隧道內雙塊式無砟軌道早期濕度場分析

喬麗梅,曹世豪

(1.鄭州工業應用技術學院建筑工程學院,鄭州 450001； 2.河南工業大學土木工程學院,鄭州 450001)

引言

雙塊式無砟軌道因整體性強、施工靈活、少維修等優點，成為國內高速鐵路廣泛應用的軌道形式之一。截至目前，已被應用于武廣、西成、蘭新等27條線路，其建設里程已達到16 000 km[1-2]。工程應用實踐表明[3-5]，建造中的雙塊式無砟軌道道床板在澆筑2～3 d內會產生表面裂紋，其中軌枕角“八”字形裂紋尤為凸顯，見圖1。在后續服役過程中，道床板早期裂紋在列車疲勞荷載、復雜環境荷載作用下逐漸發展成為橫、縱向貫穿裂紋，影響著軌道結構的完整性和承載能力。

圖1 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工現場及早期開裂

對于道床板早期開裂的成因，王森榮[6]通過統計分析無砟軌道綜合試驗段在建道床板的早期開裂病害特征，指出溫度和干燥收縮變形是產生裂紋的主要原因。陳德鵬[7]通過濕熱耦合變形分析發現，混凝土濕度下降1 %的收縮變形等效于溫度下降2 ℃。通過進一步對比GRASLEY[8]和歐祖敏[9]的研究成果發現，處于干燥環境中的混凝土表層最大濕度梯度約為溫度梯度的40倍，即干燥引起的收縮變形要明顯大于降溫效應。韓宇棟等[10]指出，混凝土自身干燥收縮變形對早期開裂貢獻度可達到80%。在道床板裂縫控制方面，何財基[11]提出增設抗裂鋼筋能降低軌枕角裂紋，而成膜保濕可有效降低道床板表面龜裂。譚鹽賓[12]通過平板抗裂試驗研究發現，摻加6%的TK-ICM型防裂材料能夠長期保持混凝土內部濕度，減少開裂面積。截止目前，無砟軌道領域在濕度場理論研究層面還處于初步探索階段，現有文獻[13]僅報道了層間離縫內積水對服役階段的無砟軌道濕度場影響范圍的相關研究成果，而與道床板開裂直接相關的早期濕度場分布特性鮮有報道。

混凝土早期濕度場會受到內部水化自干燥、暴露表面與大氣間的水分交換、局部積水的浸潤、水分由高濕度向低濕度區擴散等多個因素的影響[14]。對于雙塊式無砟軌道，各部件的施工順序、養護方法等因素的影響尤為突出。如何在計算中綜合考慮上述影響因素，實現無砟軌道早期濕度場的預測是急需解決的問題。針對隧道內CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道早期濕度場分布特性計算方法開展研究，提出施工建造過程中各軌道部件施工順序及養護方法影響效果的計算方法，解決內部水化自干燥、外部大氣濕度等條件的施加方法，從而實現無砟軌道施工與養護階段的早期濕度場分布計算。研究成果可為雙塊式無砟軌道道床板早期開裂控制措施提供理論借鑒。

1 混凝土濕度場計算方法

混凝土濕度場計算普遍采用Fick定律，而溫度場計算采用Fourier定律，見表1、表2[15-18]。通過對比發現，兩套計算理論的控制方程、初始條件及邊界條件等三部分均存在相同的結構形式。因此，學者們使用大型商業有限元軟件對混凝土濕度場進行分析時，多優先采用更為成熟的溫度場分析模塊[19]。以ANSYS Workbench的溫度場計算模塊為例，通過建立溫度T與濕度H、對流換熱系數α與水分交換系數am、導溫系數a與濕度擴散系數D、內部水化升溫函數Q與水化自干燥函數G等對應關系，可實現溫度場模塊計算的溫度T與所研究的濕度H大小的一致性。然而，在實際操作時發現熱物理參數輸入選項并無導溫系數a。進一步分析導溫系數a=λ/(ρc)的表達關系式發現，當密度ρ與比熱容c的乘積為1時，導溫系數a值與熱傳導系數λ相同。本文在進行濕度場分析時，密度ρ與比熱容c的大小均設置為1。

表1 濕度場的控制方程、初始及邊界條件

表2 溫度場的控制方程、初始及邊界條件

2 混凝土早期濕度場試驗

為了驗證上述計算方法的正確性，課題組于室內開展密閉混凝土早期水化自干燥試驗。試驗裝置由恒溫恒濕箱、ABS塑料模具、混凝土立方體試件、SHT30濕度傳感器、USB轉化器、數據采集軟件及筆記本電腦等構成，見圖2?；炷猎嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm，強度等級為C40，配合比為水泥∶水∶砂子∶碎石=1∶0.39∶1.29∶2.88。試驗采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為細度模數2.5的河沙，粗骨料為粒徑5～10 mm的碎石?；炷亮⒎襟w試件在整個試驗過程中未脫模。待完成初凝后，將暴露面涂抹環氧樹脂AB膠，隔絕外部環境與內部的濕度交換，僅受早期內部水化自干燥影響。待環氧樹脂膠凝固后，將試件移至恒溫恒濕箱中，持續至28 d。SHT30濕度傳感器通過USB轉化器與筆記本電腦直接相連，電腦上安裝的數據采集軟件實時記錄混凝土試件內監測點處濕度變化，結果見圖3。

圖2 混凝土早期水化自干燥試驗

圖3 數值計算與試驗測試結果對比

由圖3可知，混凝土早期濕度在水化自干燥消耗下呈持續減小的變化趨勢，其中濕度消耗主要發生在前7 d內。隨后濕度消耗逐漸趨于平緩，在28 d時下降至約93%。此外，數值計算與試驗測試結果的較為一致性，表明本文提出的基于溫度場模塊預測混凝土濕度場結果是準確有效的。

3 無砟軌道早期濕度場計算模型及流程

3.1 計算模型

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道是將預制的雙塊式軌枕精確調整定位后，以現場澆筑混凝土的方式一次成型的軌道結構。在有仰拱填充的隧道內，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要由雙塊式軌枕、道床板和隧道基礎等構成[20]。本文對隧道內CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的早期濕度場分布特性進行分析，對應的計算模型如圖4所示。模型中道床板寬度為2.8 m，厚度為0.26 m?；A寬度為3.8 m，厚度為0.5 m。有限元模型的單元尺寸為0.05 m，對應的單元數為2 208個，節點數為7 074個。

圖4 雙塊式無砟軌道早期濕度場計算模型

3.2 計算流程

為了在濕度場計算中實現CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道各部件施工順序的影響，采用圖5所示穩態-瞬態-瞬態分析相結合的3步計算流程。第1步：通過穩態分析確定基礎濕度場分布規律，并將計算數據傳遞至第2步，作為后續瞬態分析時的基礎初始濕度條件。第2步：通過瞬態分析確定軌枕在預制完成后的濕度場變化規律，并將計算結果傳遞至第3步，作為后續瞬態分析時的軌枕初始濕度條件。需要注意，在第2步中因軌枕和基礎是彼此獨立的計算域，故兩部件的濕度場計算結果互不影響。第3步：通過瞬態分析確定道床板澆筑后整個無砟軌道的濕度場變化規律。

圖5 雙塊式無砟軌道早期濕度場計算流程

4 計算結果及分析

4.1 隧道基礎穩態濕度場分析

考慮到隧道基礎內濕度場在一定深度自由水浸潤與隧洞內部空氣干燥的長期相互作用下達到平衡，故在對隧道內雙塊式無砟軌道早期濕度場進行分析時，首先通過穩態濕度場分析，獲取隧道基礎的濕度場分布特性，為后續道床板澆筑后的濕度場預測提供合理的底部邊界條件。在此分析階段，基礎下部的自由水影響通過設置H=100%的恒定濕度實現，上部隧洞內空氣干燥效應通過設置為H=60%、水分交換系數為am=0.005 m·d-1的對流換濕邊界實現?；谏鲜鲈O置計算的隧道基礎濕度場分布見圖6、圖7。

圖6 隧道基礎穩態濕度場分布云圖

圖7 基礎濕度沿路徑ab的分布(路徑ab見圖6)

由圖6可知，隧道基礎濕度場在頂部大氣干燥和底部自由水浸潤的共同作用下，會形成穩定的濕度場分布規律。在大氣干燥的長期作用下，基礎表面濕度降至60%，與隧道內空氣濕度一致。由圖7可知，隧道基礎內濕度達到平衡后，沿深度呈指數分布規律。該部分計算結果將作為道床板澆筑后的瞬態濕度場計算時的基礎濕度初始條件施加依據。

4.2 軌枕瞬態濕度場分析

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的軌枕采用整體成型鋼模具預制。待軌枕脫模后采用噴淋設備進行灑水養護，保證混凝土表面濕潤時間不少于7 d。在該階段，混凝土軌枕會受到內部水化自干燥和表面自由水的浸潤作用。其中內部水化自干燥效應通過設置隨時間變化的水分自耗散函數來實現，而表面自由水的浸潤效應通過設置H=100%的恒定濕度實現。灑水養護完成后運至儲存場內進行自然養護。在該階段，混凝土軌枕會受到內部水化自干燥和表面大氣干燥作用。軌枕表面的大氣干燥效應通過設置為H=60%、水分交換系數為am=0.005 m·d-1的對流換濕邊界實現。上述軌枕養護過程的濕度場演化規律是個典型的瞬態問題，基于所述設置計算的軌枕在不同養護時刻的濕度場分布見圖8、圖9。

圖8 不同養護時刻的軌枕濕度場分布云圖

圖9 軌枕內濕度沿路徑ab的分布(路徑ab見圖8(d))

由圖8可知，軌枕在早期養護階段，內部濕度因混凝土材料自身的水化反應而整體持續下降，該自干燥效應不受外界濕度環境的影響。在養護至1，7，14，30，60 d時刻，內部中心點的濕度依次降至98.2%，95.8%，94.6%，88.8%，81.1%。在0～7 d的灑水養護階段，軌枕表面因自由水的持續浸潤作用，其濕度始終保持H=100%。在內外濕度差的驅動下，表面高濕度逐漸向內部擴散，在第7 d時其影響深度可至9 mm。當軌枕在第8 d被運至儲存場進行自然養護后，其表面濕度在干燥大氣的影響下迅速由100%下降至71.1%。養護至60 d時，軌枕表面濕度與大氣濕度基本一致，且軌枕表層受干燥大氣的影響深度可至26 mm。

4.3 道床板澆筑后的無砟軌道瞬態濕度場分析

軌枕運至現場組裝成軌排并進行精確調整定位后，現場澆筑道床板。在對道床板澆筑后的雙塊式無砟軌道早期濕度場進行預測時，首先需要解決復雜的初始和邊界條件問題。(1)初始條件：隧道基礎初始濕度條件采用4.1節基礎穩態濕度場計算結果，軌枕初始濕度條件采用4.2節軌枕瞬態濕度場分析結果，道床板澆筑完成后的初始濕度條件取H=100%。(2)界面連接：道床板澆筑后，原來彼此分離的軌枕、道床板與基礎三部件通過接觸面節點耦合的方式合并為一個整體，從而可實現道床板中的高濕度向軌枕及基礎中擴散。(3)邊界條件：道床板混凝土澆筑4 h后，采用覆蓋塑料薄膜+土工布的養護方式減少表面水分蒸發，養護時間不少于7 d。覆蓋養護期內道床板與軌枕表面因密閉而選用絕濕邊界條件，自然養護時道床板與軌枕暴露面設置為H=60%、水分交換系數為am=0.005 m·d-1的對流換濕邊界。基于上述設置，計算的道床板澆筑后28 d內的濕度場分布云圖見圖10。同時，為了獲取軌道結構內濕度場時程變化特征，取A(軌枕表面)、B(軌枕中點)、C(軌枕與道床板交界面)、D(道床板中點)、E(道床板與基礎交界面)、F(基礎下5 cm)6個計算點，結果見圖11。圖11中a階段是道床板澆筑后0～7 d的覆蓋養護階段，b階段是道床板澆筑后8～28 d的自然養護階段。

圖10 雙塊式無砟軌道早期濕度場分布云圖

圖11 不同計算點的濕度變化

由圖10可知，道床板澆筑完成后，其濕度明顯高于相鄰的軌枕和基礎。道床板內濕度在濕度差的驅動下逐漸向軌枕及基礎擴散，并在道床板與軌枕、道床板與基礎界面附近形成較高的濕度梯度。隨后，軌道結構濕度場在內部整體的水化自干燥、高濕度向相鄰的軌枕和基礎擴散及暴露面和大氣環境的水分交換等因素的持續影響下趨于平穩。由圖11中曲線A可知，軌枕表面濕度呈現先增加后減小的變化趨勢，覆蓋養護完成時最大值相對于澆筑初期增加約10%，并在隨后的自然養護階段迅速下降至60%。由曲線C、D、E可知，道床板內因水化自干燥效應引起的水分耗散主要發生在覆蓋養護階段，隨后其耗散速率趨于平緩，在第28 d時影響已比較微小。

5 露天環境的無砟軌道早期濕度場分析

上述對隧道內雙塊式無砟軌道早期濕度場分析時所提出的計算模型和方法，同樣適用于路基、橋梁段等露天環境的雙塊式無砟軌道早期濕度場分析。然而，不同于隧道內的穩定大氣濕度，露天環境的大氣濕度在一天內會產生顯著波動[21]。其最高濕度通常出現在早上6:00左右，而最低濕度出現在下午2:00左右，一整天的濕度波動可達50%，見圖12。在雨水天氣下，軌道表面因雨水的直接浸潤作用而處于H=100%的飽和濕度狀態。在對隧道外露天環境的雙塊式無砟軌道道床板澆筑完成后的早期濕度場進行分析時，考慮的影響因素包含t=0～7 d間的覆蓋養護、t=8～28 d的日周期波動大氣濕度影響、t=29～35 d的雨水浸潤作用，計算的早期濕度場結果如圖13、圖14所示。

圖12 大氣濕度日變化規律

通過對比圖11、圖13可知，在t=0～7 d的覆蓋養護階段，隧道內外軌道結構表現相同的濕度場分布特性。隨后在t=8～28 d的自然養護階段，隧道外露天環境的軌枕表面濕度(A點)因受日周期波動大氣濕度的直接接觸影響而在40%～65%的范圍內波動。圖11、圖13中其余5個計算點濕度時程分布的一致性，表明大氣濕度日波動對軌道結構內部的濕度影響比較微弱。為了進一步獲取濕度波動的影響深度，提取出第28 d 5個典型時刻濕度沿軌道表層深度的變化，見圖14。結果表明，大氣濕度的日周期波動對軌道表層濕度的影響深度為14 mm。在t=28～35 d的雨水天氣下，軌道表面濕度因雨水的直接浸潤作用而迅速提升至H=100%的飽和狀態，但短期內對內部其余5個計算點處的濕度影響比較微弱，這是由混凝土材料內部水分擴散比較緩慢所決定的。

圖13 露天環境下不同計算點的濕度變化

圖14 露天環境下軌道表層濕度沿深度變化

此外，由于混凝土材料的干縮濕脹特性，在軌道早期濕度迅速下降時會產生較大的收縮拉應力。軌枕和道床板交界面屬于新舊混凝土交界面，為整個軌道結構的薄弱環節。當收縮應力大于軌枕與道床板界面的黏結力時，極易產生始發于軌枕角的早期開裂現象，并發展成橫向貫穿裂紋，影響著高速鐵路的運行安全。

6 結論

針對雙塊式無砟軌道早期濕度場分布特性問題，提出基于溫度場模塊的混凝土濕度場計算方法，并開展密閉混凝土早期水化自干燥試驗驗證計算方法的可行性研究。隨后建立了雙塊式無砟軌道早期濕度場計算模型，設計的穩態-瞬態-瞬態三步計算流程實現了施工順序對早期濕度場的影響。考慮大氣干燥、水化自干燥、養護方法等因素的影響，對隧道內雙塊式無砟軌道早期濕度場分布特性進行分析。最終將該計算模型推廣應用于隧道外露天環境的雙塊式無砟軌道早期濕度場分析。本文研究所得到的主要結論如下。

(1)隧道基礎濕度場在頂部大氣干燥和底部自由水浸潤下達到平衡后，濕度沿深度呈指數分布規律。

(2)脫模后的軌枕經灑水養護至第7 d時，表面自由水的影響深度可至9 mm；而后自然養護至第60 d時，表層受干燥大氣的影響深度可至26 mm，此時濕度峰值降至81.1%。

(3)道床板澆筑完成后，會在道床板與軌枕、道床板與基礎界面處形成較高的濕度梯度。而后整個軌道結構濕度場在內部水化自干燥、濕度擴散及表面大氣干燥等因素的持續影響下趨于平穩。

(4)隧道外露天環境的大氣濕度日周期波動對雙塊式無砟軌道早期表層濕度的影響深度為14 mm。