高的剪切應力作用下，固結(jié)體發(fā)生剪切破壞，但固結(jié)體與混凝土仍具有較高的摩擦阻力，發(fā)生了屈服現(xiàn)象。對于高密度固結(jié)體，由于剪切黏結(jié)強度相對較高，固結(jié)體很難被剪切破壞，在較高的剪應力下泡沫逐漸被壓縮密實，表現(xiàn)為隨著應變增加，剪切黏結(jié)應力有所增加，但增加的幅度逐漸降低。高聚物注漿材料固結(jié)體的這種剪應力下屈服黏結(jié)特性對于維持無砟軌道結(jié)構穩(wěn)定性是至關重要的。雖然橫向剪切應力達到了剪切屈服強度，但是高聚物注漿材料固結(jié)體仍然能夠提供較高的橫向摩擦阻力。與高聚物注漿材料固結(jié)體相比，級配碎石剪切黏結(jié)應力-應變曲線呈現(xiàn)彈性變化規(guī)律，隨著應變增加剪切黏結(jié)應力逐漸增大，但當達到剪切強度時，級配碎石與混凝土試件之間產(chǎn)生滑移，造成剪切黏結(jié)應力迅速降低。

對于高聚物注漿材料固結(jié)體的剪切黏結(jié)模量和剪切黏結(jié)強度，由試驗結(jié)果可知，隨著固結(jié)體密度的增加剪切黏結(jié)模量略有增加，剪切黏結(jié)強度迅速增加。當固結(jié)體密度分別為96，190，240 kg/m3時，固結(jié)體與混凝土間的剪切黏結(jié)模量分別為0.09，0.16，0.25 MPa，剪切黏結(jié)強度分別為0.19，0.30，0.88 MPa。可以得到，高聚物注漿材料固結(jié)體的剪切黏結(jié)模量與級配碎石相當，而高聚物注漿材料固結(jié)體與支承層混凝土間的剪切黏結(jié)強度顯著高于級配碎石與支承層混凝土間的黏結(jié)強度。

2.3 高聚物注漿材料固結(jié)體壓縮性能

不同密度固結(jié)體及級配碎石的壓縮應力-應變曲線見圖3。可見，在壓縮荷載下，高聚物注漿材料抬升后形成固結(jié)體的應力-應變曲線呈現(xiàn)2個階段變化特征。第1階段為彈性變形階段，在此階段隨著應變的增加應力呈線性增加，且隨著固結(jié)體密度增加線性增加的趨勢更加顯著；第2階段為屈服變形階段，當達到最大承載力時，隨著應變的持續(xù)增加，應力基本不變。這主要是因為固結(jié)體為多孔材料，主要依靠孔壁承受荷載，當達到最大荷載時已達到孔壁的最大承載力，孔壁發(fā)生塑性變形，泡孔被壓縮，表現(xiàn)為屈服現(xiàn)象。另外，與固結(jié)體不同，級配碎石為顆粒堆積密實體，依靠顆粒之間的鑲嵌及摩擦提供承載力，當壓縮荷載較小時級配碎石主要發(fā)生彈性變形，當荷載持續(xù)增加超過級配碎石顆粒間的作用力后，級配碎石顆粒間發(fā)生滑動變形，承載力降低。

試驗結(jié)果表明，隨著固結(jié)體密度的增加，高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量略有增加，而壓縮強度顯著增加；級配碎石的彈性模量與固結(jié)體的相當，而固結(jié)體的壓縮強度顯著高于級配碎石。當固結(jié)體密度分別為96，190，240 kg/m3時，高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量分別為186，254，303 kPa，級配碎石的彈性模量為173 kPa；固結(jié)體的壓縮強度分別為0.88，1.17，1.58 MPa，級配碎石的壓縮強度為0.12 MPa。級配碎石的研究結(jié)果與已有研究測試結(jié)果基本一致［9-10］。

高聚物注漿材料抬升后與級配碎石形成復合結(jié)構［11］，由試驗結(jié)果可知，抬升后形成固結(jié)體的彈性模量、剪切黏結(jié)模量與級配碎石的相當，固結(jié)體的壓縮強度、剪切黏結(jié)強度明顯高于級配碎石。這表明，在服役過程中，固結(jié)體與級配碎石能夠同步變形，協(xié)同受力，抬升后形成的固結(jié)體能夠提供較高的橫向抗剪力和豎向支撐力，從而保證抬升后無砟軌道結(jié)構的穩(wěn)定性。

圖3 級配碎石及固結(jié)體的壓縮應力-應變曲線

3 結(jié)論

1）無砟軌道結(jié)構抬升后，高聚物注漿材料在無砟軌道下方呈橢圓形擴展，其固結(jié)體與無砟軌道結(jié)構支承層混凝土形成良好黏結(jié)。距抬升孔越近高聚物注漿材料固結(jié)體的密度越大。

2）在剪切和壓縮荷載下，高聚物注漿材料固結(jié)體均呈現(xiàn)先彈性變形后屈服變形的現(xiàn)象，且固結(jié)體密度越高其壓縮強度、剪切黏結(jié)強度越高；級配碎石主要呈現(xiàn)彈性變形現(xiàn)象。無砟軌道結(jié)構抬升形成固結(jié)體的強度顯著高于級配碎石強度。

3）高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量、剪切黏結(jié)模量與級配碎石的相當，且隨著固結(jié)體密度的增加，其彈性模量和剪切黏結(jié)模量變化不大。

4）無砟軌道結(jié)構抬升后高聚物注漿材料固結(jié)體與級配碎石形成復合體，在服役過程中固結(jié)體與級配碎石能夠同步變形，協(xié)同受力，抬升后形成的固結(jié)體能夠提供較高的橫向抗剪力和豎向支撐力，能夠保證抬升后無砟軌道結(jié)構的穩(wěn)定性。