单轴荷载下聚氨酯固化道床碎石道砟体压缩性能研究
有砟轨道应用广泛，但道床的散体性影响了轨道结构的稳定性、耐久性和平顺性。聚氨酯固化技术可加强散体道砟的整体性，在有砟轨道过渡段刚度调整、飞砟防治和道床结构强化等方面均有应用[1]。通过对有砟道床的全断面或局部灌注聚氨酯材料，经微发泡后填塞道砟孔隙，形成了一种胶结的碎石颗粒体结构[2]。近年来聚氨酯固化结构引起了科研工作者广泛的关注。WOOD‐WARD 等[3−4]研究认为聚氨酯加固有砟道床可有效保持轨道框架稳定，实现道岔区和过渡段的刚度过渡，减少轨道的维护工作量。CAI 等[5]基于多体系统动力学理论和有限元方法，研究了聚氨酯固化道床在重载铁路隧道中的动力特性。王红[6]比较了道砟胶结和聚氨酯固化技术的优缺点和应用条件。郄录朝等[7]通过聚氨酯固化道床的足尺模型试验，研究了道床的弹性、累积变形等力学性能，提出聚氨酯固化道床相较于有砟道床，具有更好的弹性保持能力和抗累积变形能力。KEENE 等[8]采用单轴压缩及循环荷载下的弯曲试验，对比了聚氨酯及水泥等胶凝材料与道砟黏结后的力学性能差异。徐旸[9]通过试验曲线标定离散元聚氨酯固化道床立方体试件模型，探究不同试件厚度的残余变形和动位移幅值随荷载的变化规律。贾文利[10]对聚氨酯固化道床立方体试块进行了单轴抗压试验，研究不同聚氨酯材料和不同养护时间的试块强度与变形间的关系。上述研究主要侧重于固化道床结构的整体力学性能及工程应用评估，缺乏聚氨酯固化道床试件受压过程中，结构的力学性能变化规律，以及聚氨酯和道砟间破坏机理的研究，而结构细观力学研究对掌握结构整体承力特性及破坏机理尤为重要。相关研究表明，单轴压缩试验与反复加载试验是研究材料基本力学性能的主要试验。杨大方等[11]对单轴压缩下的细砂岩的裂纹扩展、破坏过程进行了描述，得到了材料的主要破坏模式；徐浩等[12]采用电子万能试验机，研究了单轴反复荷载下水泥乳化沥青砂浆的力学性能，提出了反复荷载下该材料的应力−应变曲线方程。李俊华等[13]采用低周反复荷载研究高强混凝土柱的受力性能，通过滞回曲线研究其耗能能力。考虑到固化道床主要承受轨枕传来的轮轨垂向荷载，下面将通过对特制的聚氨酯固化道床试块进行单向和反复加载试验，研究在加载过程中的残余应变和能量耗散规律；并通过单轴压缩试验，获得材料的应力−应变曲线，观察加载过程中裂缝的出现、扩张直到破坏的全过程以及试件最后的破坏行为，观察破坏后聚氨酯与道砟的几何形态，分析聚氨酯与道砟间的相互作用关系。
1 试验方案
1.1 试验方法
采用WDW 系微机控制电子万能试验机进行控制加载。力由受压方向的荷载传感器测试，位移由高精度位移传感器量测，其精度为0.001 mm。放置试块前，在底座与加载头部涂抹润滑剂，消除界面摩擦的影响。为进行均匀加载，消除间隙，在加载面上放置一块350 mm×350 mm×10 mm 的钢板，正式试验前应进行一定的预载。对黏弹性材料进行压缩试验时，加载速率对试验结果有较大的影响[14]。为保证加载时试件处于准静态受力过程，参考典型的黏弹性材料——沥青混合料的试验规程[15]，将试验加载速率设为2 mm/min。试验装置如图1。
图1 试验装置
Fig.1 Test apparatus
(a)现场布置；(b)示意图
1.2 试件制作
选用经水洗、烘干的特级道砟，考虑道床断面的尺寸和碎石颗粒的边界效应，制作尺寸为350 mm×350 mm×350 mm 的聚氨酯碎石道砟试件。使用的聚氨酯发泡材料由多元醇组合料(A)与异氰酸酯组合料(B)构成，组合料中包括扩链剂、发泡剂、匀泡剂和催化剂等辅助剂，材料的性能与发泡环境相关，10%压缩强度约为11～14 kPa，拉伸强度约为250～280 kPa，撕裂强度约为500～600 N/m。A 料与B 料按1:0.7 的质量比混合，聚氨酯混合料质量约为7 kg，采用搅拌机充分搅拌后由顶部灌注模具中，起发时间约为20 s，表干时间约为80 s。使用的道砟质量约为73 kg，道砟装入模具时，应分层振捣击实3 次，确保密实度达到1 700 kg/m3。灌注完毕后加盖400 mm×400 mm 的钢化玻璃板，并作用一定的荷载于其顶部，确保不因聚氨酯膨胀将道砟顶起。为保证聚氨酯材料发泡充分，环境温度应控制在20～30 ℃，当发泡完毕并达到稳定强度后可进行拆模，试件固化前后对比如图2所示。
紧接着在第三段，评论员指出：Those who believe the current level of cyber attack is“war”are missing the bigger picture：War is war.People die in wars.Countries disappear and new countries are formed by war.People are displaced by war.Fortunes are made and fortunes are lost in war.
图2 聚氨酯固化道砟立方体试件
Fig.2 Polyurethane reinforced ballast cube specimen
(a)固化前；(b)固化后
2 单轴压缩荷载下的试件力学性能分析
测试聚氨酯固化道床试样的应力−应变曲线如图3所示。
实行院科两级督查管理,主要内容:消毒隔离措施的落实,无菌技术及手卫生执行情况,并及时反馈,对存在的问题及时整改,并将检查结果及监测情况每季度以院感简报形式向全院通报。
由图3可看出，试件在开始加载到最终破坏的过程中主要经历4个阶段。
图3 试件单轴压缩应力−应变曲线
Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curve of specimen
AB 为“刚度强化”阶段，受预压荷载影响，加载前应变初始值约为0.01，初加载后，应力−应变曲线切线斜率逐渐增大，刚度从0.55 kN/mm 逐渐增大至约3.0 kN/mm，增长率约550%，平均刚度约为1.18 kN/mm(即AB 段割线刚度)。试件外形并无明显变化，仍呈现方形，表面聚氨酯出现“褶皱”现象，这与砟胶混合体受载时所表现的不同特性有关。初期传力最先由道砟颗粒接触传递，颗粒产生相互移动趋势，颗粒间的聚氨酯材料随之产生变形，形成“褶皱”；随着荷载的增加，道砟接触点增多，当内部达到一定密实度后，道砟体逐渐形成稳定的受力框架，参与整体结构受力，分担聚氨酯承受的荷载，并随着这种参与度的增强，结构刚度随之强化，试验现象如图4(a)所示。当应力达到0.18 MPa，应变约为0.07 时，对应图中B点时，强化阶段结束。
图4 试件单轴压缩过程试验现象
Fig.4 Experimental phenomenon of uniaxial compression of specimen
(a)刚度强化阶段；(b)刚度稳定阶段；(c)刚度衰减阶段；(d)结构破坏阶段
BC 为“刚度稳定”阶段，此时应力应变曲线接近直线，试件刚度稳定在3 kN/mm 左右，道砟颗粒与聚氨酯在该阶段形成一个协调的组合体共同承载；二相材料及其黏结界面均处于弹性工作范围，试件受力变形稳定，呈现出线弹性状态。随着垂向变形的增大，试件逐渐出现侧向膨胀现象。当垂向加载平均应力0.5 MPa 时，试件垂向应变约为0.11。因碎石道砟多由玄武岩、花岗岩等硬质岩石加工而成，材料自身的可压缩性极低；持续加压下，道砟颗粒体将向侧面迁移、流变；而聚氨酯材料凭借良好的黏结性和延展性，能很大程度上控制道砟颗粒脱离组合体。当随着应力的不断增大，聚氨酯强度与颗粒摩擦自锁无法限制道砟间的迁移趋势时，道砟颗粒与聚氨酯的黏结界面处将逐渐滋生微小的裂纹，并逐步向聚氨酯材料内扩展。试验现象如图4(b)所示。当加载应力达到0.55 MPa，应变约为0.12 时，对应图中C 点时，稳定阶段结束。
何良诸心一紧，一种预感攫住他，站起身，向前走，经过播音室时，见门虚掩，敲敲，没有动静，门缝内露出女播音员的腿。何良诸的目光顿一下，推开门，女播音员张着嘴，一脸骇然。何良诸问：“小姐，有人卧轨？”
CD 段为“刚度衰减”阶段，随着加载荷载持续增大，道砟间相对位移的趋势不断增强，并由于在弹性阶段萌生的小裂缝不断累计，聚氨酯材料对于道砟的黏结限制作用逐渐减弱，道砟间发生相对位移的趋势进一步增大，裂缝相互间出现贯通，且尺寸进一步扩大，并向内部扩散。最终主裂缝形成于试件中部，体现为由黏结界面的撕裂带动聚氨酯材料的开裂。试块应变加剧明显，应力增加减缓，出现结构刚度退化现象，试件刚度由3 kN/mm 衰减至0 kN/mm，平均刚度约为0.72 kN/mm。在此阶段内，能够明显听见试件内部发出声响，可能是由于道砟发生破碎或道砟间摩擦错动发生碰撞引起。由于道砟原有稳定的受力框架遭到破坏，应力−应变曲线出现较多的毛刺。道砟向前后、左右膨胀臌曲明显，试验现象如图4(c)所示。当应力达到0.81 MPa，应变约为0.25时，对于图中D点，此时为曲线峰值点，承受的荷载值达到最大。
自然环境在为人类提供多种多样的旅游产品时，也需要人类的保护。运用循环经济的理念，可以使人类与自然和谐共处。循环经济可以促进旅游业可持续发展，让自然生态与旅游业协调发展。循环经济在环境保护方面取得了一定效果，旅游开发者要在不断实践中找到更好的发展方式。
DE 段为“结构破坏”阶段，试块的应力在D点达到峰值，出现应变大幅度增加，应力迅速减小的现象。试件中部表面的主裂缝从上至下、由内向里出现贯通性撕裂。在压力作用下试块出现塌陷、倾斜，裂缝周围道砟间的聚氨酯材料失去力学作用，道砟颗粒间的接触传力骨架被破坏，试件无法均匀承受荷载，最终失去承载能力，试验现象如图4(d)所示。
3 反复荷载下的试件力学性能分析
考虑到列车荷载的反复作用特性，为进一步探究聚氨酯固化道床的力学性能，对试件进行反复加卸载试验。根据已有研究[9]及《铁路工务技术手册——轨道》[16]规定，对试件进行逐级加载，设置的应力条件分别为0.2，0.3 和0.4 MPa，获得其加卸载应力应变曲线如图5 所示。测试结果表明，试件在经过10次加卸载后，其应力−应变曲线逐渐趋于稳定，残余应变增长率越来越小，可认为此时已达到相应应力条件下的基本稳定状态。各加载工况首次加载与后续加载的应力应变曲线存在较大差异，这与试件初次受载，内部道砟与聚氨酯仍处于相对松散的自然状态，聚氨酯发泡过程中存在着部分空隙等因素有关。在受荷载作用后，道砟体结构发生微量调整，消除了试件内的组合间隙，实现了道砟颗粒与道砟胶的协同受力，结构达到了一个稳定的受力状态，呈现出较为稳定的弹塑性特性。因此，在应用时，应对聚氨酯固化道床结构进行充分的预加载，以便获得性能稳定的固化道床结构。
首先，为了更好的展现出莫扎特音乐作品的细腻感，我们要把握好对触健的控制；为了声音的要求，我们要使弹奏出的每一个音节都明亮清透，为此，在我们具体的演奏过程中，要放松身体和心灵，放松手腕与手臂，不能有丝毫的紧张感，只有保证手指的有着敏锐的触觉和敏捷的反应时，我们才能在抓住每一个细节的前提下处理好每一个音节，让演奏出来的乐曲更加精彩。
图5 反复荷载下的应力−应变曲线
Fig.5 Stress-strain curves under repeated loads
显然，试件在循环加卸载过程中存在着耗能现象。研究表明：试件的滞回环面积与滞回能的大小成正比，可以反映试件在循环荷载下的能量耗散能力；每次加载的滞回环面积，应为对应加载周期内应力−应变曲线围成的闭合曲线的面积[17]。应力−应变的乘积为试件的应变能，滞回环的面积即为体积耗能，由此可计算试件的单位体积耗能。
针对同一加载次数条件下，不同应力水平对耗能的影响进行分析，如图6所示。
图6表明，单位体积能耗随着加载应力的增大而增加，说明应力越大时，聚氨酯试件的耗能能力越强，且随应力水平的增长而耗能更趋明显；在基本稳定状态下，试件的单位体积耗能在0.2，0.3和0.4 MPa应力下分别约为383，808和1 950 J，应力每增加0.1 MPa，试件的单位体积耗能增强约2.1～2.4倍。
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图6 单位体积耗能与加载应力的关系
Fig.6 Relationship between energy dissipation per unit volume and loading stress
针对同一应力水平下，不同加载次数对耗能的影响进行分析，如图7所示。
图7 单位体积耗能与加载次数的关系
Fig.7 Relationship between energy dissipation per unit volume and loading times
图7表明，单位体积耗能随着加卸载次数的增加而减小，尤其在前期的加载中减少的较为明显；结合图6发现，在加载后期试件每次加卸载后的单位体积耗能的减小量在不断缩小；应力0.4 MPa时，试件的耗能平均减小量在第2～5次加载、第5～8 次加载和第8～10 次加载分别为60(J∙m-3)/次，37(J∙m-3)/次和25(J∙m-3)/次，减小率分别约为39%和23%，耗能性能有逐渐稳定的趋势。这是由于试件多次加载后，结构内的道砟经过反复流变、迁移，达到了一个较为稳定的能量耗散状态。
试件的耗能能力主要来源于道砟颗粒间的摩擦、冲击以及聚氨酯材料的张缩变形，能量消耗的形式主要为道砟的破碎、聚氨酯材料的开裂和以热能的形式发散到空气中。综上所述，试件在0.2～0.4 MPa的反复荷载作用下，能够保持较为稳定的耗能性能，且应力越大，耗能性能越强。
残余应变主要由试件内部聚氨酯材料的微小伤损引起。第一次加载时，残余应变因试件内空隙及不适应协同受力而尤为明显。在反复荷载下试件前期产生的伤损仍会对后续的性能产生叠加影响，故随着荷载次数增多残余变形不断增大。
由图8可知，残余应变在荷载的反复作用下持续增长，故在线路运营过程中需加强对线路永久沉降的观测，以保持轨道平顺性的要求。由图9可知，试件的最大应变随着加载次数的增加而增加，主要变形集中在前3 次加载。应力为0.2 MPa 与0.3 MPa 的试件在第8 次加载后趋于稳定，可认为应力在0.2～0.3 MPa时，聚氨酯固化道床在反复疲劳荷载下具有较高的稳定性。但对于应力为0.4 MPa 的试件，最大应变随着加载次数呈现线性增长，10 次加载后仍有增长的趋势，说明该应力条件下试件出现反复荷载下的伤损加剧。
图8 残余应变随加载次数的变化
Fig.8 Residual strain changes with the loading times
图9 最大应变随加载次数的变化
Fig.9 Maximum strain varies with the loading times
4 结论
1) 聚氨酯固化道床经过初期受压，方可消除结构内部的间隙，使道砟与聚氨酯材料形成协调组合体，达到稳定的受力状态，故在线路正式运营前应进行充分的预压。
2) 聚氨酯固化道砟体单轴压缩所能承受的最大压应力约0.8 MPa；压应力为0.2～0.5 MPa 时处于刚度相对稳定区；当超过0.5 MPa 时，易出现刚度衰减退化现象，不利于结构的安全稳定性。
3) 聚氨酯道砟体在反复加载后，结构的耗能能力可以逐渐趋于稳定；且应力越大，试件耗能性能增强的尤为显著，在试件处于基本稳定状态时，应力每增加0.1 MPa 单位体积耗能增强2.1～2.4倍。
4) 反复加压试验表明，聚氨酯固化道砟体所能承受的最大应力在0.4 MPa 以内时，可防止残余变形显著累积，造成的轨面平顺性不良，保证行车品质与安全。结合单轴试验与反复荷载实验结果，为保证聚氨酯固化道床运营的安全性和耐久性，道床所受的最大平均应力宜控制在0.4 MPa以下。
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