不同温度条件下冻结道砟力学特性研究

2021-10-12徐凌晨

山西建筑 2021年20期

徐凌晨

(大连交通大学土木工程学院，辽宁大连 116028)

世界寒区分布面积约占总面积1/4。在我国、俄罗斯、美国以及芬兰等国均有冻土分布，在我国寒区主要分布西北、东北地区，约占我国总面积的43.5%。为研究寒区岩土的力学性质，很多学者进行了大量的室内试验，尹楠利用三轴试验分析了不同围压下冻结黄土的宏细观力学特性[1]。张雅琴采用南京地铁粉质黏土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验，分析不同因素对三轴强度影响[2]。杜海民研究了应变率以及含水率对冻结砂土无侧限抗压破坏应变特性和线弹模量特性[3]。黄星等为研究不同土质在不同温度下的破坏机理、破坏形态进行了单轴抗压试验以及劈裂试验，结果表明不同土质裂缝扩展的深度和宽度不同，冻土的抗压强度与抗拉强度均与负温存在很好的线性相关性。但较少有从细观层面分析温度变化对岩土力学性能的影响[4]。

鉴于此，基于冻结道砟单轴试验[5]，对不同温度下的冻结道砟进行离散元数值分析并研究细观黏结强度参数与温度之间的关系，得出道砟黏结强度与温度成反比，随着温度越低，胶结强度越高，为进一步提高离散元数值模拟效率具有一定的价值，增加了离散元法的准确性。

1 冻结道砟数值模型

以道砟的无侧限抗压试验为基础，构建六种不同形状外轮廓且具有一定棱角的块体代表道砟颗粒。道砟颗粒平均由37个小球颗粒组成，由图1可见生成的clump簇颗粒能够较为逼真的反映道砟的形状，在细观上体现道砟的联锁效应，较为准确的分析道砟的力学特性和演化规律。

根据我国TB/T 2140—2008铁路碎石道砟一级道砟级配如图2所示。在边长为200 mm的立方体内投放道砟颗粒，经过堆积、压实后生成体积密度大于1 700 kg/m3的离散元模型，之后删除侧壁墙体，如图3所示。完成建模后在实验中保持上部墙体0.02 mm/s向下移动，进行无侧限单轴抗压实验。

2 参数标定

根据实验的抗压强度—位移曲线标定平行黏结模型细观参数，标定过程中采用“试错法”结合材料特性。不断调整参数，直至数值模拟模型与试样的宏观力学性质相应近似一致，此时记录数值模拟模型中各细观参数，见表1。

表1 离散元细观参数

在温度-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃时，分别对道砟进行无侧限单轴抗压强度试验模拟，模拟结果如图4所示。

由图4可知，试样抗压强度与垂向位移呈正相关，随垂向位移的增大而增大，直到达到峰值。比较室内试验和离散元模拟结果，可以发现仿真结果与真实试验结果具有较好的拟合度，从而说明利用离散元方法对试验进行模拟的手段是可行的。图4中抗压强度峰值随着温度的降低升高，这是因为，随着温度的降低模型内部水分更多的转化成冰，在颗粒与颗粒之间形成了“冰键”。正是这种冰键的作用使颗粒之间产生黏结，模型更加稳定不易破坏。从-10 ℃到-20 ℃水大部分的水分已经形成“冰键”，仅有少部分没有冻结，所以提升幅度最大。在-30 ℃时模型基本完全胶结并随着温度降低，胶结越稳固，这使模型抗破坏能力最好，从而道砟的抗压强度最大。从三条曲线的走势来讲，模型属于脆性破坏，这与研究结果一致。还可以从整体趋势上看出，在-10 ℃离散元模拟试验的应力—位移曲线峰值在位移为1.96 mm附近；-20 ℃时在1.66 mm附近；-30 ℃时在1.06 mm附近。这能说明随温度的降低，冻结道砟容易出现应变软化。

从图4(a)～图4(c)模拟曲线与试验抗压强度—位移曲线相对比可知，在加载过程中，均存在波动，原因是不规则颗粒与试验颗粒形状有一定差别，影响颗粒之间的咬合能力导致的。

3 温度对细观力学特性的影响

3.1 温度对细观参数的影响

通过上述离散元模拟和试验对比，使用PFC3D颗粒流建立的低温道砟单轴试验，既能准确的表达试验的宏观特性，又能从细观层面揭示道砟无侧限抗压过程中的力学特性。

细观参数随温度的变化见图5，如图5(a)所示，随着温度的降低道砟线性刚度降低，这是因为线性刚度表征材料的本身的性质。当温度降低时，道砟中的水分变成冰，体积变大，从道砟内部破坏了道砟结构导致其承载力降低，抗变形能力低下。反之，如图5(b)，图5(c)所示，平黏结刚度、黏结强度随温度降低越来越大。因为平行黏结刚度、黏结强度和法向抗拉强度表征冰的抗变形的性质，随温度降低冰的胶结能力逐渐增加，黏结键越来越稳固，所以试样中的黏结刚度和强度随着温度的降低线性增大，与尹楠所得规律一致[6-7]。如图5(d)所示摩擦系数与温度呈负相关关系。摩擦系数表征的是颗粒的摩擦与颗粒表面的光滑程度有关，低温情况下颗粒之间主要通过“冰键”黏结，颗粒表面会有覆盖冰层，表面变得光滑，摩擦系数也越来越小。

3.2 力链分析

在PFC3D中，颗粒与颗粒、颗粒与墙体之间存在接触力链，力链反映了颗粒与颗粒之间受力状态，力链代表道砟间的接触关系以及颗粒之间的力学特性。根据力链的颜色辨别力链代表参数的大小，颜色越深，接触黏结力越大，反之越小。当轴向位移为0.6 mm时，对不同温度下的冻结道砟力链进行分析，如图6所示。-10 ℃时，颗粒间最大接触黏结力8.96 N。-20 ℃时，颗粒间最大接触黏结力20.98 N。-30 ℃时，颗粒间最大接触黏结力65.66 N。从接触黏结力峰值可以看出，-30 ℃时接触黏结力峰值最大，此时试样道砟颗粒之间的黏结键张力变大，所能承受的接触力越大，冻结道砟的抗压强度越大，抵抗变形能力越强，与应力—位移曲线变化规律一致。