無(wú)砟軌道層間離縫浸水條件下濕度影響范圍分析

劉佳，楊榮山，胡猛，張建清，吳夢(mèng)瑤

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無(wú)砟軌道層間離縫浸水條件下濕度影響范圍分析

劉佳，楊榮山，胡猛，張建清，吳夢(mèng)瑤

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

針對(duì)水致材料軟化對(duì)無(wú)砟軌道的水致?lián)p傷，總結(jié)無(wú)砟軌道水致材料軟化病害的現(xiàn)象及危害，以路基上CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道為例，借助ANSYS熱分析模塊建立CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)分布模型。研究結(jié)果表明：離縫內(nèi)部浸水導(dǎo)致浸水邊界附近的濕度差急劇增加，位于浸水邊界越近的位置，其濕度差的變化梯度越明顯，且最終趨于穩(wěn)定。裂縫浸水后，其橫向濕度影響范圍約為0.1 m，豎向影響范圍約為0.15 m。在開(kāi)口量不變的條件下，離縫越深，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度的影響也越明顯。建議無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)時(shí)考慮水致材料軟化的影響，做好排水設(shè)計(jì)，確保軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

雙塊式無(wú)砟軌道；離縫；水致材料軟化；濕度差；濕度影響范圍

無(wú)砟軌道由于其良好的穩(wěn)定性、平順性以及少維修的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)高速鐵路得到廣泛應(yīng)用[1]；隨著無(wú)砟軌道的大范圍運(yùn)營(yíng)，在服役過(guò)程中出現(xiàn)了各種病害，其中就包括水致病害，而誘發(fā)水致病害的先決條件就是軌道結(jié)構(gòu)材料的遇水軟化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，很多學(xué)者提出了孔隙水壓力作用下混凝土的宏觀力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算模型[2?3]。Kim等[4]探討了混凝土干縮梯度對(duì)材料性質(zhì)的影響。Parrott[5]通過(guò)試驗(yàn)分析了混凝土結(jié)構(gòu)表層與里層的干濕差異。GUANG[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了混凝土強(qiáng)度和含水量之間的關(guān)系。鄧友生等[7]通過(guò)混凝土浸水試驗(yàn)，得到了含水率隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而增加。徐浩等[8?9]研究了水浸泡歷時(shí)與應(yīng)變速率對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變以及應(yīng)力?應(yīng)變曲線等動(dòng)態(tài)特性的影響。曾曉輝等[10]研究了CA砂漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，認(rèn)為瀝青膜浸水軟化，其強(qiáng)度最大降低幅度可達(dá)46.31%。由此可見(jiàn)，對(duì)于混凝土和CA砂漿在材料浸水軟化方面的研究是比較完善的。但是，這些研究還都停留在宏觀的材料性能對(duì)比上，有關(guān)積水作用下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度場(chǎng)的分布以及材料內(nèi)外層次間性能差異的細(xì)觀分析還鮮有研究。本文總結(jié)無(wú)砟軌道水致病害現(xiàn)狀，建立CRTSⅠ型雙塊式軌道濕度場(chǎng)分布模型，分析離縫浸水條件下的濕度影響范圍，可為后續(xù)無(wú)砟軌道水致軟化問(wèn)題的研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 無(wú)砟軌道水致病害類型

水致?lián)p傷將危害軌道結(jié)構(gòu)性能，增加高速鐵路無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修的工作量。常見(jiàn)的無(wú)砟軌道水致病害情況如下。

1.1 道床板(或軌道板)積水

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道、CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道等均有道床板積水的情況出現(xiàn)。由于道床板裂紋以及軌枕與道床板間裂縫的存在，道床板(或軌道板)頂面積水將通過(guò)裂縫浸入道床板內(nèi)部，影響軌道材料的力學(xué)性能，同時(shí)道床板內(nèi)部的鋼筋在水的長(zhǎng)期銹蝕下也將逐漸失去作用，這將使道床板的穩(wěn)定性以及耐久性大幅降低。

1.2 軌枕處脫空

軌枕處脫空是雙塊式無(wú)砟軌道常見(jiàn)的損害類型。它主要表現(xiàn)為在軌枕四周新舊混凝土結(jié)合面處產(chǎn)生混凝土碎裂、掉塊的現(xiàn)象。

軌枕處脫空將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性下降，加速道床板的破壞。軌枕處產(chǎn)生松動(dòng)、空吊的現(xiàn)象，進(jìn)而影響行車平穩(wěn)和運(yùn)行安全。

1.3 層間離縫冒漿

層間離縫冒漿主要包括調(diào)整層與混凝土層間離縫冒漿以及混凝土層之間離縫冒漿[11]。CA砂漿層離縫冒漿主要發(fā)生在CRTSⅠ型板式和CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道中；道床板與支承層間離縫冒漿發(fā)生在CRTSⅠ型雙塊式和CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道中。層間離縫冒漿會(huì)使軌道結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高低不平順，使行車平穩(wěn)性和安全性降低。

由以上病害可見(jiàn)，無(wú)砟軌道在富水環(huán)境下，其材料容易軟化，各部件的界面連接性能退化，結(jié)構(gòu)的整體性遭到破壞，傷損很容易進(jìn)一步發(fā)展。為研究無(wú)砟軌道軟化機(jī)理，有必要對(duì)其在富水環(huán)境下的濕度場(chǎng)分布開(kāi)展研究。

2 無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)分布

2.1 濕擴(kuò)散方程的建立

本文根據(jù)Fick濕度擴(kuò)散定律對(duì)混凝土內(nèi)部濕度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行描述，依據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程描述其溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并對(duì)比兩者的邊界條件，從而建立起濕度場(chǎng)理論模型。

用(,,,)表示時(shí)刻多孔物體在點(diǎn)(,,)處的相對(duì)濕度，設(shè)物體中任意閉合區(qū)域Ω的邊界為C，當(dāng)閉曲面內(nèi)的相對(duì)濕度從(,,,1)變化到(,,,2)時(shí)，其水分的變化量為

考慮到材料自干燥時(shí)水分會(huì)有一定程度的消耗，故設(shè)(,,,)為自干燥損失函數(shù)，用于表示濕度損失速率，即單位時(shí)間單位體積內(nèi)消耗的水分與孔隙體積的比值，則1至2時(shí)段內(nèi)Ω內(nèi)部由材料自干燥作用而引起的濕度變化為

式中的負(fù)號(hào)是因?yàn)?以水分增加為正，而則以水分損失為正。

任意微小體積內(nèi)的濕度平衡關(guān)系明確后，即可建立控制方程。d時(shí)間內(nèi)水分經(jīng)法線方向在面積d的傳遞量為d3，其與通過(guò)的面積dS，時(shí)間間隔d及濕度沿法線的方向?qū)?shù)正相關(guān)且成比 例[12]，即

1至2時(shí)段內(nèi)經(jīng)該封閉曲面擴(kuò)散的水分總量為

由質(zhì)量守恒定律可知，1，2和3之間存在1=2+3的關(guān)系：

或

其中：(,,,) =?(,,,)，為水分自耗函數(shù)。

濕度場(chǎng)的邊界條件同樣包括3類：

1) 材料表面濕度為時(shí)間的已知函數(shù)(,,,)，即：

濕度變化量是已知函數(shù)()，即：

2) 材料表面濕度與周圍環(huán)境濕度的水分交換系數(shù)已知，則：

式中：m為材料表面的濕度；H為周圍大氣的濕度；為水分交換系數(shù)。

經(jīng)分析，濕擴(kuò)散方程與熱傳導(dǎo)方程之間存在著相同的結(jié)構(gòu)形式，二者差異對(duì)比分析如表1所示。

表1 熱傳導(dǎo)與濕擴(kuò)散方程對(duì)比分析表

經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，溫度與濕度、換熱系數(shù)與水分交換系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)與濕度擴(kuò)散系數(shù)以及絕熱升溫函數(shù)與自干燥損失函數(shù)均兩兩對(duì)應(yīng)。鑒于濕度場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的相似度很高，兩者的基本物理量也分別對(duì)應(yīng)并且目前熱分析計(jì)算方法已經(jīng)較為成熟。因此，將濕擴(kuò)散控制方程中的基本物理量和參數(shù)轉(zhuǎn)化為熱傳導(dǎo)控制方程的相應(yīng)物理量和參數(shù)后，混凝土結(jié)構(gòu)物的濕度場(chǎng)問(wèn)題就可以類比溫度場(chǎng)的分析方法進(jìn)行處理。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

為研究無(wú)砟軌道內(nèi)部的濕度影響范圍，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，選取路基上CRTSⅠ型雙塊式軌道帶層間離縫不含軌枕的斷面進(jìn)行分析。取道床板與支承層相交面為軸，向右為正，以不含離縫時(shí)的斷面對(duì)稱軸線為軸，向上為正。為表述方便，下文中將雙塊式無(wú)砟軌道道床板與支承層交界處的位置稱為第1臺(tái)階，將支承層與基礎(chǔ)交界的位置稱為第2臺(tái)階。暫不考慮道床板內(nèi)鋼筋，將第1，第2臺(tái)階層間離縫位置均設(shè)在右端，軌道各部分尺寸如圖1所示。

由于CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的施工方法，因此設(shè)置軌道結(jié)構(gòu)的初始濕度為100%，道床板頂部及軌道側(cè)面始終暴露在濕度為65%的大氣環(huán)境中，設(shè)置第1臺(tái)階離縫深度為0.45?m，開(kāi)口量為0.02?m，第2臺(tái)階離縫深度為0.8?m，開(kāi)口量為0.02?m。設(shè)底部基礎(chǔ)的濕度環(huán)境較好，支承層底面濕度為70%。道床板為C40混凝土，支承層為C20混凝土，層間進(jìn)行黏接，固定支承層底邊。在計(jì)算分析時(shí)，濕度與溫度相對(duì)應(yīng)，濕度擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)相對(duì)應(yīng)，水分交換系數(shù)與換熱系數(shù)相對(duì)應(yīng)，自干燥損失函數(shù)與絕熱升溫函數(shù)相對(duì)應(yīng)。

單位：mm

為研究不同浸水位置對(duì)濕度場(chǎng)分布的影響，本文考慮了3種工況，如表2所示。

表2 濕度場(chǎng)分布計(jì)算工況

2.3 無(wú)砟軌道濕度差時(shí)變規(guī)律

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將第1，第2臺(tái)階層間離縫位置均設(shè)在右端，與黏結(jié)緊密無(wú)層間離縫的左端形成對(duì)比，進(jìn)而得到離縫的存在對(duì)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度場(chǎng)分布的影響，本文以右側(cè)某臺(tái)階浸水后各處的濕度值與同等工況下左側(cè)不浸水時(shí)相應(yīng)位置的濕度值的差值定義為濕度差。各工況計(jì)算點(diǎn)選取如表2所示，為表達(dá)更為直觀形象，作計(jì)算點(diǎn)分布圖如圖2所示。其中混凝土養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后放置60 d，自干燥作用基本完成，各點(diǎn)于第89 d開(kāi)始浸水，浸水時(shí)間均為90 d。

單位：mm

表2 各工況計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，工況1，2和3的濕度差時(shí)程分布曲線分別如圖3，圖4和圖5所示，橫坐標(biāo)是時(shí)間，d，縱坐標(biāo)是濕度差，%，其中圖例中數(shù)值代表各工況計(jì)算點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

圖3 工況1濕度差時(shí)程分布曲線

圖4 工況2濕度差時(shí)程分布曲線

圖5 工況3濕度差時(shí)程分布曲線

2.4 無(wú)砟軌道濕度影響范圍

計(jì)算出浸水90 d后結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)相同位置處的濕度值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)濕度差大于或等于5%時(shí)，認(rèn)為浸水作用在此位置上是有影響的，反之則沒(méi)有。將濕度差≥5%的點(diǎn)繪出，這些點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域即為無(wú)砟軌道長(zhǎng)期浸水的濕度影響范圍。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3種工況下雙塊式無(wú)砟軌道浸水90 d后的濕度影響范圍分別如圖6~8所示。

分析圖6~8可知，3種工況下浸水裂縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的橫向影響范圍均約為0.1?m，豎向影響范圍均約為0.15?m。其中工況3中由于第1臺(tái)階和第2臺(tái)階裂縫同時(shí)浸水，使兩裂縫中間區(qū)域的濕度差產(chǎn)生一定程度的疊加，但浸水作用對(duì)遠(yuǎn)離邊界的內(nèi)部幾乎沒(méi)有影響。由此可見(jiàn)，豎向的濕度影響范圍要比橫向更廣，這是由于離縫深度要遠(yuǎn)大于開(kāi)口量，形成了更有影響作用的穩(wěn)定濕邊，且豎向距干燥邊界更近，促進(jìn)了水分的轉(zhuǎn)移。

圖6 工況1濕度影響范圍

圖7 工況2濕度影響范圍

圖8 工況3濕度影響范圍

將圖6和圖7進(jìn)行對(duì)比，第2臺(tái)階裂縫浸水使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的最大濕度差為29.1%，而第1臺(tái)階裂縫浸水使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的最大濕度差為19.9%，可以看出，第2臺(tái)階浸水對(duì)材料的軟化作用明顯大于第1臺(tái)階浸水，這是由于第2臺(tái)階裂縫的深度明顯大于第1臺(tái)階，由此可見(jiàn)離縫深度越深，浸水邊界越長(zhǎng)，水分的滲透范圍也越廣，且隨著時(shí)間的延續(xù)影響會(huì)越來(lái)越明顯。

當(dāng)無(wú)砟軌道層間存在滯留水時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)將形成動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，包括：層間浸水面的毛細(xì)吸水、外表面與大氣水分交換以及內(nèi)部水分自高濕度向低濕度擴(kuò)散以及水化自干燥等多種作用。

從細(xì)觀角度進(jìn)行分析，在一定的濕度條件下，混凝土中的自由水將減弱水泥石中膠凝體顆粒間的范德華力，使混凝土強(qiáng)度有所降低[16]。自由水破壞了混凝土的內(nèi)部連接，導(dǎo)致濕態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙率增加，破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，此時(shí)若軌道結(jié)構(gòu)受到振蕩水流的動(dòng)力作用，水害將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，最終促使劈裂和沖刷破壞的形成[17?19]。

3 結(jié)論

1) 層間離縫浸水對(duì)離縫區(qū)域附近的濕度場(chǎng)產(chǎn)生影響，但對(duì)遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域影響不大。距離浸水邊界越近，濕度梯度越大，但隨時(shí)間的延長(zhǎng)濕度最終趨于穩(wěn)定。

2) 浸水裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)豎向濕度的影響范圍比橫向大，隨著離縫深度的增加，水分的滲透范圍也越廣，影響也會(huì)越來(lái)越明顯。

3) 積水致材料劣化是水致病害的先導(dǎo)原因和發(fā)生基礎(chǔ)，水的侵蝕會(huì)大大縮短無(wú)砟軌道壽命。建議無(wú)砟軌道做好排水設(shè)計(jì)。此外，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)水害現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Analysis of humidity influence range under immersion between interlayer seams in a ballastless track

LIU Jia, YANG Rongshan, HU Meng, ZHANG Jianqing, WU Mengyao

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The deterioration of material caused by accumulated water is the leading cause and foundation of water-induced damage in ballastless tracks. This article summarized the appearance characteristics and hazards of the material softening diseases caused by water in ballastless track. Taking the CRTSI double-block ballastless track on the roadbed as an example, the humidity distribution model of the CRTSI double-block ballastless track was established and analyzed with ANSYS thermal analysis module. The results show that the water immersion in the interior of the crack leads to a sharp increase in the humidity difference near the immersed water boundary. The closer to the immersed water boundary, the more pronounced the change gradient of the humidity difference, and finally tends to be stable. Under the condition that the opening amount is constant, the deeper the crack, the more obvious the effect on the humidity of the structure. It is suggested that considering the water can lead to softening of the material in the design of ballastless track and good drainage design to ensure the durability of the track structure.

double-block ballastless track; seams; material softening caused by water; humidity difference; humidity influence range

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.001

U213.244

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1113 ? 07

2018?06?02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5177081383)

楊榮山(1975?)，男，河北容城人，教授，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)與軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：120637647@qq.com