不同溫度條件下凍結道砟力學特性研究

徐凌晨

(大連交通大學土木工程學院，遼寧 大連 116028)

世界寒區分布面積約占總面積1/4。在我國、俄羅斯、美國以及芬蘭等國均有凍土分布，在我國寒區主要分布西北、東北地區，約占我國總面積的43.5%。為研究寒區巖土的力學性質，很多學者進行了大量的室內試驗，尹楠利用三軸試驗分析了不同圍壓下凍結黃土的宏細觀力學特性[1]。張雅琴采用南京地鐵粉質黏土在不同圍壓、固結方式、應力路徑條件下的三軸試驗，分析不同因素對三軸強度影響[2]。杜海民研究了應變率以及含水率對凍結砂土無側限抗壓破壞應變特性和線彈模量特性[3]。黃星等為研究不同土質在不同溫度下的破壞機理、破壞形態進行了單軸抗壓試驗以及劈裂試驗，結果表明不同土質裂縫擴展的深度和寬度不同，凍土的抗壓強度與抗拉強度均與負溫存在很好的線性相關性。但較少有從細觀層面分析溫度變化對巖土力學性能的影響[4]。

鑒于此，基于凍結道砟單軸試驗[5]，對不同溫度下的凍結道砟進行離散元數值分析并研究細觀黏結強度參數與溫度之間的關系，得出道砟黏結強度與溫度成反比，隨著溫度越低，膠結強度越高，為進一步提高離散元數值模擬效率具有一定的價值，增加了離散元法的準確性。

1 凍結道砟數值模型

以道砟的無側限抗壓試驗為基礎，構建六種不同形狀外輪廓且具有一定棱角的塊體代表道砟顆粒。道砟顆粒平均由37個小球顆粒組成，由圖1可見生成的clump簇顆粒能夠較為逼真的反映道砟的形狀，在細觀上體現道砟的聯鎖效應，較為準確的分析道砟的力學特性和演化規律。

根據我國TB/T 2140—2008鐵路碎石道砟一級道砟級配如圖2所示。在邊長為200 mm的立方體內投放道砟顆粒，經過堆積、壓實后生成體積密度大于1 700 kg/m3的離散元模型，之后刪除側壁墻體，如圖3所示。完成建模后在實驗中保持上部墻體0.02 mm/s向下移動，進行無側限單軸抗壓實驗。

2 參數標定

根據實驗的抗壓強度—位移曲線標定平行黏結模型細觀參數，標定過程中采用“試錯法”結合材料特性。不斷調整參數，直至數值模擬模型與試樣的宏觀力學性質相應近似一致，此時記錄數值模擬模型中各細觀參數，見表1。

表1 離散元細觀參數

在溫度-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃時，分別對道砟進行無側限單軸抗壓強度試驗模擬，模擬結果如圖4所示。

由圖4可知，試樣抗壓強度與垂向位移呈正相關，隨垂向位移的增大而增大，直到達到峰值。比較室內試驗和離散元模擬結果，可以發現仿真結果與真實試驗結果具有較好的擬合度，從而說明利用離散元方法對試驗進行模擬的手段是可行的。圖4中抗壓強度峰值隨著溫度的降低升高，這是因為，隨著溫度的降低模型內部水分更多的轉化成冰，在顆粒與顆粒之間形成了“冰鍵”。正是這種冰鍵的作用使顆粒之間產生黏結，模型更加穩定不易破壞。從-10 ℃到-20 ℃水大部分的水分已經形成“冰鍵”，僅有少部分沒有凍結，所以提升幅度最大。在-30 ℃時模型基本完全膠結并隨著溫度降低，膠結越穩固，這使模型抗破壞能力最好，從而道砟的抗壓強度最大。從三條曲線的走勢來講，模型屬于脆性破壞，這與研究結果一致。還可以從整體趨勢上看出，在-10 ℃離散元模擬試驗的應力—位移曲線峰值在位移為1.96 mm附近；-20 ℃時在1.66 mm附近；-30 ℃時在1.06 mm附近。這能說明隨溫度的降低，凍結道砟容易出現應變軟化。

從圖4(a)～圖4(c)模擬曲線與試驗抗壓強度—位移曲線相對比可知，在加載過程中，均存在波動，原因是不規則顆粒與試驗顆粒形狀有一定差別，影響顆粒之間的咬合能力導致的。

3 溫度對細觀力學特性的影響

3.1 溫度對細觀參數的影響

通過上述離散元模擬和試驗對比，使用PFC3D顆粒流建立的低溫道砟單軸試驗，既能準確的表達試驗的宏觀特性，又能從細觀層面揭示道砟無側限抗壓過程中的力學特性。

細觀參數隨溫度的變化見圖5，如圖5(a)所示，隨著溫度的降低道砟線性剛度降低，這是因為線性剛度表征材料的本身的性質。當溫度降低時，道砟中的水分變成冰，體積變大，從道砟內部破壞了道砟結構導致其承載力降低，抗變形能力低下。反之，如圖5(b)，圖5(c)所示，平黏結剛度、黏結強度隨溫度降低越來越大。因為平行黏結剛度、黏結強度和法向抗拉強度表征冰的抗變形的性質，隨溫度降低冰的膠結能力逐漸增加，黏結鍵越來越穩固，所以試樣中的黏結剛度和強度隨著溫度的降低線性增大，與尹楠所得規律一致[6-7]。如圖5(d)所示摩擦系數與溫度呈負相關關系。摩擦系數表征的是顆粒的摩擦與顆粒表面的光滑程度有關，低溫情況下顆粒之間主要通過“冰鍵”黏結，顆粒表面會有覆蓋冰層，表面變得光滑，摩擦系數也越來越小。

3.2 力鏈分析

在PFC3D中，顆粒與顆粒、顆粒與墻體之間存在接觸力鏈，力鏈反映了顆粒與顆粒之間受力狀態，力鏈代表道砟間的接觸關系以及顆粒之間的力學特性。根據力鏈的顏色辨別力鏈代表參數的大小，顏色越深，接觸黏結力越大，反之越小。當軸向位移為0.6 mm時，對不同溫度下的凍結道砟力鏈進行分析，如圖6所示。-10 ℃時，顆粒間最大接觸黏結力8.96 N。-20 ℃時，顆粒間最大接觸黏結力20.98 N。-30 ℃時，顆粒間最大接觸黏結力65.66 N。從接觸黏結力峰值可以看出，-30 ℃時接觸黏結力峰值最大，此時試樣道砟顆粒之間的黏結鍵張力變大，所能承受的接觸力越大，凍結道砟的抗壓強度越大，抵抗變形能力越強，與應力—位移曲線變化規律一致。

4 結語

宏觀方面低溫可以改善道砟—冰組合體的抗壓性能，隨著溫度的降低道砟—冰抗壓強度由-10 ℃時49.150 kPa到-30 ℃時154.625 kPa，抗壓強度提高了約215%。細觀方面隨著溫度的降低，凍結道砟黏結鍵強度顯著提高，說明溫度降低強化了“冰鍵”的強度，是模型抵抗破壞變形能力提高的本質所在。