黎旭，嚴穎，季順迎

(1.大連理工大學 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連交通大學 土木與安全工程學院，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)冬季干燥嚴寒，降雪量大，是雪害冰凍防治工作的重點關注區(qū)域[1]。對于該區(qū)域氣溫波動較大的線路地段，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)固化道床的力學性能及變形特性可為寒區(qū)高速鐵路建設、行車安全及維修養(yǎng)護提供重要參考。目前，對于有砟軌道中碎石道床力學性能的試驗研究，大都集中于常溫環(huán)境。如單顆粒壓裂試驗[2]、洛杉磯磨損試驗[3]、直剪試驗[4]及三軸壓縮試驗[5]，這些研究為揭示道砟碎石集料的力學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，導致道床抗剪及排水性能下降等[6]。對于風沙區(qū)碎石道床鐵路，細沙的貫入將引起道床密實度增加，造成有效彈性降低及累計沉降增加，形成道床板結(jié)現(xiàn)象[7]。這類由于細小顆粒貫入、附著及沉積造成碎石道床力學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，針對巖石物理力學性質(zhì)的試驗研究發(fā)現(xiàn)巖石抗拉強度、抗壓強度及彈性模量均會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，其單軸抗壓強度越高，但超過某一界限其造成的凍脹損傷對強度增長率又會起到一定的抑制作用[9]。道床凍害主要由道床不潔造成，含水率的增大會提高板結(jié)道床的凍脹率[10]。雖然普遍認為寒區(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力響應及劣化機制將發(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)碎石集料力學性能的研究非常重要。LIU 等[11]通過室內(nèi)單軸壓縮試驗及離散元仿真分析了溫度對凍結(jié)碎石試樣抗壓強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，針對寒區(qū)鐵路道床凍結(jié)情況下力學性質(zhì)的相關試驗及理論探究較為少見，其冰-石凍結(jié)混合體力學特性的認識研究亟待解決。為深入探究低溫條件下凍結(jié)碎石集料的物理力學性能，本文設計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，研究含冰率對凍結(jié)試樣的應力應變曲線、破壞模式、強度和變形特性的影響。以上研究不僅對寒區(qū)鐵路凍結(jié)固化道床的力學特性研究有重要工程應用價值，也能為冰-石凍結(jié)混合體的力學行為研究提供可靠試驗依據(jù)。

1 含冰道砟材料單軸壓縮的試樣制備及試驗方案

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配分布。但由于室內(nèi)試驗條件限制，制備的凍結(jié)試樣不能過大，同時試樣邊界尺寸與顆粒平均直徑的比值過小又會帶來顆粒尺寸效應[12]。因此，可以采用縮尺方法[13]對碎石集料的現(xiàn)場級配進行縮尺，將縮尺后的級配作為試驗用料級配。本文以規(guī)范要求的顆粒最大直徑的1/2 作為試驗用粒徑并滿足級配分布。凍結(jié)試樣尺寸參考普通混凝土單軸壓縮試樣制作標準[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)低溫模型試驗中，凍結(jié)試樣的制備工序較為關鍵，是該試驗設計的重點。圖1給出了級配碎石料制備凍結(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配碎石料均分成多份并進行稱重，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，并對試樣進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 低溫試驗裝置

本文試驗裝置為長春試驗機研究所生產(chǎn)的型號為WD-200B 的電子萬能試驗機，整體可分為3部分，分別是風冷冷凝器，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、溫度計及引伸計，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穩(wěn)定的負溫環(huán)境。加載過程中，下支撐板固定，上壓板產(chǎn)生進給位移。引伸計在加載過程中能準確獲取上壓板產(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方案

在室內(nèi)低溫單軸壓縮試驗中，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)顆粒隨機排布帶來的結(jié)果誤差，每種條件下制備4個試樣。具體試驗方案如表1所示。

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

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 含冰道砟材料的應力應變曲線

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，并進行單軸壓縮試驗。在低加載速率下(v=0.01 mm/s)，某個參考凍結(jié)試樣的全應力-應變曲線(σ-ε)如圖3所示。

圖3 低加載速率下凍結(jié)碎石集料典型應力應變曲線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，應力-應變關系也近似呈線性；3)屈服階段BC：該階段曲線斜率降低，試樣內(nèi)由于微裂紋萌生擴展產(chǎn)生損傷，表現(xiàn)為彈塑性變形特征；4)峰后應變軟化階段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)應力跌落現(xiàn)象；5) 殘余強度階段DE：該階段應力下落逐漸平緩，依靠道砟顆粒的咬合互鎖效應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力應變曲線。在低含冰率下(w=2%～6%)，試樣達到峰值應力后，應力跌落初始較大，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)生漸進破壞，呈現(xiàn)一定的應變軟化特征。隨著含冰率的增大，曲線屈服階段增大并出現(xiàn)多處波動。在高含冰率下(w=30%～35%)，試樣達到峰值應力后應力下降速度非常慢。此時，應變軟化及塑性流動特征較為明顯，并呈現(xiàn)一定理想塑性特點。

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

2.2 含冰率對破壞模式的影響

細觀上凍結(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。

對于凍結(jié)試樣而言，細觀上裂縫的擴展路徑?jīng)Q定了其宏觀的破壞失效模式，而影響裂縫擴展路徑的主要是各相介質(zhì)及交界面的相對強度。如圖6所示，對于高含冰率凍結(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)。通過對破碎失效后的凍結(jié)試樣進行道砟分離，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)界面強度顯著提升。由于在外荷載作用下，道砟間主要通過強度相對薄弱的邊角進行接觸力傳遞，此時接觸點處應力將高度集中。在凍結(jié)界面強度增大及顆?；ユi效應的雙重作用下，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 類擴展模式，以此來解釋試樣的失效機理，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，受不平衡力及力矩作用有局部滑動及轉(zhuǎn)動的趨勢，此時凍結(jié)面很容易產(chǎn)生錯動開裂，裂縫起裂后將沿著強度較低的顆粒凍結(jié)表面繼續(xù)擴展；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，強度增強。填充冰對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)裂縫的兩類擴展方式Fig.7 Two types of crack propagation in frozen aggregates

2.3 含冰率對力學性能的影響

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度，從而影響凍結(jié)碎石料的宏觀力學性能。圖8給出了不同含冰率下凍結(jié)試樣的抗壓強度，從圖中可以看出，在較低含冰率下(w=2%～6%)，抗壓強度大致在0.18～0.3 MPa 之間，結(jié)果略高于已有的文獻試驗結(jié)果[12]，可能與參考文獻中試樣的含冰率更低有關。隨著含冰率的增大，試樣抗壓強度顯著增大，其增長率也逐漸增大，在高含冰率(w=30%～35%)下，抗壓強度在1.27～1.57 MPa 之間，強度增長了5～6 倍。含冰率與單軸抗壓強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)試樣的抗壓強度Fig.8 Compressive strength of frozen aggregate under different ice contents

其中：Pa為標準大氣壓，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 含冰率對變形特性的影響

對凍結(jié)碎石料變形特性的研究主要通過應力應變曲線來表征，取應力應變曲線上峰值應力對應的軸向應變?yōu)槠茐膽儭D10 為不同含冰率下試樣的破壞應變變化情況，可以看出，低含冰率下破壞應變平均在0.2%左右，隨著含冰率的增大，試樣的破壞應變也不斷增大，但增長趨勢逐漸變緩。在高含冰率下時破壞應變增長到了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。但由于凍結(jié)界面冰的脆性及易碎性，試樣的整體破壞應變不大。

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

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

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

其中：Pa為標準大氣壓，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)殘余強度在反映凍結(jié)試樣脆性程度中的作用，參考已有文獻[15]對巖石脆性指標的定義，引入無側(cè)壓下凍結(jié)碎石料強度衰減系數(shù)η，用于表征峰后強度的衰減行為，定義為：

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

圖12 給出了凍結(jié)道砟集料試樣的強度衰減系數(shù)隨含冰率的變化關系情況?？梢钥闯?，強度衰減系數(shù)隨著含冰率的增大而逐漸降低，兩者的關系可以用冪函數(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)，基于強度衰減法確定凍結(jié)試樣的殘余強度為：

可通過該公式估計凍結(jié)碎石料的殘余強度。

3 結(jié)論

1) 較低加載速率下凍結(jié)試樣應力應變曲線均為應變軟化型。當含冰率較低時，試樣達到峰值應力后，應力降幅較大，之后由于道砟間互鎖效應，曲線又呈現(xiàn)一定應變軟化特征；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%)強度增長了5～6倍，兩者關系可用指數(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；峰后殘余強度可用強度衰減系數(shù)η來表征，該系數(shù)隨含冰率的增大而逐漸減小，基于強度衰減法可估計凍結(jié)試樣的殘余強度。

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性質(zhì)，有望對高寒地區(qū)有砟軌道(尤其是道床結(jié)構(gòu))的建設、運營及養(yǎng)護維修等方面提供有益工程參考。