郄錄朝 余文穎 徐旸 李毅 許良善 韓宏洋

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點實驗室， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

聚氨酯固化道床是在碎石道床內(nèi)澆注聚氨酯混合液，通過發(fā)泡、膨脹、凝固，填充道砟間的孔隙并黏結(jié)道砟形成的彈性整體道床結(jié)構(gòu)［1-3］。目前國內(nèi)聚氨酯固化道床主要采用現(xiàn)場澆注工藝，碎石道砟經(jīng)過運輸、攤鋪碾壓、分層填筑搗固等工序，會造成道床不同程度的臟污［4-5］。當(dāng)細(xì)小顆粒和石粉粉末達到一定含量時，會使聚氨酯混合液無法順利滲入道床底部［6］，影響固化道床施工質(zhì)量。

目前我國規(guī)范僅對出廠道砟顆粒表面清潔度進行了規(guī)定，既有文獻對澆注前道床臟污程度研究較少。本文通過室內(nèi)實尺模型疲勞試驗，研究道砟清潔度對聚氨酯固化道床力學(xué)性能的影響。研究成果對改進澆注前道床施工工藝，制定合理的澆注前道砟清潔度控制標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

1 實尺模型

1.1 模型設(shè)計

為方便開展試驗，采用半根軌枕聚氨酯固化道床實尺模型。根據(jù)TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》道床斷面尺寸相關(guān)規(guī)定，模具尺寸取1.80 m（長） ×0.88 m（寬） × 0.50 m（高）。模具內(nèi)放置軌枕時距長度方向端部0.50 m，枕底道床厚度為0.35 m。澆注區(qū)總長1.10 m，其中軌枕范圍內(nèi)1.00 m，枕木端部外側(cè)0.10 m。非澆注區(qū)總長0.70 m，其中道心0.30 m，砟肩0.40 m。

實尺模型設(shè)計如圖1所示。

圖1 實尺模型設(shè)計（單位：mm）

在列車荷載作用下聚氨酯固化道床會擠壓道心和砟肩非澆注區(qū)散體道砟，道心道砟存在圍壓［7-8］，砟肩道砟無圍壓。因此在實尺模型澆注完成后，保留道心一側(cè)模板，以限制道心非澆注區(qū)碎石道砟的橫向移動；拆除砟肩側(cè)模板，使砟肩非澆注區(qū)碎石道砟可向外側(cè)移動，以模擬道床橫向變形。

1.2 模型制作

根據(jù)TJ/GW 115—2013《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》的規(guī)定及現(xiàn)場道砟顆粒表面清潔度情況，按道砟顆粒表面清潔度0.17%、0.50%、0.70%、1.00%制作實尺模型，研究道砟清潔度對聚氨酯固化道床力學(xué)性能的影響。圖2為制作不同清潔度道砟的原料。

圖2 制作不同清潔度道砟的原料

碎石道砟分三層填筑，第一層填筑厚度15 cm，第二、第三層填筑厚度均為10 cm，每層用振動夯拍機夯實3遍。隨后放置軌枕，在枕盒和砟肩填入道砟，最終形成標(biāo)準(zhǔn)道床。安裝兩根限位橫梁［9］并擰緊螺絲，在軌枕頂部施加25 kN 垂向靜載，用手持式搗固機進行枕底道砟搗固作業(yè)，再次擰緊兩根限位橫梁螺絲，整理枕盒道床斷面，使其頂面高出枕底平面約5 cm。澆注前的實尺模型見圖3。

圖3 澆注前的實尺模型

采用室內(nèi)試驗用小型澆注設(shè)備，按設(shè)計的6 個澆注點依次澆注聚氨酯材料，見圖4。澆注槍流速為270 g/s，聚氨酯材料黑料和白料比例為100∶45。

圖4 聚氨酯材料的澆注設(shè)備

2 試驗荷載、測試內(nèi)容及方法

2.1 試驗荷載

最小試驗荷載根據(jù)試驗機量程取10 kN；最大試驗荷載根據(jù)現(xiàn)場實測30 t 軸重列車荷載譜［10］，按分配系數(shù)0.412計算后確定。

對實尺模型施加疲勞荷載，共加載500 萬次。以加載次數(shù)（單位為萬次）分別為0.1、0.5、1、5、10、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 為界，將整個加載過程劃分為15 個區(qū)間。每個區(qū)間分三個階段加載，第一、第二、第三階段施加的疲勞荷載最大值分別為P1= 55 kN，P2= 65 kN，P3= 75 kN；P1、P2、P3加載次數(shù)比例為28∶60∶12。荷載波形為頻率3 ～ 4 Hz 的正弦簡諧波。

2.2 測試內(nèi)容及方法

每個大循環(huán)結(jié)束時中斷加載，測量道床沉降變形和道床靜態(tài)模量。疲勞試驗完成后，測試分析軌枕與道床黏結(jié)性能。測點布置見圖5。

測試道床靜態(tài)模量時，首先對實尺模型施加循環(huán)荷載預(yù)壓。荷載值從最小值至P1，循環(huán)1萬次，加載頻率4 Hz。然后，將位移測試儀調(diào)零，以1 mm/min 或1 kN/s的速度均勻加載，加載至P3后卸載至0。重復(fù)加載兩次，第三次加載開始記錄加載值和位移。

以第三次加載的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，按式（1）計算道床靜態(tài)模量（C1）。

式中：A為軌枕的有效支承面積，mm2；F1為施加在軌枕上的上限荷載，F(xiàn)1=k1A，k1= 0.010 N/mm2；F0為施加在軌枕上的下限荷載，F(xiàn)0=k0A，k0= 0.002 N/mm2；D1、D0分別為被測軌枕加載至F1、F0時的位移，mm。

試驗中半根軌枕有效支承長度為1 m，有效支承面積為3 100 cm2。如圖6 所示，澆注聚氨酯材料后軌枕、道床及底部混凝土板全部黏結(jié)成一體。先用天車起吊軌枕，通過道床和混凝土板的自重分離軌枕與道床，并記錄吊起后在空中持續(xù)時間。當(dāng)此方法無法分離時，再借用千斤頂分離軌枕與道床。

圖6 軌枕與道床黏結(jié)性能測試

3 試驗結(jié)果分析

3.1 沉降變形

在30 t 軸重疲勞荷載作用下，不同道砟清潔度聚氨酯固化道床沉降曲線見圖7?？芍弘S疲勞荷載次數(shù)增加，不同道砟清潔度聚氨酯固化道床在初始加載階段沉降均較快，沉降總體上均呈增長趨勢；清潔度不大于0.70%的三個固化道床疲勞荷載達到100萬次時，進入緩慢沉降階段，且道砟清潔度0.17% 和0.50%的兩個固化道床沉降曲線接近，清潔度0.70%的固化道床沉降相對較大；清潔度1.00%的固化道床沉降明顯比其他三個固化道床大，且疲勞荷載達到250萬次后，沉降才開始呈收斂趨勢。

圖7 聚氨酯固化道床沉降隨疲勞荷載作用次數(shù)變化曲線

根據(jù)TJ/GW 115—2013 規(guī)定，在軸重大于25 t 重載鐵路模擬荷載作用下，0 ～ 500 萬次的初始加載階段，道床累計沉降不大于3 mm；在100 ～ 500 萬次的穩(wěn)定階段，道床累計沉降不大于1 mm。

疲勞荷載作用下聚氨酯固化道床累計沉降見表1?？芍旱理那鍧嵍?.17% ～ 1.00%的固化道床累計沉降均符合TJ/GW 115—2013 要求，但清潔度1.00%的固化道床疲勞荷載100 ～ 500 萬次時累計沉降已接近限值。

表1 30 t軸重疲勞荷載作用下聚氨酯固化道床累計沉降

3.2 道床靜態(tài)模量

不同道砟清潔度聚氨酯固化道床靜態(tài)模量隨疲勞荷載次數(shù)變化曲線見圖8?？芍浩诤奢d作用下固化道床靜態(tài)模量變化較小，說明其彈性保持較好。在初始加載階段，道床靜態(tài)模量隨疲勞荷載作用次數(shù)增加而增大，疲勞荷載作用50 萬次后收斂，此后基本穩(wěn)定。不同道砟清潔度固化道床靜態(tài)模量變化趨勢無明顯差異。

圖8 聚氨酯固化道床靜態(tài)模量隨疲勞荷載次數(shù)變化曲線

3.3 軌枕與道床黏結(jié)性能

道砟清潔度1.00%的聚氨酯固化道床，起吊軌枕在空中持續(xù)6 s 后，軌枕與道床完全分離；清潔度0.70%的聚氨酯固化道床，起吊軌枕使其懸空后，須以2 Hz 的頻率上下振動約30 s，軌枕與道床才完全分離；清潔度0.17%和0.50%的聚氨酯固化道床，僅靠道床和混凝土板的自重?zé)o法分離，須借助千斤頂才能使軌枕與道床完全分離。

軌枕與道床越難分離，說明其黏結(jié)性能和聚氨酯澆注質(zhì)量越好。測試結(jié)果表明，道砟清潔度不大于0.50%的聚氨酯固化道床，軌枕與道床黏結(jié)性能強。因此，為保證聚氨酯澆注質(zhì)量，道砟清潔度宜控制在0.50%以內(nèi)。

4 結(jié)論和建議

通過聚氨酯固化道床道砟清潔度分別為0.17%、0.50%、0.70%、1.00%的室內(nèi)實尺模型試驗，分析了在500 萬次疲勞荷載作用下聚氨酯固化道床沉降變形、道床靜態(tài)模量的變化規(guī)律以及軌枕與道床的黏結(jié)性能。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)理那鍧嵍瘸^0.50%后，聚氨酯固化道床沉降明顯增大，道床靜態(tài)模量無明顯變化，軌枕與道床黏結(jié)性能變差。

現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范僅對道砟出廠清潔度進行了規(guī)定。建議道砟裝載、運輸過程中采取措施防止道砟二次污染，上砟整道時采取少搗多穩(wěn)工藝，減少搗固造成的道砟破碎，確保聚氨酯固化道床澆注前道砟清潔度在0.50%以內(nèi)。