摘要：本文针对典型轨枕松动后雨水浸入导致裂纹加剧的问题，基于高速列车荷载作用及雨水浸入条件下，建立了轨枕-水流固耦合动力学计算模型。为验证计算模型的正确性，浇筑带裂纹的模型试件，采用万能伺服液压机施加循环动荷载、高灵敏度传感器测量裂纹内水压力，开展了轨枕松动吊空的裂纹内动水压力试验。建立与试验条件一致的理论计算模型，试验数据与理论计算结果之间有误差存在，但是实验曲线与理论结果的变化趋势一致，计算模型具是有效的。以列车速度为300 km/h时为计算实例，分析裂纹内计算点水压力变化特性。计算结果表明：（1）轨枕裂纹内压力随着循环荷载的变化呈正负交替变化；（2）当轨枕上没有外荷载作用时，仍然出现了两次水压力的峰值；（3）轨枕周边裂纹水压力，随着裂纹深度方向增加，裂纹水压力增大。（4）轨枕底部裂纹水压力在轨枕的中心位置达到最大值。
关键词：无砟轨道；轨枕裂纹；水压力；循环荷载
中图分类号：U238文献标识码： A无砟轨道结构是一个竖向多层、纵向异性的带状系统，它具有材料属性差别大、结构层次多、空间跨度广、服役环境复杂等特征。无砟轨道作为引导并支承高速列车运行的基础结构，一直暴露于复杂的自然环境中，常年承受列车疲劳荷载、温度变化、雨水侵蚀等作用，受自身材料特性、结构特性和外部环境影响因素，其整体性能处于不断劣化的过程中[1-5]。双块式无砟轨道结构主要应用在遂渝线综合试验段、武广客专、郑西客专等线路中[6]，通过现场调研发现各型无砟轨道出现了不同程度的伤损，降雨量丰富的地区或排水不畅的路段，无砟轨道伤损速率比干燥地段要快得多。双块式无砟轨道在武广、郑西、遂渝等线路均发现预制轨枕与现浇道床板间出现裂纹的现象（如图1图2所示），下雨后，经列车荷载的作用，在裂纹处有白浆冒出，进一步加剧了轨枕松动，导致轨枕下部支撑失效，形成轨枕松动和空吊[7-8]。
1.1计算模型及方法
本文主要对路基上连续式道床板与轨枕之间裂纹内水压力展开研究。双块式无砟轨道的轨枕是预先制作好的钢筋混凝土块，连续式道床板混凝土为现场浇注，现浇道床板混凝土与双块式轨枕之间的粘结面成为这种轨道形式的薄弱环节之一。在高频列车荷载与水共同作用下，无砟轨道结构长期受温度、高频动载、环境条件影响，其受力状态非常复杂。
在建立模型中，对轨道结构进行了相应的简化，简化要点如下所述：（1）实际无砟轨道结构裂纹形状是不规则的，本文假定裂纹为规则的形状，裂纹形状如图3所示。（2）本文模型基底视为刚性、固定界面。（3）本模型从宏观上考虑水压力影响，不考虑孔隙水压力对混凝土的影响。（4）考虑高频列车荷载的幅值、頻率特点，分析动荷载作用下无砟轨道裂纹水压力特性。贵州大学学报（自然科学版）第34卷第6期徐桂弘 等：双块式无砟轨道轨枕裂纹内动水压力特性研究
2计算参数选取
由于模型主要分析轨枕与道床板交界面的水伤损情况，主要考虑轨枕、道床板及以上结构在列车荷载作用下双块式无砟轨道轨枕吊空伤损情况下水的动力性能，故本模型仅仅建到道床板，道床板底部采用全约束。轨枕、道床板，计算流体域的相关参数见表1。计算时假设水填满吊空和裂纹的区域，即吊空区域处于饱水状态。表1计算模型几何参数
部件项目详细信息轨枕长度/m0.911宽度/m0.47厚度/m0.14弹性模量/MPa30000泊松比0.18道床板宽度/m2.8厚度/m0.26弹性模量/MPa30000泊松比0.18荷载动车类型CRH2列车速度/km﹒h-1300轮重/KN105流体域密度/（kg﹒m-3）998.2动力粘滞系数/（mPa﹒s）1.002压缩模量0水温度/℃25耦合时间/s1
2模型验证
2.1试验概况
本次试验在西南交通大学道路与铁道工程试验室万能伺服液压循环试验机上进行。主要由四部分组成：试验装置、循环加载控制系统、计算机控制和采集系统、水压力传感器及数据采集系统，试验装置如图4所示。
为节约材料、方便搬运和操作，采用简化局部模型试验如图5所示（绿色区域为水）。
试验的操作步骤如下：（1）安置玻璃槽，把试件放置在水槽中，注水，水位超过裂纹高度为宜。（2）安置传感器。传感器一侧接导管，按照预先测点的位置截取相应长度的导管，放置在裂纹内。一侧通过数据线、USB接口连接电脑。（3）测点布置如图6所示。（4）施加循环荷载。（5）采集数据：打开SmartSensor软件，设置参数，当循环荷载施加后，开始数据采集。
2试验数据与理论结果对比分析
依据简化的计算模型，当加载均值为65 kN，幅值为40 kN，加载频为10 Hz，计算点水压力随时间的变化如图8所示。当轨枕吊空的长度为0.4 m、裂纹的宽度为3 mm、加载频率为10 Hz时，在1秒内，当循环荷载作用于轨道板上时，轨道板受到冲击，轨枕裂纹内部的水产生水压力，并随着荷载的变化而正负交替变化。轨枕底部吊空区域水流具有一定的压力和流速，并且随着荷载达到最大值后达到峰值，而当荷载逐渐减小，松动轨枕向上反弹，恢复到的受力最小的状态，轨枕底水流在这一过程中出现负压力，水流会被吸回轨枕吊空区，并逐渐达到负向的最大值。
图8水压力试验结果与计算结果对比结合试验模型，建立与试验条件一致的理论计算模型，模型尺寸和材料参数按实际取值，计算模型中加载方式与试验加载方式一致。计算点在不同荷载下水压力的理论计算值与试验测试值对比如图7所示。试验数据与计算结果存在误差，但是曲线的变化趋势一致，因此理论计算模型具有一定的有效性，可以继续用于无砟轨道结构裂纹内水压力特性分析。
3计算结果
为得到裂纹水压力沿宽度或深度方向水压力的变化特性，及裂纹内某一点的水压力随各个计算参数的变化状况，在裂纹内部设置了计算点，计算点布置及裂纹水体区域如图8所示。
图10第5点水压力随时间变化曲线经过对理论计算方法的合理性进行了初步验证，利用“列车荷载-水耦合作用下轨枕裂纹内水压力计算模型”，通过模拟计算得到裂纹开口量3 mm、深度0.4 m时，列车速度为300 km/h时，计算点5、15水压力随时间的变化如图9、10所示。为明确轨枕底部裂纹水压力的变化情况，计算点1-8的最大水压力如图11所示。
由图11、12可知，当循环荷载作用于试件上时，轨道板受到冲击，裂纹内部产生水压力：（1）随着循环荷载的变化，裂纹内压力随之变化，当荷载值达到最大时，裂纹内部水压力达到峰值，荷载值最小时，裂纹内部水压力达到最大负压值。（2）无砟轨道结构上没有外荷载作用时（如：0.4s～0.5s
图12计算点1-8水压力变化曲线时刻），仍然出现了两次水压力的峰值。出现这种现象是由于水具有流动特性和波动性引起的。图11可知，掉空的轨枕在列车荷载作用下，其最大的水压力发生在轨枕的底部中间部位，越是靠近周边，水压力逐渐减小。与道床板水平位置点的水压力最小。
轨枕周边（计算点16-19，计算点9-12）水压力及轨枕横向（计算点4，13，14，15）水压力变化如图12、13所示。
由图12-13可知，轨枕周边裂纹水压力的变化随着Y值得增大，水压力减小，二者呈线性关系。在轨枕的底部横向水压力随着Z值得增加，裂纹水压力减小。
4结论
关于无砟轨道水损害是一个非常复杂的问题，涉及到流固耦合、断裂力学、材料微观力学、疲劳力学、流体试验测量等方面的知识，目前相关问题国内外研究很少，可以借鉴的资料不多。
图14计算点4、13、14、15水压力变化特性本文针对列车循环荷载作用下无砟轨道轨枕吊空、雨水浸入问题，开展理论与试验研究，应用万能伺服液压机循环加载模拟列车循环荷载，采用高精度数字压力传感器测量裂纹内部水压力，制作帶裂纹的混凝土轨枕，分析了循环荷载作用下，裂纹内水压力的变化特性。简化了实际问题，利用ANSYS CFX仿真软件建立了与试验条件一致的“轨枕-水流固耦合”计算模型，完成理论计算。结果表明：随着列车荷载的变化，裂纹内压力随之变化，当荷载值达到最大时，裂纹内部水压力达到峰值，荷载值最小时，裂纹内部水压力达到最大负压值。轨枕底部裂纹水压力在轨枕的中心位置达到最大值，逐渐向周边减小。
该分析结果为进一步研究无砟轨道轨枕伤损提供了理论依据。
由于浇筑一个试件，本文中试验主要从荷载大小的方面进行了验证，没有从轨枕底的脱空尺寸方面进行研究，后续试验工作可以研究脱空长度，脱空高度，轨枕周边裂缝宽度等方面进行深入试验研究。
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（责任编辑：王先桃）