無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，吳夢瑤

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無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，吳夢瑤

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

針對水致材料軟化對無砟軌道的水致?lián)p傷，總結(jié)無砟軌道水致材料軟化病害的現(xiàn)象及危害，以路基上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為例，借助ANSYS熱分析模塊建立CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道濕度場分布模型。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。在開口量不變的條件下，離縫越深，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度的影響也越明顯。建議無砟軌道設(shè)計時考慮水致材料軟化的影響，做好排水設(shè)計，確保軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

雙塊式無砟軌道；離縫；水致材料軟化；濕度差；濕度影響范圍

無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，在我國高速鐵路得到廣泛應(yīng)用[1]；隨著無砟軌道的大范圍運營，在服役過程中出現(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)系的計算模型[2?3]。Kim等[4]探討了混凝土干縮梯度對材料性質(zhì)的影響。Parrott[5]通過試驗分析了混凝土結(jié)構(gòu)表層與里層的干濕差異。GUANG[6]通過試驗研究了混凝土強度和含水量之間的關(guān)系。鄧友生等[7]通過混凝土浸水試驗，得到了含水率隨浸水時間延長而增加。徐浩等[8?9]研究了水浸泡歷時與應(yīng)變速率對CA砂漿抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變以及應(yīng)力?應(yīng)變曲線等動態(tài)特性的影響。曾曉輝等[10]研究了CA砂漿的動態(tài)力學(xué)性能，認為瀝青膜浸水軟化，其強度最大降低幅度可達46.31%。由此可見，對于混凝土和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比上，有關(guān)積水作用下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度場的分布以及材料內(nèi)外層次間性能差異的細觀分析還鮮有研究。本文總結(jié)無砟軌道水致病害現(xiàn)狀，建立CRTSⅠ型雙塊式軌道濕度場分布模型，分析離縫浸水條件下的濕度影響范圍，可為后續(xù)無砟軌道水致軟化問題的研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 無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，增加高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護維修的工作量。常見的無砟軌道水致病害情況如下。

1.1 道床板(或軌道板)積水

CRTSⅡ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅡ型雙塊式無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)頂面積水將通過裂縫浸入道床板內(nèi)部，影響軌道材料的力學(xué)性能，同時道床板內(nèi)部的鋼筋在水的長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砟軌道常見的損害類型。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、空吊的現(xiàn)象，進而影響行車平穩(wěn)和運行安全。

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型雙塊式無砟軌道中。層間離縫冒漿會使軌道結(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，無砟軌道在富水環(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，傷損很容易進一步發(fā)展。為研究無砟軌道軟化機理，有必要對其在富水環(huán)境下的濕度場分布開展研究。

2 無砟軌道濕度場分布

2.1 濕擴散方程的建立

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

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

考慮到材料自干燥時水分會有一定程度的消耗，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

式中的負號是因為2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，其與通過的面積dS，時間間隔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時段內(nèi)經(jīng)該封閉曲面擴散的水分總量為

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)。

濕度場的邊界條件同樣包括3類：

1) 材料表面濕度為時間的已知函數(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，二者差異對比分析如表1所示。

表1 熱傳導(dǎo)與濕擴散方程對比分析表

經(jīng)對比可發(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)均兩兩對應(yīng)。鑒于濕度場與溫度場之間的相似度很高，兩者的基本物理量也分別對應(yīng)并且目前熱分析計算方法已經(jīng)較為成熟。因此，將濕擴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)物的濕度場問題就可以類比溫度場的分析方法進行處理。

2.2 計算模型及參數(shù)

為研究無砟軌道內(nèi)部的濕度影響范圍，對軌道結(jié)構(gòu)進行適當?shù)暮喕x取路基上CRTSⅠ型雙塊式軌道帶層間離縫不含軌枕的斷面進行分析。取道床板與支承層相交面為軸，向右為正，以不含離縫時的斷面對稱軸線為軸，向上為正。為表述方便，下文中將雙塊式無砟軌道道床板與支承層交界處的位置稱為第1臺階，將支承層與基礎(chǔ)交界的位置稱為第2臺階。暫不考慮道床板內(nèi)鋼筋，將第1，第2臺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型雙塊式無砟軌道采用現(xiàn)場澆筑的施工方法，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臺階離縫深度為0.45?m，開口量為0.02?m，第2臺階離縫深度為0.8?m，開口量為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，層間進行黏接，固定支承層底邊。在計算分析時，濕度與溫度相對應(yīng)，濕度擴散系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)相對應(yīng)，水分交換系數(shù)與換熱系數(shù)相對應(yīng)，自干燥損失函數(shù)與絕熱升溫函數(shù)相對應(yīng)。

單位：mm

為研究不同浸水位置對濕度場分布的影響，本文考慮了3種工況，如表2所示。

表2 濕度場分布計算工況

2.3 無砟軌道濕度差時變規(guī)律

為簡化計算，將第1，第2臺階層間離縫位置均設(shè)在右端，與黏結(jié)緊密無層間離縫的左端形成對比，進而得到離縫的存在對軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度場分布的影響，本文以右側(cè)某臺階浸水后各處的濕度值與同等工況下左側(cè)不浸水時相應(yīng)位置的濕度值的差值定義為濕度差。各工況計算點選取如表2所示，為表達更為直觀形象，作計算點分布圖如圖2所示。其中混凝土養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護結(jié)束后放置60 d，自干燥作用基本完成，各點于第89 d開始浸水，浸水時間均為90 d。

單位：mm

表2 各工況計算點坐標

經(jīng)過計算，工況1，2和3的濕度差時程分布曲線分別如圖3，圖4和圖5所示，橫坐標是時間，d，縱坐標是濕度差，%，其中圖例中數(shù)值代表各工況計算點的縱坐標。

圖3 工況1濕度差時程分布曲線

圖4 工況2濕度差時程分布曲線

圖5 工況3濕度差時程分布曲線

2.4 無砟軌道濕度影響范圍

計算出浸水90 d后結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)相同位置處的濕度值進行對比，當濕度差大于或等于5%時，認為浸水作用在此位置上是有影響的，反之則沒有。將濕度差≥5%的點繪出，這些點所構(gòu)成的區(qū)域即為無砟軌道長期浸水的濕度影響范圍。經(jīng)過計算，3種工況下雙塊式無砟軌道浸水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臺階和第2臺階裂縫同時浸水，使兩裂縫中間區(qū)域的濕度差產(chǎn)生一定程度的疊加，但浸水作用對遠離邊界的內(nèi)部幾乎沒有影響。由此可見，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大于開口量，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進行對比，第2臺階裂縫浸水使結(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臺階浸水對材料的軟化作用明顯大于第1臺階浸水，這是由于第2臺階裂縫的深度明顯大于第1臺階，由此可見離縫深度越深，浸水邊界越長，水分的滲透范圍也越廣，且隨著時間的延續(xù)影響會越來越明顯。

當無砟軌道層間存在滯留水時，軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)將形成動態(tài)平衡系統(tǒng)，包括：層間浸水面的毛細吸水、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散以及水化自干燥等多種作用。

從細觀角度進行分析，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，此時若軌道結(jié)構(gòu)受到振蕩水流的動力作用，水害將會進一步發(fā)展，最終促使劈裂和沖刷破壞的形成[17?19]。

3 結(jié)論

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

2) 浸水裂縫對結(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，影響也會越來越明顯。

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)，水的侵蝕會大大縮短無砟軌道壽命。建議無砟軌道做好排水設(shè)計。此外，在運營過程中如果發(fā)現(xiàn)水害現(xiàn)象，應(yīng)及時修復(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

國家自然科學(xué)基金資助項目(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)動力學(xué)研究；E?mail：120637647@qq.com