湿度影响下双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面力学特性研究

　　摘 要：在湿度影响下，混凝土的力学性能会随其内部不均匀的湿度场产生不同程度的变化，故水环境中的双块式无砟轨道各混凝土部件(轨枕、道床板及支承层)内部的材料性能存在差异，在长期荷载作用下易产生伤损。因此，探明由湿度导致材料性能变化对水环境中无砟轨道局部力学行为及损伤所带来的影响，对研究无砟轨道水致损伤形成和发展机理具有一定参考价值。通过建立双块式无砟轨道有限元实体模型，对水环境中双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面位置处的应变分布及疲劳损伤情况进行分析。结果表明：考虑湿度影响后，水环境中双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面位置处的变形性能与抗疲劳特性均有一定程度的削弱，长边接触面所受影响最为显著，其最大主拉应变增长了 31.6%，剪切疲劳寿命减短了 30.4%，出现在该面中上方位置，该处将是裂纹较早萌生的位置。

　　关键词：高速铁路;双块式无砟轨道;水环境;道床板新旧混凝土界面;湿度;应变分布;疲劳损伤

　　引言

　　在排水不畅地段或降水量较大的地区，双块式无砟轨道在服役期间出现了不同程度的水损害现象，常见类型主要包括积水、轨枕松动和离缝冒浆[1-2]。西南交通大学杨荣山教授的研究团队对该类问题高度关注并开展大量研究。周珂[3]基于断裂力学的方法，对双块式无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的裂纹扩展机理以及枕边裂纹内部的水流动力特性进行探究。李耀东[4]针对列车荷载与水耦合作用下双块式无砟轨道的轨枕松动问题展开研究，并计算分析轨枕脱空情况下动水压强和流速等的作用特性。

　　曹世豪等[5 6]探究了在列车荷载作用下无砟轨道层间裂纹与存在少量空气的不饱和含水裂缝内的动水压力分布规律，并成功得到了基于控制体积法的分布解析式。杨荣山等[7]综合动水压力和裂纹扩展的两阶段研究，结合实际荷载的分布形式得到列车荷载与水耦合作用下无砟轨道的水力劈裂机理。以上关于无砟轨道水损害的研究重点大多集中在列车荷载与水耦合作用下无砟轨道结构的裂纹扩展及其内部的动水压力、水流特性等方面。本质上，结构的任何损伤和破坏都与材料性能紧密相关。

　　本文从材料角度出发，将水环境中双块式无砟轨道内部的湿度分布与相应各湿度状态混凝土的力学性能相结合，分别建立考虑湿度影响与不考虑湿度影响的双块式无砟轨道有限元实体模型，探究由于湿度不同导致轨道出现材料性能差异对水环境中双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面位置处的变形性能及疲劳特性的影响，对分析无砟轨道水致病害形成机理和演变规律具有一定指导意义，同时也对潮湿多雨地区无砟轨道结构类型的合理选择提供一定的参考价值。

　　1 计算模型及参数

　　1.1 计算模型

　　本文在保证计算结果准确可靠的前提下，为节省计算资源，同时考虑到边界效应的影响，在未设置假缝位置处选取相邻 3 块轨枕块建立模型，以中间轨枕块与道床板的交界面为分析对象，模型纵向总长为 1.95m。同时，本文只考虑直线段的轨道结构，忽略曲线地段及轨道结构超高，在纵向上亦不考虑钢轨的伸缩区。列车荷载主要考虑其在钢轨上的竖向作用力，采用单轴双轮的加载方式，作用于模型中第 2 位扣件正上方的钢轨顶面。

　　为进一步提高计算效率，本文对模型进行合理简化，即将钢轨视为弹性点支承梁，扣件系统简化为线性弹簧，且仅考虑其在垂向上的弹性支撑作用。由于不研究基础受力，故将支承层以下部分简化为地基弹簧，采用 Winkler 地基假设。此外，假设轨道结构内部不存在滑移开裂等现象，双块式轨枕、道床板、支承层和路基服役状态良好，彼此之间始终紧密接触。

　　1.2 参数选取

　　(1) 列车荷载参数基于 TB10621—2014《高速铁路设计规范》[8]以及客运专线无砟轨道再创新理论的研究成果，本文列车轴重采用 17t，动载系数取 3.0。

　　(2) 轨道结构尺寸参数及材料特性参数参照我国已铺设的路基地段双块式无砟轨道结构，同时结合相关文献资料[9 14]的建议值，本文所建模型结构尺寸参数和材料特性参数的具体取值。在不考虑湿度影响时，双块式轨枕、道床板和支承层均为材料性能均一的轨道结构部件。

　　(3)力学参数对于考虑湿度影响的轨道结构模型，根据ANSYS 有限元软件的热分析模块[16 17]获得的轨道浸水 90 天后的湿度场分布。将浸水 90 天后的双块式无砟轨道(轨枕区域与枕间区域)内部的湿度场划分为 9 个湿度区间，并取各区间的中间值作为代表值用于计算分析。采用非饱和混凝土两级均匀化计算得到轨道结构轨枕区域与枕间区域中各混凝土部件不同湿度区间的力学参数。

　　2 有限元模型

　　为了便于分析轨道局部的力学行为，本文利用有限元软件建立了路基地段双块式无砟轨道的梁体模型。模型的建立主要包括钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板以及支承层等结构。其中，钢轨采用BEAM188 自定义截面梁单元模拟;双块式轨枕、道床板和支承层均采用实体单元 SOLID45 予以建立;钢轨与轨枕之间的扣件连接以及路基的竖向支承作用均选用线性弹簧单元 COMBIN14 进行模拟。

　　双块式轨枕与道床板、道床板与支承层以及支承层与地基之间的接触界面均采用粘接处理。考虑到模型的计算效率和复杂性等问题，暂且忽略轨道结构的原始裂纹，各部件均按线弹性材料考虑，道床板混凝土与双块式轨枕之间始终保持紧密连接，模型中对钢筋未加考虑。

　　基于轨道结构与荷载的对称性，本文以线路中心线为对称轴，取其一半进行模型的建立，并在模型中线平面上施加对称位移约束。考虑到连续的双块式无砟轨道在纵向上必然受到相邻结构的约束，故对道床板与支承层两端施加纵向对称位移约束。同时，在支承层侧边施加横向位移约束，对模拟弹性地基的 COMBIN14 单元下端节点以及钢轨两端节点施加三向约束。

　　3 力学特性及疲劳损伤分析

　　3.1 变形性能分析

　　选取文献[15]的研究成果进行对比分析，结果基本一致，说明模型合理有效，可用于后续分析。通过有限元计算，可分别得到考虑湿度影响与不考虑湿度影响轨道模型中间轨枕块与道床板交界面的纵、横、垂向应变以及第一主应变的分布情况。为更清晰直观地显示各接触面应变分布情况，同时便于对两模型计算结果的对比分析。

　　两模型交界面的最大应变所处位置基本一致，但数值上存在一定差异，且拉应变的变化幅度较压应变更为明显。考虑湿度影响后，底部接触面中心位置处的纵、横向最大拉应变以及最大主拉应变均出现显著提升，而位于长边接触面上方中部以及短边接触面上方近角点处的横向压应变和垂向拉压应变的最大值却出现了明显的降低趋势。这是由于轨道浸水后，交界面上方的弹性模量较大，刚度较大，约束较强，结构不易变形，而底部接触面弹模较小，约束较弱，故此处易产生较大形变。

　　此外， 可以看到，考虑湿度影响后，交界面的受拉区范围有所扩大。对于第一主应变，由不考虑湿度影响时轨道模型交界面的受压区变为考虑湿度影响后的受拉区。此时，整个交界面仅存在主拉应变。考虑湿度影响后，面③的第一主应变整体增大，最大增幅可达 31.6%，位于中心处;面①内的第一主应变也出现大范围增加，增大范围约占该面的84.4%，最大增幅达到 31.5%，位于顶部近中心位置处;面②内大部分区域的应变值出现降低趋势，该面的最大主拉应变下降了 35.3%。

　　可见，交界面最大主拉应变位于长边接触面，轨道浸水后，最大主拉应变在该面的增加幅度也十分显著。此外，各接触面内第一主应变的分布在材料参数分界处均出现明显变化。因此本文对两模型长边接触面在材料参数分界处的应变分布进行了对比分析，并得到了该处正应变、横向剪应变及垂向剪应变的应变差。

　　面①材料参数分界线位置处的应变值在其中部区域增长较为明显。 这是由于面①分界线以下部分的材料弹性模量较上部小，约束减弱，故变形增大。其中 正应变、垂向剪应变在面①的竖向中心线处增加最为显著，增幅可达10.1%(正应变)、 36.9%(垂向剪应变)。横向剪应变则在中心靠两侧位置处增幅最高，增幅高达 99.4%。为分析两模型道床板新旧混凝土界面应变分布的均匀性，基于文献[18]的方法定义应变不均匀系数 UC以衡量各接触面内应变分布的均匀程度。

　　可以看到，考虑湿度影响后，长边接触面中上方位置处的应变损伤增加最为显著。在列车垂向荷载作用下，两者虽均未达到界面破坏的条件，但考虑湿度影响后，应变损伤的增幅高达 89.5%，位于长边接触面顶部近中点处。因此，本文对长边接触面上下边缘位置处的损伤形式进行了详细分析。可见，长边接触面内的主要损伤形式为垂向剪切破坏。

　　两模型交界面剪切疲劳寿命最小值位于长边接触面中部，分别为 4.2×108次和 5.5×108 次，若设客运专线每天每小时运行 20 列 8 编组 CRH3 型动车组[21]，对应的寿命年限分约为 74年、97 年。二者在规定使用年限内均不发生剪切疲劳破坏。但考虑湿度影响后，交界面的剪切疲劳寿命值减短了 30.4%，经受一次荷载循环的损伤增大30.8%。两模型最小安全系数均处于长边接触面中部上方，在考虑湿度影响后，最小安全系数降低 2.1%。

　　4 结论

　　(1) 综合交界面内的应变分布及损伤情况可得，长边接触面所受影响最为显著，在列车垂向荷载作用下，其上方中心位置处相对容易出现裂纹，且多为垂向剪切破坏。(2)在对水环境中无砟轨道混凝土界面位置处的力学性能及损伤情况进行检算分析时，应考虑湿度影响，并留有一定的安全空间。(3)在潮湿多雨地区、排水不畅或易出现积水等地段，双块式无砟轨道的适用性较差。

　　参考文献：

　　[1] 吴梦瑶. 水环境下双块式无砟轨道材料软化分布研究[D]. 成都：西南交通大学，2018.

　　[2] 史璐慧. 双块式无砟轨道早期混凝土湿度及收缩开裂研究[D]. 成都：西南交通大学，2019.

　　[3] 周珂.列车与水耦合作用下双块式无砟轨道表面裂纹扩展机理研究[D].成都：西南交通大学，2014.

　　[4] 李耀东.列车荷载与水耦合作用下双块式轨道轨枕脱空机理研究[D].成都：西南交通大学，2013.

　　[5] CAO Shihao, YANG Rongshan, SU Chengguang, et al.Damage mechanism of slab track under the couplingeffects of train load and water[J]. Engineering FractureMechanics, 2016, 163: 160 175.

　　[6] 曹世豪，杨荣山，刘学毅，等.列车荷载作用下无砟轨道层间裂缝内水压力分布[J].中国铁道科学，2016，37(3)：9 15.

　　作者：刘佳