动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

赵春光,杨荣山,吴梦瑶,杜金鑫,曹世豪

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都　610031)

无砟轨道以其高平顺、高稳定和少维修的特点成为高速铁路的主要轨道结构形式，得到了快速发展与广泛应用[1-3]。但理论研究发现，由于常年承受列车荷载、温度荷载等作用，无砟轨道整体性能不断劣化，使得在其服役过程中混凝土内或层间裂纹出现较为普遍[4]。铁路工务部门反应，在降雨丰沛地区或排水不畅地段的无砟轨道破损速率较干燥地区快得多。由此可见，水的存在对无砟轨道伤损的发展速度起着极为关键的作用。

无砟轨道的水致伤损问题实质上是列车荷载与水耦合作用下的钢筋混凝土裂纹扩展问题[5]。由于我国高速铁路无砟轨道的运营时间不长，对于运营中出现的无砟轨道水损害问题，并未进行深入的研究；而且列车荷载与水耦合作用下，混凝土水力劈裂疲劳扩展机理复杂，研究相对较为困难。

水利和地质领域的学者主要针对在水环境中工作的混凝土结构，如大坝、桥墩以及海岸结构物等，研究孔隙水的存在导致混凝土材料力学性能的变化[6-10]。但这些研究均未考虑列车荷载轴重大、速度快的作用特点，因此，上述研究成果不能照搬到无砟轨道的相关研究领域。

为明确高频动荷载与水耦合作用下的混凝土伤损发展机制及其影响因素，解决无砟轨道水致伤损的基本理论问题，开展机械荷载与水耦合作用下的混凝土水力劈裂疲劳扩展试验显得尤为必要。并且这也对完善无砟轨道设计理论，合理制定无砟轨道养护维修方法和规程具有重要理论意义。

1　水环境下无砟轨道层间裂纹应力状态

在混凝土结构浇筑时，由于施工、环境等因素，难免会留有孔隙，甚至会有气泡产生；此外，在主裂纹尖端附近会随机分布不定数量的微小裂纹，这些微裂纹的数量和尺寸大小可以表明裂纹尖端损伤的程度。由于裂纹表面在压力的作用下会发生闭合，使得表面凸出的颗粒产生应力集中，以致其脱落；再者由于水的冲刷腐蚀作用下，也会导致裂纹表面的小颗粒脱落。而脱落的小颗粒在裂纹尖端附近可能会产生堆积，也会形成密闭空腔，如图1所示。

图1　劈裂破坏机理

在多雨季节，由于水的渗透作用，这些孔隙、气泡及密闭空腔内会充满水。由于水的不可压缩性，在列车荷载作用下，空隙内的水会产生很大的水压力，在水压力的反作用下，可能会使结构局部发生破坏，从而导致宏观主裂纹与孔隙、气泡等缺陷连成一片，出现裂纹的扩展。并且研究发现随着混凝土内部湿度的增加，混凝土的抗拉和抗压强度都将降低[11，13]，所以在列车荷载与水耦合作用下，混凝土裂纹扩展也会变得更加迅速。

其中图1(a)的孔隙水压力作用在裂纹尖端前沿，此时在水压力作用下，孔隙向右扩展，主裂纹向左扩展，最终主裂纹和孔隙汇合，形成新的裂纹。图1(b)的水压力作用在主裂纹上，当水压力足够大时，水压力会产生劈裂作用，裂纹的扩展属于张开型和剪切型同时存在的复合型裂纹，此时尖端裂纹应力状态如图1(d)所示。

2　CRTSⅠ型双块式无砟轨道层间裂纹扩展分析

2.1　计算模型及参数

为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹的疲劳扩展机理，以路基上CRTSⅠ型双块式无砟轨道为例建立平面模型，该模型主要由道床板、支承层和楔形裂纹(裂纹面光滑)构成，假定裂纹位于支承层与道床板的层间处。列车荷载均布施加在轨枕台上，动水压力施加在裂纹内，如图2所示。

图2　计算模型(单位：mm)

根据图2提出的计算模型，在有限元软件Workbench中建立有限元平面计算模型，加载求解后，运用软件Workbench中的疲劳模块，对混凝土层间裂纹在列车荷载与水耦合作用下的疲劳扩展进行分析。其中，轨枕与道床板、道床板与支承层之间均采用粘结处理，疲劳准则采用最大剪应力准则。整个模型的有限元网格如图3所示，模型中轨道结构相关计算参数如表1[14-20]所示。

图3　有限元网格

模型中材料的S-N曲线采用文献[21]中的水工混凝土疲劳曲线。因模型纵向只考虑在一个扣件间距范围内受力，故将列车荷载按扣件垂向力分担系数0.47[22]进行分配计算，裂纹尖端所受动水压力取式(1)[23]

(1)

式中，pd为裂纹内产生的动水压力；ρ为水的密度；F为加载幅值；f为加载频率；h为裂纹开口量；pc为裂纹出口处的水压力。

表1　模型计算参数

2.2　动水压力作用下裂纹尖端扩展分析

经计算分析得到最先破坏的是裂纹的尖端，并且主要是由于剪应力过大导致其破坏，对其影响较大的是列车荷载、列车速度、水压力和裂纹深度等，而动水压力与列车速度、列车轴重和裂纹深度有关，所以以下主要研究在不同列车速度下，列车轴重与裂纹深度对层间裂纹的扩展分析。

2.2.1列车轴重对层间裂纹的扩展影响

当裂纹开口量为5 mm，裂缝长度为0.8 m时，在轴重17 t、轴重16 t和轴重15 t的列车荷载作用下，裂纹尖端疲劳寿命在不同车速下的变化如图4所示。

图4　列车轴重对层间裂纹扩展影响

由图4可知，随着轴重的增加，裂纹尖端的疲劳寿命显著降低。在轴重不变时，裂纹尖端疲劳寿命值与列车速度呈二次方关系，这与动水压力与列车速度的关系相近。

2.2.2裂纹深度对层间裂纹扩展的影响

当裂纹开口量为5 mm，裂纹深度为0.5、0.8 m和1.1 m时，在轴重15 t的列车荷载作用下，裂纹尖端的最大剪应力在不同车速下的变化如图5所示。

图5　裂纹深度对层间裂纹扩展影响

由图5可知，随着裂纹深度的增加，裂纹尖端剪应力急剧增大，裂纹深度由0.5 m变化到1.1 m时，尖端最大剪应力增大约10倍，而且随着裂纹深度的增加，剪应力呈高次方升高，这主要是由于尖端所受的弯矩增大和水压力的劈裂效应的增加导致的。

综上计算分析可知，CRTSⅠ型双块式无砟轨道层间裂纹扩展中裂纹深度对其影响更为显著。裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系下降；列车轴重的增加显著加速裂纹扩展；随着裂纹深度的增加，裂纹尖端最大剪应力呈高次方增长。

3　混凝土层间裂纹扩展试验

高频动载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验由水箱、含裂纹的混凝土试件、高清电子放大镜、疲劳加载系统、电脑等组成。层间裂纹疲劳扩展试验示意如图6所示，现场试验如图7所示。

图6　层间裂纹疲劳动扩展试验装置示意

图7　层间裂纹疲劳动扩展试验现场

考虑到试验的可操作性以及试验的方便性，缩小试验模型，结合已有试验设备，设计试件如图8所示，试件参数如表2所示。试件制作时采用分层浇筑，先浇筑混凝土支承层，洒水养护7 d后，再浇筑道床板，道床板与支承层内均配有钢筋网，为防止试件侧面在弯矩作用下支承层与道床板拉裂，在试件侧面距裂纹区30 mm处，也配有足量的钢筋。

图9　动荷载与水耦合作用下的混凝土损伤特征

图8　试件尺寸(单位：mm)

项目道床板支承层裂缝(楔形)长度/mm300300300宽度/mm300300150高度/mm8012010强度等级C30C15—

水箱材质为Q235钢，长度为500 mm，宽度为355 mm，深度为250 mm，底面焊有两个螺栓，通过螺栓与试件侧面的预埋钢筋相连，使试件处于近似固定约束状态，以减小试件在加载过程中产生振动对试验影响。水槽中注入20 ℃的水，水位高于裂缝顶面40 mm。疲劳荷载由250 kN的万能伺服液压疲劳试验机施加。荷载施加位置为试件的中心，荷载形式为正弦荷载(平均值±幅值)，其大小分别为(15±10) kN、(20±15) kN和(25±20) kN，荷载循环次数均为2×106次，等分8次加载，加载频率均为4 Hz。加载过程中在试件侧面，使用300倍电子放大镜观察裂纹扩展情况。

4　试验结果及分析

试验观测发现，裂纹的扩展状况随着荷载的增大，裂纹的扩展速度随之加快，且裂纹开始明显扩展的荷载次数与荷载幅值几乎呈线性关系，这与理论计算规律一致。图9是在正弦荷载(25±20) kN作用时，试件裂纹扩展出现的不同状态。

在对混凝土层间裂纹理论研究时，多是假设裂纹尖端为尖锐形，即包含应力场奇异性的裂纹尖端。然而在实际制作的时候，很难得到尖锐的裂纹尖端，试件初期真实的裂纹端部多呈一定的弧度，如图9(a)，图中裂纹尖端开始明显扩展，是在荷载作用次数105万次附近时出现的。在高频动载与水耦合作用下，裂纹尖端处于复合应力状态，在荷载作用次数115万次左右时，出现如图9(b)所示的状态，即裂纹的扩展初期多伴随着局部压溃现象。

当荷载作用130万次之后时，图9(c)、图9(d)、图9(e)和图9(f)均会出现。因在剪应力的持续作用下，裂纹尖端逐渐趋于尖锐形，并沿着界面的薄弱环节继续扩展，由于混凝土中骨料颗粒之间的咬合作用和跨裂纹材料的粘结作用，使得围绕裂纹的附近区域具有一定的抗剪与抗拉强度，因此扩展路径多呈折线形，这也表明混凝土层间界面是具有一定厚度的，见图9(c)。实际上，混凝土是典型的非均质材料，其内部含有微裂纹，因此在外部荷载作用下，混凝土的裂纹状态也是一直在变化着的，有时并不是按着一条裂纹延伸、扩展到完全破坏，而是在某些区域会出现多条裂纹，有时也会出现一条裂纹发展成多条裂纹-裂纹分叉现象，见图9(d)。形成的支裂纹一部分会进入混凝土内部，此时的裂纹扩展路径相对于界面处较为平直，见图9(e)。当分叉的支裂纹扩展到与主裂纹汇合时，会形成局部掉块现象，见图9(f)。此外，在裂纹扩展时，由于长期承受高频动载与水耦合作用下，使得裂纹位置处反复挤压、磨损、冲蚀，致使出现细微的唧浆与掏空现象。

5　结论

通过对高频动载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展分析与试验研究可以得到以下结论。

(1)裂纹尖端的疲劳寿命与列车速度呈二次方关系，随轴重的增加疲劳寿命显著降低。裂纹尖端剪应力随裂纹深度呈高次方增长。

(2)无砟轨道层间裂纹扩展是一个过程量，主要沿层间界面扩展，扩展路径多为折线形，伴有裂纹分叉现象发生，并导致层间发生掉块现象。

(3)层间裂纹在列车荷载作用下，裂纹开口处呈现张开与闭合交替状态，裂纹尖端出现压溃现象，此时水环境中的水流冲刷作用会加速裂纹的扩展，并在裂纹尖端形成掏空。

参考文献：

[1]刘学毅，赵坪锐，杨荣山，等.客运专线无砟轨道设计理论与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2]杨荣山，刘学毅.轨道工程[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]何华武.无砟轨道技术[M].北京：中国铁道出版社，2005：74-89.

[4]徐庆元，孟亚军，李斌，等.温度梯度作用下纵连板式无砟轨道疲劳应力普[J].中南大学学报(自然科学版)，2015，46(2)：736-741.

[5]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.

[6]杜修力，金浏.细观均匀化方法预测非饱和混凝土宏观力学性质[J].水利学报，2013，44(11)：1317-1325，1332.

[7]李庆斌，陈樟福生，孙满义，等.真实水荷载对混凝土强度影响的试验研究.水利学报，2007，38(7)：786-791.

[8]Ross C A， Jerome D M， Tedesco J W， et al. Moisture and strain rate effects on concrete strength[J]. ACI Materials Journal， 1996，93(3)：293-300.

[9]王海龙，李庆斌.湿态混凝土抗压强度与本构关系的细观力学分析[J].岩石力学与工程学报，2006(8)：1531-1536.

[10] 田瑞俊.基于细观力学的(全级配)混凝土静、动态力学性能研究[D].北京：北京工业大学，2008.

[11] Cadoni E， Labibes K， Albertini C， et al. Strain-rate effect on the tensile behavior of concrete at different relative humidity levels[J]. Materials and Structure， 2001，34(1)：21-26.

[12] 闫东明，林皋.不同初始静态荷载下混凝土动态抗压特性试验研究[J].水利学报，2006，37(3)：360-364.

[13] 李林.含水率对混凝土性能影响的研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[14] 张凌之，徐坤，杨荣山.双块式无砟轨道轨枕脱空处水的特性研究[J].铁道标准设计，2014，58(2)：17-21.

[15] 尹华拓.路基上CRTSI型双块式无砟轨道裂缝及疲劳特性研究[D].长沙：中南大学，2012.

[16] 付娜，刘钰，李成辉.单元双块式无砟轨道道床板温度翘曲变形的影响研究[J].铁道标准设计，2016，60(3)：16-18，28

[17] 朱胜阳，蔡成标.温度和列车动荷载作用下双块式无砟轨道道床板损伤特性研究[J].中国铁道科学，2012(1)：6-12.

[18] 韩波，蔡小培，赵磊，等.双块式无砟轨道上拱离缝后动力性能评价[J].铁道建筑，2013(10)：99-101.

[19] 徐光鑫，杨荣山.双块式无砟轨道裂纹对道床板受力的影响分析[J].铁道标准设计，2013，57(12)：32-35.

[20] 卿启湘，胡萍，王永和，等.高速铁路双块式无砟轨道计算模型约束方程的建立[J].中南大学学报(自然科学版)，2010，41(4)：1360-1368.

[21] 赵造东，张立翔，王时越.水工混凝土S-N和P-S-N曲线特性研究[J].固体力学学报，2002，23(2)：197-202.

[22] 李子春.轨道结构垂向荷载传递与路基附加动应力特性的研究[D].北京：铁道部科学研究院，2000.

[23] 曹世豪，杨荣山，刘学毅，等.无砟轨道层间裂纹内动水压力特性分析[J].西南交通大学学报，2016，51(1)：36-42.