王明昃，蔡成標(biāo)，張嘉偉，何慶烈，曾東方，羅信偉

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

無砟軌道作為高速鐵路關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，長期承受車輛動(dòng)載、復(fù)雜環(huán)境等復(fù)合作用影響，無法避免出現(xiàn)病害現(xiàn)象。針對(duì)雙塊式無砟軌道服役現(xiàn)狀的調(diào)查發(fā)現(xiàn)道床板與支承層層間離縫是其服役過程中的典型病害之一[1]。在無砟軌道的服役過程中，道床板受溫度梯度作用發(fā)生翹曲變形，層間界面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)界面應(yīng)力達(dá)到界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，道床板與支承層脫黏形成離縫；即使在界面應(yīng)力低于界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)由于長期反復(fù)的溫度梯度、列車荷載及離縫積水耦合作用，道床板與支承層黏結(jié)界面也會(huì)發(fā)生疲勞損傷與離縫擴(kuò)展。離縫的形成會(huì)加速無砟軌道層間損壞，最終導(dǎo)致無砟軌道系統(tǒng)失效，帶來嚴(yán)重的服役安全問題[1-3]。

雙塊式無砟軌道道床板-支承層混凝土層間黏結(jié)屬于新老混凝土黏結(jié)。國內(nèi)外對(duì)新老混凝土黏結(jié)力學(xué)性能的研究表明，界面表面處理和粗糙程度是新老混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的重要影響因素[4-5]。田冬梅等[6]針對(duì)無砟軌道層間黏結(jié)性能研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度變化是導(dǎo)致層間離縫的重要原因之一。元強(qiáng)等[7]、彭勇[8]研究表明混凝土表面粗糙度和強(qiáng)度等級(jí)是無砟軌道界面黏結(jié)性能的重要影響因素。Zhu等[9]在研究無砟軌道界面黏結(jié)性能時(shí)成功引入內(nèi)聚力模型，較好的模擬了界面離縫、脫黏、損傷等力學(xué)行為。李培剛[10]使用內(nèi)聚力模型分析界面損傷、開裂，并研究層間脫黏對(duì)軌道動(dòng)力性能的影響。高亮等[11]研究了溫升和持續(xù)高溫荷載作用下，無砟軌道層間界面脫黏情況。王明昃等[12]采用DIC技術(shù)研究了單調(diào)荷載下C40～C20混凝土界面開裂行為，得到了界面強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)，但未獲得界面的疲勞性能。Dai等[13]開展了連續(xù)板式軌道層間抗剪性能的推板試驗(yàn)，研究了無砟軌道界面剪切強(qiáng)度和界面黏結(jié)滑移行為。綜上可見，目前針對(duì)雙塊式無砟軌道層間黏結(jié)疲勞行為的理論與試驗(yàn)研究鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為探明無砟軌道層間界面黏結(jié)疲勞性能，本文通過雙塊式無砟軌道道床板-支承層復(fù)合試件疲勞試驗(yàn)方法，探明了疲勞加載和單調(diào)加載下界面的破壞形態(tài)，分析確定了雙線性內(nèi)聚力本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)，研究得到了不同疲勞應(yīng)力水平下界面疲勞S-N關(guān)系，以及界面張開位移幅值增長率、界面張開速率等隨荷載循環(huán)次數(shù)的發(fā)展演變規(guī)律。這些測試結(jié)果可用于列車動(dòng)載、環(huán)境荷載等長期反復(fù)作用下軌道層間界面長期服役性能的理論與仿真分析，為研究雙塊式無砟軌道層間界面疲勞損傷與離縫擴(kuò)展提供理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用應(yīng)變片測量界面力學(xué)行為。

1.1 加載方式和試件制作

參考雙塊式軌道施工步驟確定試件制作方法。雙塊式無砟軌道建造時(shí)，首先鋪設(shè)支承層混凝土并進(jìn)行表面拉毛，待支承層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，在其表面架立鋼筋、雙塊式軌枕以及鋼軌扣件，隨后立模澆筑道床板混凝土[14]。

試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，由兩層75 mm厚混凝土塊先后澆筑而成，分別按照道床板、支承層混凝土配比制作，參照現(xiàn)場施工順序先后澆筑支承層、道床板混凝土。試驗(yàn)采取劈拉方式加載。試塊中支承層低塑性水泥混凝土相關(guān)技術(shù)要求見表1?；炷列阅苤笜?biāo)符合科技基〔2008〕74號(hào)《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道支承層暫行技術(shù)條件》[15]規(guī)定。

表1 試塊支承層低塑性水泥混凝土技術(shù)要求

試塊道床板混凝土相關(guān)技術(shù)要求見表2。所用原料與支承層低塑性水泥混凝土相同。

表2 試塊道床板混凝土技術(shù)要求

試件混凝土塊制作成型主要有攪拌、振搗、脫模、養(yǎng)護(hù)幾個(gè)工序。先澆筑位于下層的支承層混凝土，在經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)之后重新裝入試模，在其上部按同樣方法澆筑道床板混凝土，再經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后試件即制作完成，形成研究所需的混凝土界面。

1.2 試驗(yàn)裝置

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]對(duì)立方體試塊劈拉試驗(yàn)的要求，采用半徑75 mm的鋼制弧形墊塊加載。在鋼墊塊和試件之間有寬20 mm、厚4 mm的三層膠合板緩沖墊條。正式加載前先施加1 kN預(yù)壓力使鋼墊塊與試件緊密接觸。試驗(yàn)包括兩部分：單調(diào)加載測定界面靜強(qiáng)度和法向張力-位移關(guān)系，等幅正弦波加載研究界面疲勞性能。

1.3 測試內(nèi)容和方法

試件疲勞破壞時(shí)的交變應(yīng)力幅值與靜強(qiáng)度之比為疲勞應(yīng)力水平，顯然不同循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度亦不相同。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前需獲得界面靜強(qiáng)度和單調(diào)荷載下的界面張力-位移關(guān)系。首先進(jìn)行界面黏結(jié)強(qiáng)度測試，需測3個(gè)試塊。以0.02 MPa/s速率單調(diào)增加荷載，直至試件破壞。隨后開展界面受拉疲勞試驗(yàn)，得到界面開裂壽命與疲勞應(yīng)力水平的關(guān)系，并分析界面張開運(yùn)動(dòng)特征的演變規(guī)律。疲勞加載時(shí)施加等幅的正弦荷載，最小為1 kN，遠(yuǎn)小于試塊靜強(qiáng)度，即此為最小應(yīng)力水平Smin≈0。疲勞試驗(yàn)加載工況見表3。任一試件的界面疲勞壽命為試件界面開裂時(shí)的加載次數(shù)。疲勞加載次數(shù)超過300萬次視為不發(fā)生疲勞破壞。

表3 界面疲勞試驗(yàn)加載工況

測定界面張開位移、界面應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)是本試驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。諸多研究者在脆性材料破壞性能的研究中，通過試驗(yàn)證實(shí)采用應(yīng)變計(jì)記錄試件破壞過程是可行的[17]，該方法簡單易行且成本較低。參考上述方法，將應(yīng)變計(jì)橫跨于被測界面兩端，為確保應(yīng)變計(jì)金屬柵格部分變形均勻，試驗(yàn)中金屬柵格部分的應(yīng)變計(jì)基底不粘貼，其余部分與試件牢固粘貼，測得應(yīng)變計(jì)長度變化值即可得到界面張開位移。信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz，遠(yuǎn)大于荷載最大作用頻率15 Hz。

數(shù)值計(jì)算分析表明，劈拉荷載作用下，試件界面約80%區(qū)域的法向應(yīng)力幾乎相等，即所受疲勞效應(yīng)是相同的，見圖1。

圖1 劈拉試件受壓時(shí)水平向應(yīng)力分布

為了迅速捕捉到界面開裂行為，可將應(yīng)變片充分覆蓋該區(qū)域。因此，本試驗(yàn)沿界面方向間隔1.5 cm分布應(yīng)變片，每個(gè)試件共布置9個(gè)應(yīng)變片。這些應(yīng)變片用于檢測界面張開位移，可稱為“位移測量應(yīng)變片”。在距離界面10 mm處粘貼90°夾角的2軸應(yīng)變花，用于測量該點(diǎn)應(yīng)力。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，測點(diǎn)處的橫向應(yīng)力近似等于界面處法向張力。為防止應(yīng)變片銅線短路，采用絕緣膠泥固定應(yīng)變片端頭銅線。單調(diào)加載下同時(shí)測量界面位移和應(yīng)力，循環(huán)荷載下只測量界面位移。

2 試件破壞形態(tài)

試件受準(zhǔn)靜態(tài)劈拉破壞和疲勞破壞的形態(tài)相同，見圖2。所有試件均發(fā)生界面破壞，沿界面分裂成兩個(gè)“半試塊”，同預(yù)期一致。試件頂部及底部劈拉荷載加載區(qū)域附近混凝土有壓潰脫落現(xiàn)象?？赡苁且?yàn)樵嚰_裂后，荷載作用線集中在“半試塊”的邊緣，附近的混凝土受到較大的三向應(yīng)力作用從而發(fā)生破壞。界面清晰平整，以水泥砂漿與骨料的脫粘為主，其中又以低塑性水泥混凝土破壞為主，道床板混凝土水泥漿體破壞較少?？梢娊缑嫫茐牡募?xì)觀視角下，水泥強(qiáng)度越高越不容易發(fā)生破壞。

圖2 試件破壞形態(tài)

在疲勞試驗(yàn)中，貼于界面的各個(gè)位移測量應(yīng)變片都記錄了該點(diǎn)界面破壞歷程，直至應(yīng)變片破壞斷裂。通過觀察界面準(zhǔn)靜態(tài)劈拉破壞和界面疲勞破壞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試件在破壞前無顯見界面裂紋，在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)，界面經(jīng)歷了裂紋逐漸萌生、擴(kuò)展直至完全貫通的歷程，這與文獻(xiàn)[12]的觀測結(jié)果是一致的，見圖3。由圖3可知，18#試塊于不同位置處先后萌發(fā)了三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的裂紋點(diǎn)，分別是H、D、B點(diǎn)，隨后這三處初始裂紋逐漸擴(kuò)展并連通，最終導(dǎo)致界面完全破壞。

圖3 18#試塊各點(diǎn)開裂順序

3 單調(diào)加載下界面黏結(jié)性能

3.1 界面力學(xué)參數(shù)變化歷程

選取三組試驗(yàn)中測得界面法向臨界斷裂能居中的一組測試值作為試驗(yàn)結(jié)果。測點(diǎn)處混凝土橫向(垂直于界面)應(yīng)變ex、垂向(平行于界面)應(yīng)變ey和界面張開位移s的時(shí)程曲線見圖4。在時(shí)間約75 s以前ex、ey和s均呈線性增加，此階段界面尚未開裂。時(shí)間在75 s時(shí)三個(gè)指標(biāo)均發(fā)生突變，符合脆性破壞特征。ex在0.5 s內(nèi) “斷崖式”下降約60%，然后下降趨勢緩和，在時(shí)間到90 s時(shí)降為0。這種變化顯示出界面破壞后新的自由表面形成，橫向應(yīng)變得以釋放。ey的負(fù)值表示測點(diǎn)處于垂向壓縮狀態(tài)，本節(jié)觀察其絕對(duì)值變化。ey與ex一致，在界面破壞后出現(xiàn)驟變，但降幅更為緩和(約為14%)，隨后ey緩緩增加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破壞后的試件由于摩擦力的影響仍然受加載鋼墊塊擠壓，因此界面破壞后ey并不會(huì)降為零。s在界面破壞時(shí)有明顯拐點(diǎn)，界面破壞后極速增大。界面張開位移和橫向應(yīng)變對(duì)界面破壞較為敏感，破壞瞬時(shí)均發(fā)生較大突變。

圖4 應(yīng)變及界面張開位移隨時(shí)間變化過程

由彈性理論，測點(diǎn)處試件垂直于界面方向 (橫向)應(yīng)力為

(1)

式中：σx為橫向應(yīng)力；E為C40混凝土彈性模量，E=3.25×1010Pa；ν為泊松比。

界面法向張力tn近似等于σx，即

(2)

式中：n為第n次荷載循環(huán)。

圖5 界面法向張力時(shí)程曲線

3.2 界面法向張力-位移關(guān)系

圖6 試驗(yàn)實(shí)測界面法向張力-位移關(guān)系

4 循環(huán)荷載下界面疲勞性能

4.1 界面疲勞S-N關(guān)系

隨機(jī)選取本批試件中3個(gè)試塊進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，測得界面強(qiáng)度分別為0.95、1.05、1.26 MPa。參照文獻(xiàn)[16]對(duì)劈拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理要求，確定該組試件界面抗拉強(qiáng)度為1.05 MPa，即循環(huán)荷載下的界面疲勞試驗(yàn)中ft為1.05 MPa，據(jù)此可求得各疲勞應(yīng)力水平下的疲勞荷載值并用于試驗(yàn)加載。各試件界面疲勞壽命見表4。

由于混凝土黏結(jié)強(qiáng)度具有離散性，界面黏結(jié)強(qiáng)度亦具有離散型，這是造成同一疲勞荷載下界面疲勞壽命差別較大的主要因素。測試結(jié)果顯示同一疲勞荷載下不同試件界面疲勞壽命N最大相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，這與其他研究結(jié)論類似，甚至?xí)_(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)[18]。

試件界面疲勞壽命N和界面受拉疲勞應(yīng)力幅值Smax關(guān)系見圖8。

圖8 試件界面S-N關(guān)系

界面受拉疲勞S-N關(guān)系為

lgN=16.698-17.197Smaxr=0.802

(3)

式中：r為相關(guān)系數(shù)。

現(xiàn)有研究較少關(guān)注新老混凝土界面抗拉疲勞性能，而針對(duì)混凝土受拉疲勞性能的研究成果較為豐富，但二者的微觀破壞機(jī)理相同，都緣于水泥漿體斷裂以及同骨料脫黏。文獻(xiàn)[19]開展了C30混凝土試件直拉疲勞試驗(yàn)，其結(jié)果同S-N關(guān)系對(duì)比見圖9。可見S-N曲線同文獻(xiàn)[19]試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律較一致，這與二者微觀機(jī)理的一致性互相印證。從側(cè)面對(duì)S-N關(guān)系的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖9 S-N曲線與文獻(xiàn)[19]試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

此外，文獻(xiàn)20根據(jù)等幅疲勞200萬次試驗(yàn)結(jié)果，將疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)定義為疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度的比值，即γp=Smax,N=2×106。由本試驗(yàn)S-N關(guān)系可得出N=2×106時(shí)Smax,N=2×106=0.60，與文獻(xiàn)[19-24]對(duì)比見表5。由表5可知，結(jié)果處于上述文獻(xiàn)建議的修正系數(shù)之間，除文獻(xiàn)[23]以外其他文獻(xiàn)均比結(jié)果偏大。但本文修正系數(shù)適用范圍為混凝土黏結(jié)界面，與其他文獻(xiàn)不同。建議用于界面疲勞性能分析時(shí)，可適當(dāng)降低現(xiàn)有規(guī)范、文獻(xiàn)推薦的疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)值。例如混凝土界面疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)按文獻(xiàn)[20-21，24]推薦值取為γp=Smax,N=2×106=0.63時(shí)，代入式(3)可得疲勞壽命約73萬次?200萬次，差異較大。

表5 疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)對(duì)比

4.2 界面張開位移演變規(guī)律

以8#試塊為例，界面張開位移變化歷程見圖10。循環(huán)荷載每實(shí)現(xiàn)一次加載—卸載，界面張開位移伴隨著經(jīng)歷一次增大—減少，圖10中的“黑帶”即為全歷程數(shù)十萬次循環(huán)過程的集中表現(xiàn)。由圖10可見，隨著界面所受循環(huán)荷載次數(shù)逐漸累積，界面張開位移的變化幅值和最大、最小值均不斷增大，直至界面破壞。位移的這種變化體現(xiàn)了疲勞加載過程中塑性變形的逐漸增加。

圖10 界面張開位移變化歷程

試驗(yàn)得到界面張開位移的峰值s、幅值Δs隨加載次數(shù)的變化歷程見圖11，限于篇幅僅以Smax=0.8、0.7為例。圖中橫坐標(biāo)為各試件相對(duì)壽命(循環(huán)次數(shù)與疲勞壽命之比)。由圖11(a)可知，位移峰值變化歷程具有較明顯的階段性，可分三個(gè)階段，位移幅值的發(fā)展也有類似規(guī)律。

圖11 界面張開位移隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展演變

第一階段：快速增長階段。界面張開位移的峰值和幅值均高速增長。加載的疲勞應(yīng)力幅值Smax=0.7時(shí)，界面張開位移峰值的快速增長階段占全壽命約25%，幅值的快速增長階段占全壽命約5%；Smax=0.8時(shí)，峰值和幅值的這一比例均為15%左右。

第二階段：穩(wěn)定增長階段。從圖11可見，穩(wěn)定增長階段內(nèi)各曲線幾乎平行，即兩種應(yīng)力水平下，位移峰值相對(duì)增長率無明顯差異，位移幅值也有相同規(guī)律。加載的疲勞應(yīng)力幅值Smax=0.7時(shí)，界面張開位移峰值的穩(wěn)定增長階段占全壽命約65%，幅值的穩(wěn)定增長階段占全壽命約85%；Smax=0.8時(shí)，峰值和幅值的這一比例均為75%左右。

第三階段：不穩(wěn)定增長階段(急劇增長)，約占10%。試件界面破壞時(shí)，界面張開位移峰值約10～20 μm，位移幅值約5～15 μm。文獻(xiàn)[12]測得界面張開位移為7.5、10 μm，本文同文獻(xiàn)[12]測試結(jié)果較為接近。

4.3 界面張開速率與張開位移幅值增長率的演變規(guī)律

4.3.1 界面張開速率

參考應(yīng)變率[25]，界面張開速率為

(4)

式中：vn為界面張開速率，μm/s；Δsn為作用時(shí)間內(nèi)界面張開位移幅值，μm；tn為第n次荷載循環(huán)歷時(shí)的一半，s。

通過式(4)可以獲得本試驗(yàn)一次荷載循環(huán)對(duì)應(yīng)的界面張開速率，進(jìn)而可以得到界面疲勞試驗(yàn)全過程各次循環(huán)荷載下界面張開速率并分析其演變規(guī)律?，F(xiàn)有研究表明用穩(wěn)定增長階段變化規(guī)律表述全過程變化的誤差很小[25]。本試驗(yàn)穩(wěn)定增長階段，有

Smax=0.8r=0.982

lgvn=1.304+0.211 9lgN

(5)

Smax=0.7r=0.994

lgvn=-0.182 4+0.320 6lgN

(6)

4.3.2 界面張開位移幅值增長率

第二階段界面張開位移幅值Δsn的增長率可參考應(yīng)變?cè)鲩L率[25]，即

(7)

(8)

5 結(jié)論

通過制作高速鐵路雙塊式軌道道床板-支承層混凝土復(fù)合試件，設(shè)計(jì)界面疲勞試驗(yàn)方法，開展道床板-支承層混凝土層間黏結(jié)性能及界面疲勞性能試驗(yàn)，探明了單調(diào)加載和循環(huán)荷載下界面破壞的特點(diǎn)，獲得了雙線性內(nèi)聚力本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)，并得到了界面疲勞S-N曲線，界面張開位移、界面張開速率、界面張開位移幅值增長率隨試件壽命的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)通過試驗(yàn)獲得了雙塊式無砟軌道混凝土層間界面疲勞S-N曲線。

(2)試件的準(zhǔn)靜態(tài)劈拉破壞和疲勞破壞形態(tài)基本相同，且兩種破壞都有一個(gè)裂縫萌生、擴(kuò)展直至最后完全貫通的過程。

(3)通過測量道床板-支承層界面法向內(nèi)聚強(qiáng)度、界面張開位移、界面法向臨界斷裂能，可確定雙線性內(nèi)聚力模型參數(shù)并以此模擬道床板-支承層界面開裂行為。

(4)界面張開位移峰值的發(fā)展分三個(gè)階段：快速、穩(wěn)定和不穩(wěn)定增長，界面破壞時(shí)張開位移峰值為10～20 μm，張開位移幅值為5～15 μm。

(5)界面疲勞破壞歷程以第二階段為主，可通過監(jiān)測界面張開位移幅值預(yù)估界面疲勞剩余壽命，對(duì)無砟軌道安全服役提供參考。