寒区铁路含冰率对碎石集料强度及变形特性影响试验研究

黎旭，严颖，季顺迎

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

寒区有砟轨道广泛分布于我国的东北、新疆北部及青藏高原部分地区，这些地区冬季干燥严寒，降雪量大，是雪害冰冻防治工作的重点关注区域[1]。对于该区域气温波动较大的线路地段，雨雪下落堆积到外露的碎石道床表面，在多次冻融及低温条件下融雪水渗入并填充道床内部，将散粒体道床转化为冻结固化道床。在低温条件下由骨架颗粒、冻结冰及孔隙组成的冰-石冻结混合体的结构形态将改变道床的物理力学特性及服役性能，引发线路不平顺及冻害等一系列问题。因此，探究冻结固化道床的力学性能及变形特性可为寒区高速铁路建设、行车安全及维修养护提供重要参考。目前，对于有砟轨道中碎石道床力学性能的试验研究，大都集中于常温环境。如单颗粒压裂试验[2]、洛杉矶磨损试验[3]、直剪试验[4]及三轴压缩试验[5]，这些研究为揭示道砟碎石集料的力学及物理特性起到了非常重要的作用。此外，由于有砟轨道广泛分布于各种各样的地质地理环境中，外来物贯入并填充道床孔隙，将造成道床不同程度的脏污，导致道床抗剪及排水性能下降等[6]。对于风沙区碎石道床铁路，细沙的贯入将引起道床密实度增加，造成有效弹性降低及累计沉降增加，形成道床板结现象[7]。这类由于细小颗粒贯入、附着及沉积造成碎石道床力学性能改变的研究在国内外已取得一定的成果。低温条件下，针对岩石物理力学性质的试验研究发现岩石抗拉强度、抗压强度及弹性模量均会随着温度的降低而增大[8]。并且，冻结岩石内初始含水率越大，其单轴抗压强度越高，但超过某一界限其造成的冻胀损伤对强度增长率又会起到一定的抑制作用[9]。道床冻害主要由道床不洁造成，含水率的增大会提高板结道床的冻胀率[10]。虽然普遍认为寒区铁路中透水性良好的碎石道床冻胀敏感性不如土质路基。但由于其直接分担轨枕传递的列车荷载，相较于常温散粒体状态，在冻结固化条件下道床的动力响应及劣化机制将发生明显改变。低温条件下，冰介质不仅以孔隙冰的形式存在于道床内部，还可能附着于道砟颗粒表面，并且通过胶结作用将道砟碎石黏结成块，甚至造成轨道冻害。因此，开展冻结碎石集料力学性能的研究非常重要。LIU 等[11]通过室内单轴压缩试验及离散元仿真分析了温度对冻结碎石试样抗压强度及弹性模量的影响，并探究了冻结试样内部接触力的分布特性。但到目前为止，针对寒区铁路道床冻结情况下力学性质的相关试验及理论探究较为少见，其冰-石冻结混合体力学特性的认识研究亟待解决。为深入探究低温条件下冻结碎石集料的物理力学性能，本文设计并制备了不同冰含量的冻结试样并开展室内低温单轴压缩试验，研究含冰率对冻结试样的应力应变曲线、破坏模式、强度和变形特性的影响。以上研究不仅对寒区铁路冻结固化道床的力学特性研究有重要工程应用价值，也能为冰-石冻结混合体的力学行为研究提供可靠试验依据。

1 含冰道砟材料单轴压缩的试样制备及试验方案

1.1 含冰道砟材料的试样制备

考虑寒区冻结试样的现场采样及加工保存操作难度大且容易造成试样损伤，室内低温模型试验被采用。根据我国《铁路碎石道砟》规范要求，本文道砟试验材料选用莫氏硬度5～7 的玄武岩碎石，密度约为ρ=2 800 kg/m3。铁路工程用道砟粒径在22.4～63 mm 之间且满足一定的级配分布。但由于室内试验条件限制，制备的冻结试样不能过大，同时试样边界尺寸与颗粒平均直径的比值过小又会带来颗粒尺寸效应[12]。因此，可以采用缩尺方法[13]对碎石集料的现场级配进行缩尺，将缩尺后的级配作为试验用料级配。本文以规范要求的颗粒最大直径的1/2 作为试验用粒径并满足级配分布。冻结试样尺寸参考普通混凝土单轴压缩试样制作标准[14]，大小为0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方体，体积记为V。

在室内低温模型试验中，冻结试样的制备工序较为关键，是该试验设计的重点。图1给出了级配碎石料制备冻结试样的具体过程。

图1 冻结试样的制备过程Fig.1 Preparation process of frozen specimen

首先，在可拆卸模具的内壁及底部铺设一层防冻防水的聚四氟乙烯薄塑料，防止试样与模具冻结黏连；之后再铺设一层较厚的隔水垫防止水分过多下沉聚集于试样底部。然后将晾干后的洁净级配碎石料均分成多份并进行称重，保证用于制备试样的每份碎石料的质量基本一致，误差控制在-2～2 g 左右，其初始重量记做m0。将碎石料浸水并逐份填充到模具内，然后充分压实并密封，最后放入恒温箱中冷冻24～36 h，恒温箱的温度可调，温度范围可达0～-40 ℃。冷冻结束后，将模具、防冻塑料及隔水垫一并拆除，获得冻结试样，并对试样进行称重后再次放入恒温箱以备后用，其冻结重量记做m1。

1.2 低温试验装置

本文试验装置为长春试验机研究所生产的型号为WD-200B 的电子万能试验机，整体可分为3部分，分别是风冷冷凝器，保温箱体及控制系统。保温箱体内部则又包括上压板、下支撑板、温度计及引伸计，如图2所示。冷凝器向保温箱体内输送冷气，使冻结试样在加载过程中始终处于相对稳定的负温环境。加载过程中，下支撑板固定，上压板产生进给位移。引伸计在加载过程中能准确获取上压板产生的轴向位移，避免加载装置装配间隙造成的测量误差。

图2 试验装置及加载示意图Fig.2 Experiment equipment and loading diagram

1.3 含冰率的定义及试验方案

在室内低温单轴压缩试验中，冻结试样采用位移控制加载方式，加载速率v=0.01 mm/s，温度设定为-30 ℃。含冰量通过在已冻结的未拆卸试样上方喷射一定量洁净水来增加，每次加水量控制稳定，之后再冻结24～36 h。

冻结试样的含冰率w定义为

其中：Vice表示冻结试样内冰的体积占比，有Vice=(m1-m0)/ρice，ρice为冰的密度，取920 kg/m3；Vpore表示未浸水干燥试样内孔隙的体积占比，有Vpore=V-m0/ρ。

由于制备的试样含冰率不可能做到一致，这里采用划分含冰率区间的方法。含冰率在区间3%～6%时定义为低含冰率的情况，10%～25%为中等含冰率，30%以上为高含冰率。此外，为降低试样内颗粒随机排布带来的结果误差，每种条件下制备4个试样。具体试验方案如表1所示。

表1 含冰道砟材料单轴压缩的试验方案Table 1 Experimental scheme of ballast material with ice under uniaxial compression

2 试验结果分析与讨论

2.1 含冰道砟材料的应力应变曲线

为研究不同含冰率冻结试样的变形特性，将含水率区间在2%～6%的试样定义为参考试样，并进行单轴压缩试验。在低加载速率下(v=0.01 mm/s)，某个参考冻结试样的全应力-应变曲线(σ-ε)如图3所示。

图3 低加载速率下冻结碎石集料典型应力应变曲线Fig.3 Typical stress-strain curve of frozen aggregate under low loading rate

从图3可以看出，该曲线在加载过程中可划分为5 个阶段：1)压密阶段OA：该阶段曲线呈上凹型，主要是由于试样内部孔隙受压闭合或加载端面受力不均所致；2)弹性变形阶段AB：该阶段曲线近似呈直线型，应力-应变关系也近似呈线性；3)屈服阶段BC：该阶段曲线斜率降低，试样内由于微裂纹萌生扩展产生损伤，表现为弹塑性变形特征；4)峰后应变软化阶段CD：该阶段试样内承载主骨架结构产生破坏，出现应力跌落现象；5) 残余强度阶段DE：该阶段应力下落逐渐平缓，依靠道砟颗粒的咬合互锁效应及一部分未破碎填充冰的作用，试样仍具有一定的承载能力。

图4 给出了不同含冰率下试样的应力应变曲线。在低含冰率下(w=2%～6%)，试样达到峰值应力后，应力跌落初始较大，呈现一定脆性破坏特征。之后由于道砟间的摩擦互锁，试样产生渐进破坏，呈现一定的应变软化特征。随着含冰率的增大，曲线屈服阶段增大并出现多处波动。在高含冰率下(w=30%～35%)，试样达到峰值应力后应力下降速度非常慢。此时，应变软化及塑性流动特征较为明显，并呈现一定理想塑性特点。

图4 不同含冰率区间下应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve under different ice contents

2.2 含冰率对破坏模式的影响

细观上冻结碎石料由碎石粗颗粒、冰及它们之间的界面过渡区组成，冻结试样的力学性能及破坏模式取决于它们的性质及相互作用。图5给出了2 类含冰率下的冻结试样的破坏形式。可以看出，在图5(a)低含冰率下(w=2%～6%)，由于试样中相接触道砟颗粒间冻结面较小，冻结强度较弱，加载过程中萌生的裂缝将沿着冻结面在道砟颗粒间扩展，在加载过程中试样表层部分道砟颗粒产生脱落，试样破碎形式表现出与加载方向呈一定倾角的脆性破坏特征。失效后内部冻结面被大范围破坏，导致冻结道砟间的稳定性较差，易发生碎裂坍塌。

图5 2类含冰率区间下冻结试样的失效形式Fig.5 Failure modes of frozen aggregate under two ice contents

对于高含冰率(w=30%～35%)的冻结试样，在加载过程中，一直伴随着清脆的冰开裂声响。萌生的微裂纹产生的断裂能被试样内原有孔隙的弹性能及断裂界面的摩擦耗能吸收，裂纹扩展及汇合较为缓慢，呈现一定的韧性特征。试样整体侧向变形明显，呈现不断压扁的状态，试样内孔隙周围产生的受拉翼型裂纹不断沿加载方向扩展形成数条宏观贯穿裂缝，试样的失效模式表现为轴向劈裂破坏特征。

对于冻结试样而言，细观上裂缝的扩展路径决定了其宏观的破坏失效模式，而影响裂缝扩展路径的主要是各相介质及交界面的相对强度。如图6所示，对于高含冰率冻结试样，在失效后能观察到明显的道砟边角破碎及道砟压裂的现象(如图6(a)，6(b)和6(c)所示)。通过对破碎失效后的冻结试样进行道砟分离，发现大量的道砟碎片(如图6(d)所示)，道砟产生劣化破碎现象较为明显。这说明较高的含冰率增大了道砟间的冻结面积，试样整体承载能力及冻结界面强度显著提升。由于在外荷载作用下，道砟间主要通过强度相对薄弱的边角进行接触力传递，此时接触点处应力将高度集中。在冻结界面强度增大及颗粒互锁效应的双重作用下，裂缝将刺穿薄弱的道砟边角造成道砟的局部挤压破碎。

基于图6的道砟局部破碎情况，本文总结出含冰率影响下冰-石混合体中裂缝的2 类扩展模式，以此来解释试样的失效机理，如图7所示。在低含冰率下，道砟颗粒局部接触区的冻结界面较小，混合体孔隙率高强度低。非规则道砟颗粒在接触界面传递接触力及力矩时，受不平衡力及力矩作用有局部滑动及转动的趋势，此时冻结面很容易产生错动开裂，裂缝起裂后将沿着强度较低的颗粒冻结表面继续扩展；而随着含冰率的增大，相接触的道砟颗粒冻结界面面积增大，混合体孔隙被冰填充，强度增强。填充冰对薄弱的骨料接触界面起到了加固作用，承载了较大部分的加载力，相接触道砟在互锁挤压中裂缝将穿透薄弱接触区域产生道砟边角破碎，裂缝表现为沿颗粒破碎面扩展。

图6 高含冰率下冻结试样的局部破碎情况Fig.6 Local breakage images of frozen aggregate with high ice content

图7 冻结试样内裂缝的两类扩展方式Fig.7 Two types of crack propagation in frozen aggregates

2.3 含冰率对力学性能的影响

含冰率可通过降低试样孔隙率，提高冰-石两相材料界面的强度，从而影响冻结碎石料的宏观力学性能。图8给出了不同含冰率下冻结试样的抗压强度，从图中可以看出，在较低含冰率下(w=2%～6%)，抗压强度大致在0.18～0.3 MPa 之间，结果略高于已有的文献试验结果[12]，可能与参考文献中试样的含冰率更低有关。随着含冰率的增大，试样抗压强度显著增大，其增长率也逐渐增大，在高含冰率(w=30%～35%)下，抗压强度在1.27～1.57 MPa 之间，强度增长了5～6 倍。含冰率与单轴抗压强度的拟合曲线可用指数函数表示：

图8 不同含冰率下冻结试样的抗压强度Fig.8 Compressive strength of frozen aggregate under different ice contents

其中：Pa为标准大气压，取0.101 MPa，拟合优度R2=0.989，一致性较好。

此外，图9还给出了含冰率对冻结试样等效弹性模量的影响，可以看出，随着含冰率的增大，试样弹性模量也逐渐增大，在较低含冰率下(w=2%～6%)，弹性模量平均在225 MPa 左右；在较高含冰率下，弹性模量增大到600 MPa 左右，增长了2.7倍左右，两者近似呈线性关系。

图9 不同含冰率下冻结试样的等效弹性模量Fig.9 Equivalent elastic modulus of frozen aggregate under different ice contents

2.4 含冰率对变形特性的影响

对冻结碎石料变形特性的研究主要通过应力应变曲线来表征，取应力应变曲线上峰值应力对应的轴向应变为破坏应变。图10 为不同含冰率下试样的破坏应变变化情况，可以看出，低含冰率下破坏应变平均在0.2%左右，随着含冰率的增大，试样的破坏应变也不断增大，但增长趋势逐渐变缓。在高含冰率下时破坏应变增长到了0.7%左右，但均小于1%。这说明含冰率的增加增大了冻结试样的承载能力，峰前屈服阶段延长，试样韧性增强。但由于冻结界面冰的脆性及易碎性，试样的整体破坏应变不大。

图10 不同含冰率下冻结试样的破坏应变Fig.10 Failure strain of frozen aggregate under different ice contents

此外，为评估冻结试样的变形稳定性，取试样进入残余强度阶段，应力无明显下降时的强度为残余强度。如图11 为不同含冰率下试样的残余强度，可以发现，残余强度随着含冰率的增大也逐渐增大，两者关系也可用指数函数拟合表示：

图11 不同含冰率下冻结试样的残余强度Fig.11 Residual strengths of frozen aggregates under different ice contents

其中：Pa为标准大气压，取0.101 MPa，拟合优度R2=0.988，一致性较好。

为更直观地体现残余强度在反映冻结试样脆性程度中的作用，参考已有文献[15]对岩石脆性指标的定义，引入无侧压下冻结碎石料强度衰减系数η，用于表征峰后强度的衰减行为，定义为：

根据定义，当残余强度σr→0 时，强度衰减系数η→1，材料峰后表现为完全脆性；而当残余强度σr→1 时，强度衰减系数η→0，材料峰后表现为理想塑性。

图12 给出了冻结道砟集料试样的强度衰减系数随含冰率的变化关系情况。可以看出，强度衰减系数随着含冰率的增大而逐渐降低，两者的关系可以用幂函数来拟合表示：

图12 不同含冰率下冻结试样的强度衰减系数Fig.12 Relationship between ice content and strength attenuation coefficient

结合式(4)～(5)，基于强度衰减法确定冻结试样的残余强度为：

可通过该公式估计冻结碎石料的残余强度。

3 结论

1) 较低加载速率下冻结试样应力应变曲线均为应变软化型。当含冰率较低时，试样达到峰值应力后，应力降幅较大，之后由于道砟间互锁效应，曲线又呈现一定应变软化特征；随着含冰率的增大，试样屈服阶段增大，曲线峰后应变软化愈加明显，甚至呈现一定理想塑性特征。

2) 含冰率会影响试样破坏模式。在低含冰率下，冻结试样失效后呈现与加载方向一定倾角的脆性破坏特征。高含冰率下冻结试样侧向变形较为明显，呈现轴向劈裂失效特征。

3)低含冰率下(w=2%～6%)，试样抗压强度大致在0.18～0.3 MPa 之间且随含冰率逐渐增大，在高含冰率下(w=30%～35%)强度增长了5～6倍，两者关系可用指数函数表示；而有效弹性模量在低含冰率下平均在225 MPa左右，且随含冰率的增大而近似线性增大。

4) 含冰率显著影响试样峰后变形特性。破坏应变随含冰率增大而增大，且增长率呈先增大后减小趋势；峰后残余强度可用强度衰减系数η来表征，该系数随含冰率的增大而逐渐减小，基于强度衰减法可估计冻结试样的残余强度。

本研究通过探究低温冰冻条件下含冰道砟集料的基本物理力学性质，有望对高寒地区有砟轨道(尤其是道床结构)的建设、运营及养护维修等方面提供有益工程参考。