摘 要：在濕度影響下，混凝土的力學性能會隨其內部不均勻的濕度場產生不同程度的變化，故水環境中的雙塊式無砟軌道各混凝土部件(軌枕、道床板及支承層)內部的材料性能存在差異，在長期荷載作用下易產生傷損。因此，探明由濕度導致材料性能變化對水環境中無砟軌道局部力學行為及損傷所帶來的影響，對研究無砟軌道水致損傷形成和發展機理具有一定參考價值。通過建立雙塊式無砟軌道有限元實體模型，對水環境中雙塊式無砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的應變分布及疲勞損傷情況進行分析。結果表明：考慮濕度影響后，水環境中雙塊式無砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的變形性能與抗疲勞特性均有一定程度的削弱，長邊接觸面所受影響最為顯著，其最大主拉應變增長了 31.6%，剪切疲勞壽命減短了 30.4%，出現在該面中上方位置，該處將是裂紋較早萌生的位置。

　　關鍵詞：高速鐵路;雙塊式無砟軌道;水環境;道床板新舊混凝土界面;濕度;應變分布;疲勞損傷

　　引言

　　在排水不暢地段或降水量較大的地區，雙塊式無砟軌道在服役期間出現了不同程度的水損害現象，常見類型主要包括積水、軌枕松動和離縫冒漿[1-2]。西南交通大學楊榮山教授的研究團隊對該類問題高度關注并開展大量研究。周珂[3]基于斷裂力學的方法，對雙塊式無砟軌道在列車荷載與水耦合作用下的裂紋擴展機理以及枕邊裂紋內部的水流動力特性進行探究。李耀東[4]針對列車荷載與水耦合作用下雙塊式無砟軌道的軌枕松動問題展開研究，并計算分析軌枕脫空情況下動水壓強和流速等的作用特性。

　　曹世豪等[5 6]探究了在列車荷載作用下無砟軌道層間裂紋與存在少量空氣的不飽和含水裂縫內的動水壓力分布規律，并成功得到了基于控制體積法的分布解析式。楊榮山等[7]綜合動水壓力和裂紋擴展的兩階段研究，結合實際荷載的分布形式得到列車荷載與水耦合作用下無砟軌道的水力劈裂機理。以上關于無砟軌道水損害的研究重點大多集中在列車荷載與水耦合作用下無砟軌道結構的裂紋擴展及其內部的動水壓力、水流特性等方面。本質上，結構的任何損傷和破壞都與材料性能緊密相關。

　　本文從材料角度出發，將水環境中雙塊式無砟軌道內部的濕度分布與相應各濕度狀態混凝土的力學性能相結合，分別建立考慮濕度影響與不考慮濕度影響的雙塊式無砟軌道有限元實體模型，探究由于濕度不同導致軌道出現材料性能差異對水環境中雙塊式無砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的變形性能及疲勞特性的影響，對分析無砟軌道水致病害形成機理和演變規律具有一定指導意義，同時也對潮濕多雨地區無砟軌道結構類型的合理選擇提供一定的參考價值。

　　1 計算模型及參數

　　1.1 計算模型

　　本文在保證計算結果準確可靠的前提下，為節省計算資源，同時考慮到邊界效應的影響，在未設置假縫位置處選取相鄰 3 塊軌枕塊建立模型，以中間軌枕塊與道床板的交界面為分析對象，模型縱向總長為 1.95m。同時，本文只考慮直線段的軌道結構，忽略曲線地段及軌道結構超高，在縱向上亦不考慮鋼軌的伸縮區。列車荷載主要考慮其在鋼軌上的豎向作用力，采用單軸雙輪的加載方式，作用于模型中第 2 位扣件正上方的鋼軌頂面。

　　為進一步提高計算效率，本文對模型進行合理簡化，即將鋼軌視為彈性點支承梁，扣件系統簡化為線性彈簧，且僅考慮其在垂向上的彈性支撐作用。由于不研究基礎受力，故將支承層以下部分簡化為地基彈簧，采用 Winkler 地基假設。此外，假設軌道結構內部不存在滑移開裂等現象，雙塊式軌枕、道床板、支承層和路基服役狀態良好，彼此之間始終緊密接觸。

　　1.2 參數選取

　　(1) 列車荷載參數基于 TB10621—2014《高速鐵路設計規范》[8]以及客運專線無砟軌道再創新理論的研究成果，本文列車軸重采用 17t，動載系數取 3.0。

　　(2) 軌道結構尺寸參數及材料特性參數參照我國已鋪設的路基地段雙塊式無砟軌道結構，同時結合相關文獻資料[9 14]的建議值，本文所建模型結構尺寸參數和材料特性參數的具體取值。在不考慮濕度影響時，雙塊式軌枕、道床板和支承層均為材料性能均一的軌道結構部件。

　　(3)力學參數對于考慮濕度影響的軌道結構模型，根據ANSYS 有限元軟件的熱分析模塊[16 17]獲得的軌道浸水 90 天后的濕度場分布。將浸水 90 天后的雙塊式無砟軌道(軌枕區域與枕間區域)內部的濕度場劃分為 9 個濕度區間，并取各區間的中間值作為代表值用于計算分析。采用非飽和混凝土兩級均勻化計算得到軌道結構軌枕區域與枕間區域中各混凝土部件不同濕度區間的力學參數。

　　2 有限元模型

　　為了便于分析軌道局部的力學行為，本文利用有限元軟件建立了路基地段雙塊式無砟軌道的梁體模型。模型的建立主要包括鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板以及支承層等結構。其中，鋼軌采用BEAM188 自定義截面梁單元模擬;雙塊式軌枕、道床板和支承層均采用實體單元 SOLID45 予以建立;鋼軌與軌枕之間的扣件連接以及路基的豎向支承作用均選用線性彈簧單元 COMBIN14 進行模擬。

　　雙塊式軌枕與道床板、道床板與支承層以及支承層與地基之間的接觸界面均采用粘接處理。考慮到模型的計算效率和復雜性等問題，暫且忽略軌道結構的原始裂紋，各部件均按線彈性材料考慮，道床板混凝土與雙塊式軌枕之間始終保持緊密連接，模型中對鋼筋未加考慮。

　　基于軌道結構與荷載的對稱性，本文以線路中心線為對稱軸，取其一半進行模型的建立，并在模型中線平面上施加對稱位移約束。考慮到連續的雙塊式無砟軌道在縱向上必然受到相鄰結構的約束，故對道床板與支承層兩端施加縱向對稱位移約束。同時，在支承層側邊施加橫向位移約束，對模擬彈性地基的 COMBIN14 單元下端節點以及鋼軌兩端節點施加三向約束。

　　3 力學特性及疲勞損傷分析

　　3.1 變形性能分析

　　選取文獻[15]的研究成果進行對比分析，結果基本一致，說明模型合理有效，可用于后續分析。通過有限元計算，可分別得到考慮濕度影響與不考慮濕度影響軌道模型中間軌枕塊與道床板交界面的縱、橫、垂向應變以及第一主應變的分布情況。為更清晰直觀地顯示各接觸面應變分布情況，同時便于對兩模型計算結果的對比分析。

　　兩模型交界面的最大應變所處位置基本一致，但數值上存在一定差異，且拉應變的變化幅度較壓應變更為明顯。考慮濕度影響后，底部接觸面中心位置處的縱、橫向最大拉應變以及最大主拉應變均出現顯著提升，而位于長邊接觸面上方中部以及短邊接觸面上方近角點處的橫向壓應變和垂向拉壓應變的最大值卻出現了明顯的降低趨勢。這是由于軌道浸水后，交界面上方的彈性模量較大，剛度較大，約束較強，結構不易變形，而底部接觸面彈模較小，約束較弱，故此處易產生較大形變。

　　此外， 可以看到，考慮濕度影響后，交界面的受拉區范圍有所擴大。對于第一主應變，由不考慮濕度影響時軌道模型交界面的受壓區變為考慮濕度影響后的受拉區。此時，整個交界面僅存在主拉應變。考慮濕度影響后，面③的第一主應變整體增大，最大增幅可達 31.6%，位于中心處;面①內的第一主應變也出現大范圍增加，增大范圍約占該面的84.4%，最大增幅達到 31.5%，位于頂部近中心位置處;面②內大部分區域的應變值出現降低趨勢，該面的最大主拉應變下降了 35.3%。

　　可見，交界面最大主拉應變位于長邊接觸面，軌道浸水后，最大主拉應變在該面的增加幅度也十分顯著。此外，各接觸面內第一主應變的分布在材料參數分界處均出現明顯變化。因此本文對兩模型長邊接觸面在材料參數分界處的應變分布進行了對比分析，并得到了該處正應變、橫向剪應變及垂向剪應變的應變差。

　　面①材料參數分界線位置處的應變值在其中部區域增長較為明顯。 這是由于面①分界線以下部分的材料彈性模量較上部小，約束減弱，故變形增大。其中 正應變、垂向剪應變在面①的豎向中心線處增加最為顯著，增幅可達10.1%(正應變)、 36.9%(垂向剪應變)。橫向剪應變則在中心靠兩側位置處增幅最高，增幅高達 99.4%。為分析兩模型道床板新舊混凝土界面應變分布的均勻性，基于文獻[18]的方法定義應變不均勻系數 UC以衡量各接觸面內應變分布的均勻程度。

　　可以看到，考慮濕度影響后，長邊接觸面中上方位置處的應變損傷增加最為顯著。在列車垂向荷載作用下，兩者雖均未達到界面破壞的條件，但考慮濕度影響后，應變損傷的增幅高達 89.5%，位于長邊接觸面頂部近中點處。因此，本文對長邊接觸面上下邊緣位置處的損傷形式進行了詳細分析。可見，長邊接觸面內的主要損傷形式為垂向剪切破壞。

　　兩模型交界面剪切疲勞壽命最小值位于長邊接觸面中部，分別為 4.2×108次和 5.5×108 次，若設客運專線每天每小時運行 20 列 8 編組 CRH3 型動車組[21]，對應的壽命年限分約為 74年、97 年。二者在規定使用年限內均不發生剪切疲勞破壞。但考慮濕度影響后，交界面的剪切疲勞壽命值減短了 30.4%，經受一次荷載循環的損傷增大30.8%。兩模型最小安全系數均處于長邊接觸面中部上方，在考慮濕度影響后，最小安全系數降低 2.1%。

　　4 結論

　　(1) 綜合交界面內的應變分布及損傷情況可得，長邊接觸面所受影響最為顯著，在列車垂向荷載作用下，其上方中心位置處相對容易出現裂紋，且多為垂向剪切破壞。(2)在對水環境中無砟軌道混凝土界面位置處的力學性能及損傷情況進行檢算分析時，應考慮濕度影響，并留有一定的安全空間。(3)在潮濕多雨地區、排水不暢或易出現積水等地段，雙塊式無砟軌道的適用性較差。

　　參考文獻：

　　[1] 吳夢瑤. 水環境下雙塊式無砟軌道材料軟化分布研究[D]. 成都：西南交通大學，2018.

　　[2] 史璐慧. 雙塊式無砟軌道早期混凝土濕度及收縮開裂研究[D]. 成都：西南交通大學，2019.

　　[3] 周珂.列車與水耦合作用下雙塊式無砟軌道表面裂紋擴展機理研究[D].成都：西南交通大學，2014.

　　[4] 李耀東.列車荷載與水耦合作用下雙塊式軌道軌枕脫空機理研究[D].成都：西南交通大學，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，楊榮山，劉學毅，等.列車荷載作用下無砟軌道層間裂縫內水壓力分布[J].中國鐵道科學，2016，37(3)：9 15.

　　作者：劉佳