CN111189694A - 一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法 - Google Patents

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CN111189694A CN202010047479.XA CN202010047479A CN111189694A CN 111189694 A CN111189694 A CN 111189694A CN 202010047479 A CN202010047479 A CN 202010047479A CN 111189694 A CN111189694 A CN 111189694A
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Abstract

本发明涉及一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，包括以下步骤：(1)制作含层间裂缝的双层混凝土层结构的混凝土试块；(2)将混凝土试块安装在试验机上，并安装位移传感器、应变片等至少一种；将混凝土试块进行预拉，预拉荷载为破坏荷载取值范围为(0％～20％]；(3)调整测量仪器，进行正式测试，荷载速度控制在0.1～1mm/min，直至试件破坏，记录破坏荷载和断裂位置；(4)试验结果处理，求解断裂韧性；试验结果按照公式
Figure DDA0002369936500000011
处理，计算混凝土层间裂缝韧性，精确至0.1J/mm2。本发明基于能量法测定无砟轨道层间界面的断裂韧性，适用于弹塑性和不同材料组合，能够为隧道内CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道层间水力劈裂时机提供判定依据。

Description

一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法
技术领域
本发明涉及铁路工程领域领域，具体涉及一种铁路无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法。
背景技术
我国地形地质条件复杂多样，在铁道工程中，无砟轨道由于一直暴露于复杂的环境中，在列车荷载、环境因素等多种因素的长期作用下，容易产生断裂等破坏。
隧道地段CRTSI型双块式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、无砟道床、底座或垫层等构成，其作为典型的层状结构体系，在高速列车荷载与周期温度荷载作用下，层间界面破坏较为严重。究其原因，无砟轨道层间多是由两种材料构成，由于两种材料力学性能的差异，层间界面端会产生奇异应力场，造成层间界面微裂纹的产生和扩展。
当无砟轨道界面端微裂纹产生后，在列车荷载、温度荷载、雨水等周期作用下持续扩展，直至结构发生断裂破坏。因此，确定无砟轨道层间界面的断裂韧性，对无砟轨道结构耐久性设计和养护维修意义重大。现有技术中缺乏关于无砟轨道界面结构的断裂韧性基础研究，亟需一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，以提高无砟轨道层间结构稳定性预判分析。
目前，对于材料裂缝稳定性的判定方法主要有应力强度因子法。其中，应力强度因子法将应力强度因子作为描述裂纹尖端应力场的特征量，与其相应的计算理论和测试标准大多适用于单一材料，对于双材料界面裂缝的K因子测定具有明显的局限性。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术缺少无砟轨道层间结构界面端微裂纹断裂韧性测试方法，而强度因子法对于双材料界面裂缝的K因子测定具有明显的局限性，提供一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，包括以下步骤：
(1)制作含层间裂缝的混凝土试块；所述混凝土试块是包含双层混凝土层结构；
(2)将混凝土试块安装在试验机上，然后在混凝土试块上安装位移传感器、应变片等至少一种；
将混凝土试块进行预拉，预拉荷载为破坏荷载取值范围为(0％～20％]；
(3)调整测量仪器，进行正式测试，荷载速度控制在0.1～1mm/min，直至试件破坏，记录破坏荷载和断裂位置；
(4)试验结果处理，求解断裂韧性；
试验结果按照公式
Figure RE-GDA0002444316600000021
处理，计算混凝土层间裂缝韧性，精确至0.1J/mm2；
其中，Gc为创造新裂缝表面所吸收的能量，此能量极限值为断裂韧性， Pc为外加荷载极值，B为双层混凝土层的结合界面宽度，m、n为与材料相关的系数，a为裂缝长度。
本发明基于能量法测定无砟轨道层间界面的断裂韧性，克服了应力强度因子法适用于单一材料的局限性，采用能量法根据系统能量变化判定裂缝扩展稳定性，适用于弹塑性和不同材料组合，可以对双材料界面断裂韧性试验测试确定断裂韧性。能够为隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道层间水力劈裂时机提供判定依据，适用于铁路工程领域。
本发明能量法避开了裂缝尖端附近的应力场，根据能量平衡理论建立断裂准则，通过裂缝扩展时整个系统的能量变化来判定裂缝扩展稳定性。将裂缝扩展视作能量释放过程，当裂缝发生不稳定扩展时，其释放的应变能超过创造新裂缝表面所吸收的能量，此能量极限值为断裂韧性。由于能量极限值与外力所做功大小基本一致，求得外力所作功，便可推导得到双材料界面的断裂韧性。不仅适用于弹塑性材料研究，且适用于不同的材料组合的情况。
其中，将混凝土试块进行预拉，取值范围为(0％～20％]是指预拉荷载为破坏荷载＞0且≤20％。
裂缝扩展的驱动力即能量释放率G，在裂缝扩展过程中，当释放的应变能超过创造新裂缝表面所吸收的能量Gc时，就会发生不稳定扩展，该能量极限值为断裂韧性。
进一步，步骤(1)中，所述混凝土试块是双悬臂梁试样。所述双层混凝土层结构是指双悬臂梁试样。
本发明中对双材料界面断裂韧性的测试采用双悬臂梁试样(Double CantileverBeam，DCB)，采用双臂梁试样对无砟轨道层间界面断裂韧性进行测试。采用人工制作的双层混凝土层结构可以很好地模拟各种无砟轨道，在研究无砟轨道层间界面裂缝尖端的断裂韧性的时候，能够结合理论分析给出相应的技术支撑和依据。
进一步，步骤(1)中，所述混凝土试块是以C40混凝土和C20混凝土制成的双悬臂梁试样，即采用C40、C20混凝土进行双层混凝土试块浇筑。
C40-C20双悬臂梁试样(DCB试件)，以隧道内CRTS I型双块式无砟轨道道床板和仰拱回填层为例，分别采用C40混凝土和C20混凝土制成的双悬臂梁试样，满足本发明对于隧道内CRTS I型双块式无砟轨道道床板和仰拱回填层为例的研究需求。
以隧道内CRTS I型双块式无砟轨道道床板和仰拱回填层为例，测定 C40-C20混凝土界面裂缝尖端的断裂韧性，为隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道的层间水力劈裂时机提供判定依据。
优选地，所述混凝土试块按照以下方法进行制备：分别拌制C40混凝土和 C20混凝土，先在试模中装入1/2高度的C40混凝土，养护至要求间隔时间后进行层面处理，再将C20混凝土装入剩下的1/2试模，养护至试验要求龄期。
其中，试模中装入混凝土的量误差控制在±30％以内，优选控制在20％以内，优选误差±10％以内，误差±5％以内。精确控制浇筑两种混凝土的用量，确保双悬臂梁试样的两种混凝土结合用量按照设计用量进行浇筑控制。
进一步，步骤(1)中，所述混凝土试块制备过程中在双悬臂梁试样中设置有钢筋。为避免试件在试验过程中沿着垂向开裂，同时为荷载的施加提供加载位置，需要对试件配置一定的钢筋。双悬臂梁试样的双层混凝土浇筑结构中分别设置钢筋，用以提升双悬臂梁试样延伸方向的强度，确保试验过程中试件沿着两种混凝土的结合界面发生断裂。
进一步，步骤(1)或(2)中，还包括测量混凝土试块断面尺寸，得到混凝土试块的断面尺寸。或者，可以是对试模进行测量，确定双悬臂梁试样的结合界面宽度B。
进一步，步骤(2)中，对混凝土试块进行至少两次预拉，预拉荷载为破坏荷载15％～20％。优选进行两次预拉。预拉消除非测试因素的干扰，释放双悬臂梁试样浇筑过程中的残余应力因素干扰等。
进一步，步骤(2)中，所述测试仪器包括用于连接所述双悬臂梁试样的施力块，通过两块施力块将双悬臂梁试样安装固定，使得双悬臂梁试样的裂缝位于两块施力块之间。通过施力块对双悬臂梁试样进行荷载加载。
进一步，步骤(2)中，所述测试仪器包括用于连接所述双悬臂梁试样的应变测试仪器，所述应变测试仪器包括应变片、应变采集仪，所述应变采集仪和应变片电连接。
所述应变片粘贴在双悬臂梁试样表面，优选粘贴在双悬臂梁试样的侧面，最好是位于双悬臂梁试样侧面裂缝扩展变化方向上。优选地，使用502胶将应变片粘贴于双悬臂梁试样的侧面。
优选地，步骤(3)中，通过有限元软件对试件进行模拟，计算裂缝尖端扩展到不同位置处时的试件垂向应力分布，根据应力分布特点，确定应变片的粘贴位置。如此，在界面一侧粘贴应变片即可达到测量目的。
进一步，步骤(2)中，所述测试仪器包括激光位移传感器，所述激光位移传感器用于测试双悬臂梁试样在加载过程中荷载作用点位移δ变化。
优选地，所述测试仪器包括IMC数据采集仪、DH9575静态应变采集仪等采集系统，分别用于采集荷载加载强度、位移数据、应变数据等。其中，IMC 数据采集仪用于采集荷载加载强度、位移数据，DH9575静态应变采集仪用于采集应变数据。
优选地，步骤(2)中，在安装好上述测试仪器后，进行调试，保证位移传感器及应变片等正常工作。
进一步，步骤(4)中，试验结果处理包括柔度标定，采用多试样方法通过两种标定方法进行拟合，得到裂缝长度与柔度的拟合函数
C＝man+k
进一步，步骤(4)中，试验结果处理：双材料界面断裂韧性试验测试方案的断裂韧性值的确定标准：1)试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值(精确至0.1J/mm2)；2)测值中的最大、最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15％，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的劈裂抗拉强度值；3)如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值的15％，则该组试件的试验结果无效。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明基于能量法测定无砟轨道层间界面的断裂韧性，克服了应力强度因子法适用于单一材料的局限性，采用能量法根据系统能量变化判定裂缝扩展稳定性，适用于弹塑性和不同材料组合，能够为隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道层间水力劈裂时机提供判定依据，适用于铁路工程领域。
2、本发明能量法避开了裂缝尖端附近的应力场，根据能量平衡理论建立断裂准则，通过裂缝扩展时整个系统的能量变化来判定裂缝扩展稳定性。将裂缝扩展视作能量释放过程，当裂缝发生不稳定扩展时，其释放的应变能超过创造新裂缝表面所吸收的能量，此能量极限值为断裂韧性。由于能量极限值与外力所做功大小基本一致，求得外力所作功，便可推导得到双材料界面的断裂韧性。不仅适用于弹塑性材料研究，且适用于不同的材料组合的情况。
附图说明
图1是本发明采用的双悬臂梁试样示意图。
图2是本发明的试验原理中柔度标定方法一示意图，包括图2a和图2b。其中，图2a表示这N个试样的荷载-位移曲线，图2b是柔度-裂缝长度关系曲线。
图3是本发明的试验原理中柔度标定方法二示意图，包括图3a和图3b，其中，图3a是荷载-位移曲线，图3b是柔度-裂缝长度关系曲线。
图4是本发明双材料界面断裂韧性测试示意图。
图5是本发明实施例提供的试件垂向应力分布示意图(包括图5a-图5d)。
图6是拟合的函数图。
图标：1-DBC试样、2-施力块、3-激光位移传感器、4-应变片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)试件制作：浇筑如图1所示的双悬臂梁试样(DCB)试块。制作含层间裂缝的混凝土C40-C20 DCB试件5组，共15个。首先，按配合比要求拌制C40混凝土，取试件1/2高度所需要的混凝土量装入试模，放入养护室养护至要求的间隔试件后，按施工要求进行层面处理。按配合比要求拌制C20混凝土，装入剩下的1/2试模，并养护至试验要求龄期。
(2)到达试验龄期时，将试件从养护室取出，测量试件断面尺寸B，精确到1mm。如图4中右侧所示，测定测量试件的断面尺寸B和试件的两层结构的高度h1、h2，确保两层结构的高度相差不超过20％。
(3)如图1所示的安装方式，将DBC试样和施力块安装固定。将试件安装在试验机上，开动试验机，进行两次预拉，预拉荷载约相当于破坏荷载的 15％～20％。
预拉过程中对IMC及DH9575等采集系统进行调试，并保证位移传感器及应变片等能够正常工作。如图4所示，在施力块2和C40-C20混凝土测试工件安装结合好以后，将激光位移传感器3设置在施力块2荷载的方向上，以测定测试荷载作用点位移。然后，将应变片4用502胶水粘贴于C40-C20混凝土测试工件的结合界面侧，以检测测试工件结合界面应变情况。
应变片4通过502胶粘贴在DBC试样的表面，然后在应变片的表面用环氧树脂胶进行覆膜保护，并将应变片和DH5975静态应变采集仪电连接。应变片的粘贴位置如图4所示，同时在DBC试样的端部裂缝处(两个施力块之间) 设置激光位移传感器3，将施力块2和试验机连接，将IMC数据采集系统和试验机、激光位移传感器连接。
(4)预拉完毕后，重新调整测量仪器，进行正式测试。拉伸时的荷载速度控制在0.1～1mm/min，直至试件破坏。记录破坏荷载和断裂位置。试件断裂时试验机自动断电，停止试验。
实施例2
一、试件制作
试件制作过程和荷载加载试验过程同实施例1，荷载加载仪器设备选型如下：
(1)试验机：10kN拉力试验机或伺服程控万能试验机，其拉伸间距不小于300mm。
(2)试模：试件长为400mm，界面宽度为B＝50mm，初始裂缝长度为 a1＝50、65、80、95、110mm，上层试件厚度为h1＝50mm，下层试件厚度为 h2＝50mm。成型试件尺寸如图4所示。所制作的试块，为了避免试件沿着垂向开裂且为荷载的施加提供加载位置，对试件配置一定的钢筋。
(3)施力块：长为50mm，宽50mm，厚25mm，圆孔直径为10mm。
(4)DH5975静态应变采集仪、应变片、502胶、环氧树脂胶。
(5)激光位移传感器、IMC数据采集系统。
二、试验过程
如图1-图4示出了本发明的试验原理，通过测定裂缝体的柔度，计算层间断裂韧性。详述如下：
(1)对于界面宽度为B，初始裂缝长度为a的双材料悬臂梁夹层式样，当裂缝未发生扩展时，施加的荷载P与作用点位移δ成正比，荷载-位移曲线斜率的倒数称之为柔度系数，简称柔度C，如式I所示：
C＝δ/P I
(2)在线弹性范围内，外荷载P所做功U如式II所示：
Figure RE-GDA0002444316600000091
(3)以柔度法表示的裂缝扩展能量释放率G如式III所示：
Figure RE-GDA0002444316600000092
(4)柔度法标定裂缝扩展力采用多试样方法。根据试验得到柔度为一系列离散的点，通过对这些离散的点进行拟合，得到柔度-裂缝长度关系曲线，拟合后的曲线函数(一般为幂函数)如式IV所示：
C＝man+k IV
式中：m,n,k为与材料相关的系数。
(5)将式IV对裂缝长度a求导，并带入式III中，可求得断裂韧性Gc与裂缝长度的关系如式V所示：
Figure RE-GDA0002444316600000093
式中：Pc为外加荷载极值。
步骤(4)具体又包括以下步骤：
1)所取的N个试样除裂缝长度a外，其它所有参数均完全相同，假定这 N个试样对应的裂缝长度分别为aj(j＝1,2,...,N)，且a1＜a2＜…＜aN。图2a表示这 N个试样的荷载-位移曲线，在线弹性范围内，它们都是斜直线，根据这组直线，可求得不同裂缝长度对应的柔度，柔度-裂缝长度关系曲线图2b。
2)在每次裂缝快速扩展、荷载下跌后即停机、存盘，借助光学显微镜在试件两侧标记出裂缝尖端位置，再卸载、加载，重复上述过程，直至试件完全断裂。取下断后试件，测量每次失稳扩展后的试件上标记的裂缝长度，删去第一个和裂缝长度小于100mm所对应的Fi和ai数据，其余即为有效数据。重复进行测试得到数据做图，如图3所示，包括图3a和图3b，其中，图3a是荷载 -位移曲线，图3b是柔度-裂缝长度关系曲线。
三、有限元模拟
作为本发明的实施例，通过对长为400mm，上下层高均为50mm，厚度为 50mm的C40-C20复合型试件进行有限元模拟，计算裂缝尖端扩展到不同位置处时，试件的垂向应力分布。
结果如图5a-图5d所示，在裂尖扩展的过程中，裂尖附近区域的小范围内出现较为明显的腰子型垂向应力分布，而在其它区域的垂向应力几乎为0。根据该应力分布特点，通过在界面一侧粘贴应变片，可实现对裂尖扩展位置的监测。因此，所述试验方案的测试方法中监测裂缝尖端扩展位置的应变片如图4 所示。
四、试验结果
为使测试结果相对稳定，本发明通过理论计算对断裂韧性进行预估，参阅图6、表1。将图6中拟合的函数带入试验原理中的公式V，以0.843MPa作为层间界面的抗拉极限，计算出不同长度裂缝对应的极限荷载及荷载作用点对应的位移，结果如表1所示。由表1可知，当裂缝长度a在0.15～0.25m之间时，测试结果相对稳定。
表1不同裂缝长度对应的柔度
裂缝长度 极限荷载 荷载作用点位移 柔度 断裂韧性
a/mm P<sub>max</sub>/N δ/m C/m.N<sup>-1</sup> G/J.m<sup>-2</sup>
50 184.28 1.65×10<sup>-6</sup> 8.97×10<sup>-9</sup> 0.4016
100 90.29 5.10×10<sup>-6</sup> 5.65×10<sup>-8</sup> 0.1291
150 60.12 1.06×10<sup>-5</sup> 1.77×10<sup>-7</sup> 0.1105
200 45.03 1.82×10<sup>-5</sup> 4.03×10<sup>-7</sup> 0.1137
250 35.99 2.77×10<sup>-5</sup> 7.69×10<sup>-7</sup> 0.1195
300 23.68 3.10×10<sup>-5</sup> 1.31×10<sup>-6</sup> 0.0781
350 20.86 4.54×10<sup>-5</sup> 2.18×10<sup>-6</sup> 0.0856
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作含层间裂缝的混凝土试块；所述混凝土试块是包含双层混凝土层结构；
(2)将混凝土试块安装在试验机上，然后在混凝土试块上安装位移传感器、应变片等至少一种；
将混凝土试块进行预拉，预拉荷载为破坏荷载取值范围为(0％～20％]；
(3)调整测量仪器，进行正式测试，荷载速度控制在0.1～1mm/min，直至试件破坏，记录破坏荷载和断裂位置；
(4)试验结果处理，求解断裂韧性；
试验结果按照公式
Figure FDA0002369936470000011
处理，计算混凝土层间裂缝韧性，精确至0.1J/mm2；
其中，Gc为创造新裂缝表面所吸收的能量，Pc为外加荷载极值，B为双层混凝土层的结合界面宽度，m、n为与材料相关的系数，a为裂缝长度。
2.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混凝土试块是双悬臂梁试样。
3.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混凝土试块是以C40混凝土和C20混凝土制成的双悬臂梁试样。
4.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，所述混凝土试块按照以下方法进行制备：分别拌制C40混凝土和C20混凝土，先在试模中装入1/2高度的C40混凝土，养护至要求间隔时间后进行层面处理，再将C20混凝土装入剩下的1/2试模，养护至试验要求龄期；
其中，试模中装入混凝土的量误差控制在±30％以内。
5.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混凝土试块制备过程中在双悬臂梁试样中设置有钢筋。
6.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)或(2)中，还包括测量混凝土试块断面尺寸，得到混凝土试块的断面尺寸。
7.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(2)中，对混凝土试块进行至少两次预拉，预拉荷载为破坏荷载15％～20％。
8.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(2)中，所述测试仪器包括用于连接所述双悬臂梁试样的施力块，通过两块施力块将双悬臂梁试样安装固定，使得双悬臂梁试样的裂缝位于两块施力块之间。
9.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(2)中，所述测试仪器包括用于连接所述双悬臂梁试样的应变测试仪器，所述应变测试仪器包括应变片、应变采集仪，所述应变采集仪和应变片电连接。
10.根据权利要求1所述一种无砟轨道层间界面断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(3)中，通过有限元软件对试件进行模拟，计算裂缝尖端扩展到不同位置处时的试件垂向应力分布，根据应力分布特点，确定应变片的粘贴位置。
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