余思昕 ，肖杰靈 ，景璞 ，杜帥，熊震威

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

有砟軌道應(yīng)用廣泛，但道床的散體性影響了軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性和平順性。聚氨酯固化技術(shù)可加強散體道砟的整體性，在有砟軌道過渡段剛度調(diào)整、飛砟防治和道床結(jié)構(gòu)強化等方面均有應(yīng)用[1]。通過對有砟道床的全斷面或局部灌注聚氨酯材料，經(jīng)微發(fā)泡后填塞道砟孔隙，形成了一種膠結(jié)的碎石顆粒體結(jié)構(gòu)[2]。近年來聚氨酯固化結(jié)構(gòu)引起了科研工作者廣泛的關(guān)注。WOOD‐WARD 等[3?4]研究認為聚氨酯加固有砟道床可有效保持軌道框架穩(wěn)定，實現(xiàn)道岔區(qū)和過渡段的剛度過渡，減少軌道的維護工作量。CAI 等[5]基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論和有限元方法，研究了聚氨酯固化道床在重載鐵路隧道中的動力特性。王紅[6]比較了道砟膠結(jié)和聚氨酯固化技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用條件。郄錄朝等[7]通過聚氨酯固化道床的足尺模型試驗，研究了道床的彈性、累積變形等力學(xué)性能，提出聚氨酯固化道床相較于有砟道床，具有更好的彈性保持能力和抗累積變形能力。KEENE 等[8]采用單軸壓縮及循環(huán)荷載下的彎曲試驗，對比了聚氨酯及水泥等膠凝材料與道砟黏結(jié)后的力學(xué)性能差異。徐旸[9]通過試驗曲線標定離散元聚氨酯固化道床立方體試件模型，探究不同試件厚度的殘余變形和動位移幅值隨荷載的變化規(guī)律。賈文利[10]對聚氨酯固化道床立方體試塊進行了單軸抗壓試驗，研究不同聚氨酯材料和不同養(yǎng)護時間的試塊強度與變形間的關(guān)系。上述研究主要側(cè)重于固化道床結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能及工程應(yīng)用評估，缺乏聚氨酯固化道床試件受壓過程中，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能變化規(guī)律，以及聚氨酯和道砟間破壞機理的研究，而結(jié)構(gòu)細觀力學(xué)研究對掌握結(jié)構(gòu)整體承力特性及破壞機理尤為重要。相關(guān)研究表明，單軸壓縮試驗與反復(fù)加載試驗是研究材料基本力學(xué)性能的主要試驗。楊大方等[11]對單軸壓縮下的細砂巖的裂紋擴展、破壞過程進行了描述，得到了材料的主要破壞模式；徐浩等[12]采用電子萬能試驗機，研究了單軸反復(fù)荷載下水泥乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能，提出了反復(fù)荷載下該材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線方程。李俊華等[13]采用低周反復(fù)荷載研究高強混凝土柱的受力性能，通過滯回曲線研究其耗能能力?？紤]到固化道床主要承受軌枕傳來的輪軌垂向荷載，下面將通過對特制的聚氨酯固化道床試塊進行單向和反復(fù)加載試驗，研究在加載過程中的殘余應(yīng)變和能量耗散規(guī)律；并通過單軸壓縮試驗，獲得材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，觀察加載過程中裂縫的出現(xiàn)、擴張直到破壞的全過程以及試件最后的破壞行為，觀察破壞后聚氨酯與道砟的幾何形態(tài)，分析聚氨酯與道砟間的相互作用關(guān)系。

1 試驗方案

1.1 試驗方法

采用WDW 系微機控制電子萬能試驗機進行控制加載。力由受壓方向的荷載傳感器測試，位移由高精度位移傳感器量測，其精度為0.001 mm。放置試塊前，在底座與加載頭部涂抹潤滑劑，消除界面摩擦的影響。為進行均勻加載，消除間隙，在加載面上放置一塊350 mm×350 mm×10 mm 的鋼板，正式試驗前應(yīng)進行一定的預(yù)載。對黏彈性材料進行壓縮試驗時，加載速率對試驗結(jié)果有較大的影響[14]。為保證加載時試件處于準靜態(tài)受力過程，參考典型的黏彈性材料——瀝青混合料的試驗規(guī)程[15]，將試驗加載速率設(shè)為2 mm/min。試驗裝置如圖1。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test apparatus

1.2 試件制作

選用經(jīng)水洗、烘干的特級道砟，考慮道床斷面的尺寸和碎石顆粒的邊界效應(yīng)，制作尺寸為350 mm×350 mm×350 mm 的聚氨酯碎石道砟試件。使用的聚氨酯發(fā)泡材料由多元醇組合料(A)與異氰酸酯組合料(B)構(gòu)成，組合料中包括擴鏈劑、發(fā)泡劑、勻泡劑和催化劑等輔助劑，材料的性能與發(fā)泡環(huán)境相關(guān)，10%壓縮強度約為11～14 kPa，拉伸強度約為250～280 kPa，撕裂強度約為500～600 N/m。A 料與B 料按1:0.7 的質(zhì)量比混合，聚氨酯混合料質(zhì)量約為7 kg，采用攪拌機充分攪拌后由頂部灌注模具中，起發(fā)時間約為20 s，表干時間約為80 s。使用的道砟質(zhì)量約為73 kg，道砟裝入模具時，應(yīng)分層振搗擊實3 次，確保密實度達到1 700 kg/m3。灌注完畢后加蓋400 mm×400 mm 的鋼化玻璃板，并作用一定的荷載于其頂部，確保不因聚氨酯膨脹將道砟頂起。為保證聚氨酯材料發(fā)泡充分，環(huán)境溫度應(yīng)控制在20～30 ℃，當發(fā)泡完畢并達到穩(wěn)定強度后可進行拆模，試件固化前后對比如圖2所示。

圖2 聚氨酯固化道砟立方體試件Fig.2 Polyurethane reinforced ballast cube specimen

2 單軸壓縮荷載下的試件力學(xué)性能分析

測試聚氨酯固化道床試樣的應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖3所示。

由圖3可看出，試件在開始加載到最終破壞的過程中主要經(jīng)歷4個階段。

圖3 試件單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curve of specimen

AB為“剛度強化”階段，受預(yù)壓荷載影響，加載前應(yīng)變初始值約為0.01，初加載后，應(yīng)力?應(yīng)變曲線切線斜率逐漸增大，剛度從0.55 kN/mm 逐漸增大至約3.0 kN/mm，增長率約550%，平均剛度約為1.18 kN/mm(即AB段割線剛度)。試件外形并無明顯變化，仍呈現(xiàn)方形，表面聚氨酯出現(xiàn)“褶皺”現(xiàn)象，這與砟膠混合體受載時所表現(xiàn)的不同特性有關(guān)。初期傳力最先由道砟顆粒接觸傳遞，顆粒產(chǎn)生相互移動趨勢，顆粒間的聚氨酯材料隨之產(chǎn)生變形，形成“褶皺”；隨著荷載的增加，道砟接觸點增多，當內(nèi)部達到一定密實度后，道砟體逐漸形成穩(wěn)定的受力框架，參與整體結(jié)構(gòu)受力，分擔聚氨酯承受的荷載，并隨著這種參與度的增強，結(jié)構(gòu)剛度隨之強化，試驗現(xiàn)象如圖4(a)所示。當應(yīng)力達到0.18 MPa，應(yīng)變約為0.07 時，對應(yīng)圖中B點時，強化階段結(jié)束。

圖4 試件單軸壓縮過程試驗現(xiàn)象Fig.4 Experimental phenomenon of uniaxial compression of specimen

BC為“剛度穩(wěn)定”階段，此時應(yīng)力應(yīng)變曲線接近直線，試件剛度穩(wěn)定在3 kN/mm 左右，道砟顆粒與聚氨酯在該階段形成一個協(xié)調(diào)的組合體共同承載；二相材料及其黏結(jié)界面均處于彈性工作范圍，試件受力變形穩(wěn)定，呈現(xiàn)出線彈性狀態(tài)。隨著垂向變形的增大，試件逐漸出現(xiàn)側(cè)向膨脹現(xiàn)象。當垂向加載平均應(yīng)力0.5 MPa 時，試件垂向應(yīng)變約為0.11。因碎石道砟多由玄武巖、花崗巖等硬質(zhì)巖石加工而成，材料自身的可壓縮性極低；持續(xù)加壓下，道砟顆粒體將向側(cè)面遷移、流變；而聚氨酯材料憑借良好的黏結(jié)性和延展性，能很大程度上控制道砟顆粒脫離組合體。當隨著應(yīng)力的不斷增大，聚氨酯強度與顆粒摩擦自鎖無法限制道砟間的遷移趨勢時，道砟顆粒與聚氨酯的黏結(jié)界面處將逐漸滋生微小的裂紋，并逐步向聚氨酯材料內(nèi)擴展。試驗現(xiàn)象如圖4(b)所示。當加載應(yīng)力達到0.55 MPa，應(yīng)變約為0.12 時，對應(yīng)圖中C點時，穩(wěn)定階段結(jié)束。

CD段為“剛度衰減”階段，隨著加載荷載持續(xù)增大，道砟間相對位移的趨勢不斷增強，并由于在彈性階段萌生的小裂縫不斷累計，聚氨酯材料對于道砟的黏結(jié)限制作用逐漸減弱，道砟間發(fā)生相對位移的趨勢進一步增大，裂縫相互間出現(xiàn)貫通，且尺寸進一步擴大，并向內(nèi)部擴散。最終主裂縫形成于試件中部，體現(xiàn)為由黏結(jié)界面的撕裂帶動聚氨酯材料的開裂。試塊應(yīng)變加劇明顯，應(yīng)力增加減緩，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度退化現(xiàn)象，試件剛度由3 kN/mm 衰減至0 kN/mm，平均剛度約為0.72 kN/mm。在此階段內(nèi)，能夠明顯聽見試件內(nèi)部發(fā)出聲響，可能是由于道砟發(fā)生破碎或道砟間摩擦錯動發(fā)生碰撞引起。由于道砟原有穩(wěn)定的受力框架遭到破壞，應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)較多的毛刺。道砟向前后、左右膨脹臌曲明顯，試驗現(xiàn)象如圖4(c)所示。當應(yīng)力達到0.81 MPa，應(yīng)變約為0.25時，對于圖中D點，此時為曲線峰值點，承受的荷載值達到最大。

DE段為“結(jié)構(gòu)破壞”階段，試塊的應(yīng)力在D點達到峰值，出現(xiàn)應(yīng)變大幅度增加，應(yīng)力迅速減小的現(xiàn)象。試件中部表面的主裂縫從上至下、由內(nèi)向里出現(xiàn)貫通性撕裂。在壓力作用下試塊出現(xiàn)塌陷、傾斜，裂縫周圍道砟間的聚氨酯材料失去力學(xué)作用，道砟顆粒間的接觸傳力骨架被破壞，試件無法均勻承受荷載，最終失去承載能力，試驗現(xiàn)象如圖4(d)所示。

3 反復(fù)荷載下的試件力學(xué)性能分析

考慮到列車荷載的反復(fù)作用特性，為進一步探究聚氨酯固化道床的力學(xué)性能，對試件進行反復(fù)加卸載試驗。根據(jù)已有研究[9]及《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊——軌道》[16]規(guī)定，對試件進行逐級加載，設(shè)置的應(yīng)力條件分別為0.2，0.3 和0.4 MPa，獲得其加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。測試結(jié)果表明，試件在經(jīng)過10次加卸載后，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線逐漸趨于穩(wěn)定，殘余應(yīng)變增長率越來越小，可認為此時已達到相應(yīng)應(yīng)力條件下的基本穩(wěn)定狀態(tài)。各加載工況首次加載與后續(xù)加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線存在較大差異，這與試件初次受載，內(nèi)部道砟與聚氨酯仍處于相對松散的自然狀態(tài)，聚氨酯發(fā)泡過程中存在著部分空隙等因素有關(guān)。在受荷載作用后，道砟體結(jié)構(gòu)發(fā)生微量調(diào)整，消除了試件內(nèi)的組合間隙，實現(xiàn)了道砟顆粒與道砟膠的協(xié)同受力，結(jié)構(gòu)達到了一個穩(wěn)定的受力狀態(tài)，呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的彈塑性特性。因此，在應(yīng)用時，應(yīng)對聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)進行充分的預(yù)加載，以便獲得性能穩(wěn)定的固化道床結(jié)構(gòu)。

圖5 反復(fù)荷載下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves under repeated loads

顯然，試件在循環(huán)加卸載過程中存在著耗能現(xiàn)象。研究表明：試件的滯回環(huán)面積與滯回能的大小成正比，可以反映試件在循環(huán)荷載下的能量耗散能力；每次加載的滯回環(huán)面積，應(yīng)為對應(yīng)加載周期內(nèi)應(yīng)力?應(yīng)變曲線圍成的閉合曲線的面積[17]。應(yīng)力?應(yīng)變的乘積為試件的應(yīng)變能，滯回環(huán)的面積即為體積耗能，由此可計算試件的單位體積耗能。

針對同一加載次數(shù)條件下，不同應(yīng)力水平對耗能的影響進行分析，如圖6所示。

圖6表明，單位體積能耗隨著加載應(yīng)力的增大而增加，說明應(yīng)力越大時，聚氨酯試件的耗能能力越強，且隨應(yīng)力水平的增長而耗能更趨明顯；在基本穩(wěn)定狀態(tài)下，試件的單位體積耗能在0.2，0.3和0.4 MPa應(yīng)力下分別約為383，808和1 950 J，應(yīng)力每增加0.1 MPa，試件的單位體積耗能增強約2.1～2.4倍。

圖6 單位體積耗能與加載應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between energy dissipation per unit volume and loading stress

針對同一應(yīng)力水平下，不同加載次數(shù)對耗能的影響進行分析，如圖7所示。

圖7 單位體積耗能與加載次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between energy dissipation per unit volume and loading times

圖7表明，單位體積耗能隨著加卸載次數(shù)的增加而減小，尤其在前期的加載中減少的較為明顯；結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)，在加載后期試件每次加卸載后的單位體積耗能的減小量在不斷縮??；應(yīng)力0.4 MPa時，試件的耗能平均減小量在第2～5次加載、第5～8 次加載和第8～10 次加載分別為60(J?m-3)/次，37(J?m-3)/次和25(J?m-3)/次，減小率分別約為39%和23%，耗能性能有逐漸穩(wěn)定的趨勢。這是由于試件多次加載后，結(jié)構(gòu)內(nèi)的道砟經(jīng)過反復(fù)流變、遷移，達到了一個較為穩(wěn)定的能量耗散狀態(tài)。

試件的耗能能力主要來源于道砟顆粒間的摩擦、沖擊以及聚氨酯材料的張縮變形，能量消耗的形式主要為道砟的破碎、聚氨酯材料的開裂和以熱能的形式發(fā)散到空氣中。綜上所述，試件在0.2～0.4 MPa的反復(fù)荷載作用下，能夠保持較為穩(wěn)定的耗能性能，且應(yīng)力越大，耗能性能越強。

殘余應(yīng)變主要由試件內(nèi)部聚氨酯材料的微小傷損引起。第一次加載時，殘余應(yīng)變因試件內(nèi)空隙及不適應(yīng)協(xié)同受力而尤為明顯。在反復(fù)荷載下試件前期產(chǎn)生的傷損仍會對后續(xù)的性能產(chǎn)生疊加影響，故隨著荷載次數(shù)增多殘余變形不斷增大。

由圖8可知，殘余應(yīng)變在荷載的反復(fù)作用下持續(xù)增長，故在線路運營過程中需加強對線路永久沉降的觀測，以保持軌道平順性的要求。由圖9可知，試件的最大應(yīng)變隨著加載次數(shù)的增加而增加，主要變形集中在前3 次加載。應(yīng)力為0.2 MPa 與0.3 MPa 的試件在第8 次加載后趨于穩(wěn)定，可認為應(yīng)力在0.2～0.3 MPa時，聚氨酯固化道床在反復(fù)疲勞荷載下具有較高的穩(wěn)定性。但對于應(yīng)力為0.4 MPa 的試件，最大應(yīng)變隨著加載次數(shù)呈現(xiàn)線性增長，10 次加載后仍有增長的趨勢，說明該應(yīng)力條件下試件出現(xiàn)反復(fù)荷載下的傷損加劇。

圖8 殘余應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化Fig.8 Residual strain changes with the loading times

圖9 最大應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化Fig.9 Maximum strain varies with the loading times

4 結(jié)論

1) 聚氨酯固化道床經(jīng)過初期受壓，方可消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部的間隙，使道砟與聚氨酯材料形成協(xié)調(diào)組合體，達到穩(wěn)定的受力狀態(tài)，故在線路正式運營前應(yīng)進行充分的預(yù)壓。

2) 聚氨酯固化道砟體單軸壓縮所能承受的最大壓應(yīng)力約0.8 MPa；壓應(yīng)力為0.2～0.5 MPa 時處于剛度相對穩(wěn)定區(qū)；當超過0.5 MPa 時，易出現(xiàn)剛度衰減退化現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

3) 聚氨酯道砟體在反復(fù)加載后，結(jié)構(gòu)的耗能能力可以逐漸趨于穩(wěn)定；且應(yīng)力越大，試件耗能性能增強的尤為顯著，在試件處于基本穩(wěn)定狀態(tài)時，應(yīng)力每增加0.1 MPa 單位體積耗能增強2.1～2.4倍。

4) 反復(fù)加壓試驗表明，聚氨酯固化道砟體所能承受的最大應(yīng)力在0.4 MPa 以內(nèi)時，可防止殘余變形顯著累積，造成的軌面平順性不良，保證行車品質(zhì)與安全。結(jié)合單軸試驗與反復(fù)荷載實驗結(jié)果，為保證聚氨酯固化道床運營的安全性和耐久性，道床所受的最大平均應(yīng)力宜控制在0.4 MPa以下。