動荷載與水耦合作用下無砟軌道混凝土層間裂紋擴展研究

趙春光,楊榮山,吳夢瑤,杜金鑫,曹世豪

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031)

無砟軌道以其高平順、高穩定和少維修的特點成為高速鐵路的主要軌道結構形式，得到了快速發展與廣泛應用[1-3]。但理論研究發現，由于常年承受列車荷載、溫度荷載等作用，無砟軌道整體性能不斷劣化，使得在其服役過程中混凝土內或層間裂紋出現較為普遍[4]。鐵路工務部門反應，在降雨豐沛地區或排水不暢地段的無砟軌道破損速率較干燥地區快得多。由此可見，水的存在對無砟軌道傷損的發展速度起著極為關鍵的作用。

無砟軌道的水致傷損問題實質上是列車荷載與水耦合作用下的鋼筋混凝土裂紋擴展問題[5]。由于我國高速鐵路無砟軌道的運營時間不長，對于運營中出現的無砟軌道水損害問題，并未進行深入的研究；而且列車荷載與水耦合作用下，混凝土水力劈裂疲勞擴展機理復雜，研究相對較為困難。

水利和地質領域的學者主要針對在水環境中工作的混凝土結構，如大壩、橋墩以及海岸結構物等，研究孔隙水的存在導致混凝土材料力學性能的變化[6-10]。但這些研究均未考慮列車荷載軸重大、速度快的作用特點，因此，上述研究成果不能照搬到無砟軌道的相關研究領域。

為明確高頻動荷載與水耦合作用下的混凝土傷損發展機制及其影響因素，解決無砟軌道水致傷損的基本理論問題，開展機械荷載與水耦合作用下的混凝土水力劈裂疲勞擴展試驗顯得尤為必要。并且這也對完善無砟軌道設計理論，合理制定無砟軌道養護維修方法和規程具有重要理論意義。

1　水環境下無砟軌道層間裂紋應力狀態

在混凝土結構澆筑時，由于施工、環境等因素，難免會留有孔隙，甚至會有氣泡產生；此外，在主裂紋尖端附近會隨機分布不定數量的微小裂紋，這些微裂紋的數量和尺寸大小可以表明裂紋尖端損傷的程度。由于裂紋表面在壓力的作用下會發生閉合，使得表面凸出的顆粒產生應力集中，以致其脫落；再者由于水的沖刷腐蝕作用下，也會導致裂紋表面的小顆粒脫落。而脫落的小顆粒在裂紋尖端附近可能會產生堆積，也會形成密閉空腔，如圖1所示。

圖1　劈裂破壞機理

在多雨季節，由于水的滲透作用，這些孔隙、氣泡及密閉空腔內會充滿水。由于水的不可壓縮性，在列車荷載作用下，空隙內的水會產生很大的水壓力，在水壓力的反作用下，可能會使結構局部發生破壞，從而導致宏觀主裂紋與孔隙、氣泡等缺陷連成一片，出現裂紋的擴展。并且研究發現隨著混凝土內部濕度的增加，混凝土的抗拉和抗壓強度都將降低[11，13]，所以在列車荷載與水耦合作用下，混凝土裂紋擴展也會變得更加迅速。

其中圖1(a)的孔隙水壓力作用在裂紋尖端前沿，此時在水壓力作用下，孔隙向右擴展，主裂紋向左擴展，最終主裂紋和孔隙匯合，形成新的裂紋。圖1(b)的水壓力作用在主裂紋上，當水壓力足夠大時，水壓力會產生劈裂作用，裂紋的擴展屬于張開型和剪切型同時存在的復合型裂紋，此時尖端裂紋應力狀態如圖1(d)所示。

2　CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道層間裂紋擴展分析

2.1　計算模型及參數

為研究列車荷載與水耦合作用下無砟軌道層間裂紋的疲勞擴展機理，以路基上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為例建立平面模型，該模型主要由道床板、支承層和楔形裂紋(裂紋面光滑)構成，假定裂紋位于支承層與道床板的層間處。列車荷載均布施加在軌枕臺上，動水壓力施加在裂紋內，如圖2所示。

圖2　計算模型(單位：mm)

根據圖2提出的計算模型，在有限元軟件Workbench中建立有限元平面計算模型，加載求解后，運用軟件Workbench中的疲勞模塊，對混凝土層間裂紋在列車荷載與水耦合作用下的疲勞擴展進行分析。其中，軌枕與道床板、道床板與支承層之間均采用粘結處理，疲勞準則采用最大剪應力準則。整個模型的有限元網格如圖3所示，模型中軌道結構相關計算參數如表1[14-20]所示。

圖3　有限元網格

模型中材料的S-N曲線采用文獻[21]中的水工混凝土疲勞曲線。因模型縱向只考慮在一個扣件間距范圍內受力，故將列車荷載按扣件垂向力分擔系數0.47[22]進行分配計算，裂紋尖端所受動水壓力取式(1)[23]

(1)

式中，pd為裂紋內產生的動水壓力；ρ為水的密度；F為加載幅值；f為加載頻率；h為裂紋開口量；pc為裂紋出口處的水壓力。

表1　模型計算參數

2.2　動水壓力作用下裂紋尖端擴展分析

經計算分析得到最先破壞的是裂紋的尖端，并且主要是由于剪應力過大導致其破壞，對其影響較大的是列車荷載、列車速度、水壓力和裂紋深度等，而動水壓力與列車速度、列車軸重和裂紋深度有關，所以以下主要研究在不同列車速度下，列車軸重與裂紋深度對層間裂紋的擴展分析。

2.2.1列車軸重對層間裂紋的擴展影響

當裂紋開口量為5 mm，裂縫長度為0.8 m時，在軸重17 t、軸重16 t和軸重15 t的列車荷載作用下，裂紋尖端疲勞壽命在不同車速下的變化如圖4所示。

圖4　列車軸重對層間裂紋擴展影響

由圖4可知，隨著軸重的增加，裂紋尖端的疲勞壽命顯著降低。在軸重不變時，裂紋尖端疲勞壽命值與列車速度呈二次方關系，這與動水壓力與列車速度的關系相近。

2.2.2裂紋深度對層間裂紋擴展的影響

當裂紋開口量為5 mm，裂紋深度為0.5、0.8 m和1.1 m時，在軸重15 t的列車荷載作用下，裂紋尖端的最大剪應力在不同車速下的變化如圖5所示。

圖5　裂紋深度對層間裂紋擴展影響

由圖5可知，隨著裂紋深度的增加，裂紋尖端剪應力急劇增大，裂紋深度由0.5 m變化到1.1 m時，尖端最大剪應力增大約10倍，而且隨著裂紋深度的增加，剪應力呈高次方升高，這主要是由于尖端所受的彎矩增大和水壓力的劈裂效應的增加導致的。

綜上計算分析可知，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道層間裂紋擴展中裂紋深度對其影響更為顯著。裂紋尖端疲勞壽命與列車速度呈二次方關系下降；列車軸重的增加顯著加速裂紋擴展；隨著裂紋深度的增加，裂紋尖端最大剪應力呈高次方增長。

3　混凝土層間裂紋擴展試驗

高頻動載與水耦合作用下的混凝土層間裂紋擴展試驗由水箱、含裂紋的混凝土試件、高清電子放大鏡、疲勞加載系統、電腦等組成。層間裂紋疲勞擴展試驗示意如圖6所示，現場試驗如圖7所示。

圖6　層間裂紋疲勞動擴展試驗裝置示意

圖7　層間裂紋疲勞動擴展試驗現場

考慮到試驗的可操作性以及試驗的方便性，縮小試驗模型，結合已有試驗設備，設計試件如圖8所示，試件參數如表2所示。試件制作時采用分層澆筑，先澆筑混凝土支承層，灑水養護7 d后，再澆筑道床板，道床板與支承層內均配有鋼筋網，為防止試件側面在彎矩作用下支承層與道床板拉裂，在試件側面距裂紋區30 mm處，也配有足量的鋼筋。

圖9　動荷載與水耦合作用下的混凝土損傷特征

圖8　試件尺寸(單位：mm)

項目道床板支承層裂縫(楔形)長度/mm300300300寬度/mm300300150高度/mm8012010強度等級C30C15—

水箱材質為Q235鋼，長度為500 mm，寬度為355 mm，深度為250 mm，底面焊有兩個螺栓，通過螺栓與試件側面的預埋鋼筋相連，使試件處于近似固定約束狀態，以減小試件在加載過程中產生振動對試驗影響。水槽中注入20 ℃的水，水位高于裂縫頂面40 mm。疲勞荷載由250 kN的萬能伺服液壓疲勞試驗機施加。荷載施加位置為試件的中心，荷載形式為正弦荷載(平均值±幅值)，其大小分別為(15±10) kN、(20±15) kN和(25±20) kN，荷載循環次數均為2×106次，等分8次加載，加載頻率均為4 Hz。加載過程中在試件側面，使用300倍電子放大鏡觀察裂紋擴展情況。

4　試驗結果及分析

試驗觀測發現，裂紋的擴展狀況隨著荷載的增大，裂紋的擴展速度隨之加快，且裂紋開始明顯擴展的荷載次數與荷載幅值幾乎呈線性關系，這與理論計算規律一致。圖9是在正弦荷載(25±20) kN作用時，試件裂紋擴展出現的不同狀態。

在對混凝土層間裂紋理論研究時，多是假設裂紋尖端為尖銳形，即包含應力場奇異性的裂紋尖端。然而在實際制作的時候，很難得到尖銳的裂紋尖端，試件初期真實的裂紋端部多呈一定的弧度，如圖9(a)，圖中裂紋尖端開始明顯擴展，是在荷載作用次數105萬次附近時出現的。在高頻動載與水耦合作用下，裂紋尖端處于復合應力狀態，在荷載作用次數115萬次左右時，出現如圖9(b)所示的狀態，即裂紋的擴展初期多伴隨著局部壓潰現象。

當荷載作用130萬次之后時，圖9(c)、圖9(d)、圖9(e)和圖9(f)均會出現。因在剪應力的持續作用下，裂紋尖端逐漸趨于尖銳形，并沿著界面的薄弱環節繼續擴展，由于混凝土中骨料顆粒之間的咬合作用和跨裂紋材料的粘結作用，使得圍繞裂紋的附近區域具有一定的抗剪與抗拉強度，因此擴展路徑多呈折線形，這也表明混凝土層間界面是具有一定厚度的，見圖9(c)。實際上，混凝土是典型的非均質材料，其內部含有微裂紋，因此在外部荷載作用下，混凝土的裂紋狀態也是一直在變化著的，有時并不是按著一條裂紋延伸、擴展到完全破壞，而是在某些區域會出現多條裂紋，有時也會出現一條裂紋發展成多條裂紋-裂紋分叉現象，見圖9(d)。形成的支裂紋一部分會進入混凝土內部，此時的裂紋擴展路徑相對于界面處較為平直，見圖9(e)。當分叉的支裂紋擴展到與主裂紋匯合時，會形成局部掉塊現象，見圖9(f)。此外，在裂紋擴展時，由于長期承受高頻動載與水耦合作用下，使得裂紋位置處反復擠壓、磨損、沖蝕，致使出現細微的唧漿與掏空現象。

5　結論

通過對高頻動載與水耦合作用下的混凝土層間裂紋擴展分析與試驗研究可以得到以下結論。

(1)裂紋尖端的疲勞壽命與列車速度呈二次方關系，隨軸重的增加疲勞壽命顯著降低。裂紋尖端剪應力隨裂紋深度呈高次方增長。

(2)無砟軌道層間裂紋擴展是一個過程量，主要沿層間界面擴展，擴展路徑多為折線形，伴有裂紋分叉現象發生，并導致層間發生掉塊現象。

(3)層間裂紋在列車荷載作用下，裂紋開口處呈現張開與閉合交替狀態，裂紋尖端出現壓潰現象，此時水環境中的水流沖刷作用會加速裂紋的擴展，并在裂紋尖端形成掏空。

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