謝露，劉學(xué)毅，曹世豪，楊榮山

(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)

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雙塊式無砟軌道枕邊裂紋水力特性研究

謝露，劉學(xué)毅，曹世豪，楊榮山

(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)

摘要:針對雙塊式無砟軌道枕邊裂紋，采用ANSYS計算軟件，建立流固耦合三維模型，在列車荷載和水耦合作用下，對雙塊式無砟軌道枕邊裂紋內(nèi)部動水壓力和水流速度的分布和變化規(guī)律進(jìn)行模擬計算，為雙塊式無砟軌道枕邊裂紋的防治和維修提供理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：裂紋內(nèi)水壓力最大值發(fā)生在裂紋中部尖端處，而最大水流速度發(fā)生在裂紋中部出口處；最大水壓力和最大水流速度隨著荷載幅值和頻率的增加而增加，且荷載頻率對水壓力和水流速度的影響較大；隨著裂紋開口量的增加，最大水壓力和最大水流速度反而減小，但裂紋深度越深，最大水壓力越大，且最大水流速度隨著裂紋深度的增加最后成線性增加趨勢。因此，裂紋深度是影響枕邊裂紋水壓力和水流速度的一個關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：雙塊式無砟軌道；枕邊裂紋；流固耦合；最大水壓力；最大水流速度

雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)從上至下由鋼軌、WJ-8扣件、預(yù)制雙塊式軌枕、現(xiàn)澆道床板和水硬性支承層(橋上為鋼筋混凝土底座板)等部件組成，它以其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、成本較低等優(yōu)點在我國武廣、鄭西、蘭新和大西等高速鐵路上得到大量使用。由于無砟軌道屬于一種暴露在大自然中的混凝土結(jié)構(gòu)，它在承受列車動荷載的同時還要受到雨水侵蝕、溫度變化的影響，所以也會產(chǎn)生一些病害，其中較常見的一種是預(yù)制雙塊式軌枕與現(xiàn)場澆筑的道床板混凝土存在新舊黏結(jié)和強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的枕邊裂紋[1-2]。從鐵路工務(wù)部門的一些反映來看，降雨較多地區(qū)的雙塊式軌道枕邊裂紋傷損比降雨較少地區(qū)的嚴(yán)重，這說明水對枕邊裂紋的發(fā)展有一定的作用。當(dāng)裂紋深度發(fā)展至軌枕底部時，會嚴(yán)重降低軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，甚至影響行車的平順性和安全性。

對于無砟軌道的水損研究，德國由于在施工過程中嚴(yán)控施工質(zhì)量，再加上優(yōu)良的排水設(shè)計和及時維修，未對無砟軌道水損問題進(jìn)行深入研究。我國在公路方面的水損研究較多[3-5]，但高速鐵路由于發(fā)展起步晚，設(shè)計、施工和運(yùn)營時間短，另外有著列車軸重大，速度快和運(yùn)輸密度大等特點，所以無砟軌道裂紋傷損普遍存在，目前對無砟軌道裂紋水壓力的產(chǎn)生和作用機(jī)理只有一些初步研究[6-7]。因此，研究列車荷載和水共同作用下枕邊裂紋動水壓力的分布和變化規(guī)律，可為雙塊式無砟軌道枕邊裂紋的防治和維修提供一些理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

1動水壓力產(chǎn)生的機(jī)理及計算模型和參數(shù)

含水枕邊裂紋在列車荷載作用下的問題屬于一個流固耦合問題，它是研究固體變形在流場作用下的各種行為和固體形變對流場的影響以及這二者之間的相互作用。固體在流體荷載作用下會形成變形或運(yùn)動，變形或運(yùn)動反過來又影響流動，從而改變流場內(nèi)荷載的分布和大小，正是這類相互作用產(chǎn)生了在不同條件下的流固耦合現(xiàn)象。枕邊裂紋動水壓力的產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。當(dāng)軌枕加載時(圖1(a))，整個軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲變形，且軌枕受到荷載作用也會發(fā)生微小橫向變形，這都使得與水接觸的軌枕和道床板界面之間相互靠攏，從而對裂紋中的水產(chǎn)生擠壓作用，產(chǎn)生正壓，迫使裂紋中的水排出；當(dāng)卸載時(圖1(b))，軌枕和道床板界面之間相互遠(yuǎn)離，產(chǎn)生負(fù)壓，水又流回裂紋中。

(a)加載；(b)卸載圖1　動水壓力產(chǎn)生機(jī)理圖Fig.1 Generation mechanism of the dynamic hydraulic pressure

本文以路基上雙塊式無砟軌道為基礎(chǔ)，針對枕邊含水裂紋，把固體域與流體域作為一個整體模型，流固耦合計算模型如圖2～3所示，模型中包括雙塊式軌枕、道床板、支承層和含水枕邊裂紋，計算時軌枕上施加相應(yīng)的荷載。為了簡化模型，模型中只建立了一對軌枕，置于模型中間位置，計算點只在一邊的軌枕邊布設(shè)。

單位：mm圖2　流固耦合計算模型及計算點布設(shè)Fig.2 Calculation model of fluid-solid coupling and the calculation points’ layout

圖3　計算點布設(shè)細(xì)部圖Fig.3 Detail chart of the calculation points’ layout

模型中各部件尺寸如下：預(yù)制軌枕塊為800 mm×250 mm×150 mm，現(xiàn)澆道床板的橫截面為2 800 mm×260 mm，混凝土支承層橫截面為3 800 mm×300 mm，軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表1所示[8-11]；裂紋尺寸：長800 mm，開口量0.5 mm，深70 mm。

表1　軌道結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

由于流固耦合計算對計算機(jī)的要求較高，所以選擇一個合理的模型長度既能滿足計算精度要求也能減少計算時間。通過不同模型長度的最大水壓力誤差分析(如圖4所示)，當(dāng)模型長度取為6.5 m時，水壓力峰值的誤差只有1.87%(<5%)，滿足要求，最終模型長度取為6.5 m。

圖4　模型長度對水壓力的影響Fig.4 Effect of the model length on hydraulic pressure

對于模型的邊界條件，分為固體邊界條件和流體邊界條件。固體邊界條件:道床板和支承層的端部采用固定約束，支承層底面采用彈性約束，與流體接觸的面為流固耦合面；流體邊界條件：假設(shè)水充滿整個裂紋，與固體接觸的面為耦合面，與道床板平齊的流體表面為開放式邊界，水可進(jìn)可出。模型荷載采用CRH2動車組在不同時速下的最大軌枕力，取為最大輪軌力的0.7倍[12]。列車固定軸距為2.5 m，荷載形式采用正弦(或余弦)函數(shù)，荷載步為每個周期(列車固定軸距/列車速度)10步，采用4個周期。根據(jù)以上的計算模型和參數(shù)，采用ANSYS WORKBENCH軟件對高速列車荷載作用下含水枕邊裂紋的受力情況進(jìn)行模擬求解。

2結(jié)果分析

為詳細(xì)了解裂紋內(nèi)部水壓力和水流速度的變化及分布規(guī)律，在模型中設(shè)置了相應(yīng)的計算點，如圖2和3所示，每列5個計算點，編號從上到下依次增大。動荷載幅值取為100 kN。由于計算點的位置在裂紋長度方向具有對稱性，并且經(jīng)過數(shù)據(jù)分析每列計算點的響應(yīng)趨勢相似，因此只取了中間一列計算點數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，響應(yīng)結(jié)果如圖5～6所示。

從圖5～6可知，在一列計算點中，不同位置處的計算點動水壓力和水流速度變化趨勢相同，呈現(xiàn)周期性變化，且水壓力和水流速度都產(chǎn)生了正值與負(fù)值，正壓代表水與混凝土之間存在擠壓作用，水流速度正值表示水排出裂紋。為了研究裂紋內(nèi)部水壓力和流速的分布規(guī)律，提取出了各計算點的最大水壓力值和最大水流速度值，如表2所示。

圖5　計算點水壓力響應(yīng)圖Fig.5 Hydraulic pressure response of the calculation points

圖6　計算點水流速度響應(yīng)圖Fig.6 Water velocity response of the calculation points

表2各計算點的最大水壓力值和最大水流速度值

Table 2 Value of the maximum hydraulic pressure and the maximum water velocity of each calculation point

測點12345壓強(qiáng)/Pa1.6229.7451614.3663.2流速/(m·s-1)0.06280.05430.04630.030.0248測點678910壓強(qiáng)/Pa35.8594.5110414591577流速/(m·s-1)0.15350.11850.10220.07070.0423測點1112131415壓強(qiáng)/Pa37.1665.9127217701977流速/(m·s-1)0.18110.14720.11330.08610.0677測點1617181920壓強(qiáng)/Pa36.2588.6113515851776流速/(m·s-1)0.14870.11840.10630.07460.0471測點2122232425壓強(qiáng)/Pa1.4233.6476.8692809.2流速/(m·s-1)0.07610.06540.05700.04570.0313

計算點所在面的最大水壓力和最大水流速度分布如圖7～10所示。

圖7　最大水壓力的橫向分布Fig.7 Transverse distribution of the maximum hydraulic pressure

圖8　最大水流速度的橫向分布Fig.8 Transverse distribution of the maximum water velocity

圖9　最大水壓力的垂向分布Fig.9 Vertical distribution of the maximum hydraulic pressure

圖10　最大水流速度的垂向分布Fig.10 Vertical distribution of the maximum water velocity

從圖7～10可以看出，各計算點的最大水壓力和最大水流速度在橫向上的分布規(guī)律：每層計算點的最大水壓力和最大水流速度均發(fā)生在裂紋中部部位。最大水壓力和最大水流速度在垂向上的分布規(guī)律：每列計算點最大水壓力沿道床板厚度方向不斷增加，并且在裂紋尖端處達(dá)到最大，這相當(dāng)于水壓力對混凝土有一個劈裂作用，而最大水流速度沿道床板厚度方向基本成線性遞減，最大流速發(fā)生在裂紋出口處，且從圖5～6可以看出，當(dāng)水壓力產(chǎn)生正壓時，水向外排出，產(chǎn)生負(fù)壓，水流回裂紋，這與動水壓力的產(chǎn)生機(jī)理相符。另外，流速則反應(yīng)了對流固耦合接觸面的一種沖刷作用，流速越大，沖刷越厲害。因此，可以看出：最大水壓力發(fā)生在裂紋中部尖端處，最大水流速度發(fā)生在裂紋中部出口處。

2.1不同荷載大小、頻率對水壓力和水流速度的影響

實際情況下，軌道結(jié)構(gòu)所受的列車速度不同，不同的列車速度也對應(yīng)了不同的荷載大小和頻率(如表3所示)[12]，它們對裂紋中水壓力和水流速度的影響不同。為了便于數(shù)據(jù)分析，軌枕力以10 kN取整。

表3　不同時速下的荷載幅值和頻率

為了研究荷載大小和頻率分別對含水枕邊裂紋水壓力和水流速度的影響程度，本文選擇了裂紋尖端15計算點的最大水壓力和裂紋開口處11計算點的最大水流速度為研究對象來研究最大水壓力和最大水流速度的變化情況。圖11～14分別表示不同荷載大小和頻率下，最大水壓力和最大水流速度的變化情況。

圖11　最大水壓力隨荷載幅值的變化Fig.11 Variation of the maximum hydraulic pressure with the load amplitude

圖12　最大水流速度隨荷載幅值的變化Fig.12 Variation of the maximum water velocity with the load amplitude

圖13　最大水壓力隨荷載頻率的變化Fig.13 Variation of the maximum hydraulic pressure with the load frequency

圖14　最大水流速度隨荷載頻率的變化Fig.14 Variation of the maximum water velocity with the load frequency

通過圖11～14可以看出，在裂紋尺寸和荷載頻率不變的情況下，最大水壓力和最大水流速度都隨著荷載幅值的增加基本成線性增加趨勢；當(dāng)裂紋尺寸和荷載大小不變時，荷載頻率越大，最大水壓力越大，最大水流速度則與荷載頻率成線性增加關(guān)系，且水壓力和水流速度變化幅度較大。通過不同荷載大小和頻率分別對水壓力和水流速度的影響研究，可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋尺寸一定的情況下，荷載頻率是影響枕邊裂紋水壓力和水流速度的一個重要因素。

2.2不同裂紋開口量、深度對水壓力和水流速度的影響

雙塊式無砟軌道出現(xiàn)枕邊裂紋時，其裂紋開口量和深度往往是不同的。本文針對不同裂紋開口量和深度，分別研究了它們對水壓力和水流速度的影響，2種情況下，荷載大小和頻率都一樣(取350 km/h時的荷載情況)。本文裂紋開口量變化為：0.5，0.7，0.9，1.1，1.3和1.5 mm，研究裂紋開口量對水壓力的影響時，裂紋深度取為70 mm；研究裂紋深度對水壓力的影響時，裂紋開口量取為0.5 mm，裂紋深度變化為：30，50，70，90，110，130和150 mm。圖15～18分別為不同裂紋開口量和深度情況下，最大水壓力和最大水流速度的變化規(guī)律。

圖15　最大水壓力隨裂紋開口量的變化Fig.15 Variation of the maximum hydraulic pressure with the crack opening

圖16　最大水流速度隨裂紋開口量的變化Fig.16 Variation of the maximum water velocity with the crack opening

圖17　最大水壓力隨裂紋深度的變化Fig.17 Variation of the maximum hydraulic pressure with the crack depth

圖18　最大水流速度隨裂紋深度的變化Fig.18 Variation of the maximum water velocity with the crack depth

從圖15～18可知，當(dāng)裂紋深度一定時，最大水壓力和最大水流速度都隨著裂紋開口量的增加反而減小，類似反比例函數(shù)形式；而當(dāng)裂紋開口量一定時，最大水壓力和最大水流速度隨著裂紋深度的增加而增加，最大水壓力和最大水流速度開始增加的幅度較小，深度越深，水壓力增加越快，且水流速度隨著裂紋深度的增加最后成線性增加趨勢。當(dāng)裂紋深度達(dá)到軌枕底端時，最大水壓力值為23.047 kPa，此時最大水流速度也達(dá)到了0.720 7 m/s，這種情況下，水壓力不僅對混凝土的劈裂作用較大，而且流速對混凝土壁面的沖刷作用也較大，如果長時間作用會對混凝土耐久性產(chǎn)生一些影響，從而降低行車平穩(wěn)性和安全性。可見，在列車荷載一定的情況下，裂紋深度是影響枕邊裂紋水壓力和水流速度的一個關(guān)鍵因素。

3結(jié)論

1)通過對枕邊裂紋內(nèi)部水壓力和水流速度的分布情況和變化規(guī)律進(jìn)行研究，可以看出，裂紋內(nèi)最大水壓力發(fā)生在裂紋中部尖端處，而最大水流速度發(fā)生在裂紋中部出口處。

2)在裂紋尺寸一定的情況下，荷載幅值對水壓力和水流速度的影響基本為線性關(guān)系；荷載頻率和最大水壓力、最大水流速度的關(guān)系是：頻率越高，最大水壓力越大，最大水流速度則與荷載頻率成線性增加趨勢，且水壓力和水流速度變化幅度較大。

3)在荷載一定的情況下，裂紋開口量越大，最大水壓力和最大水流速度反而越?。蛔畲笏畨毫妥畲笏魉俣入S著裂紋深度的增加而增加，裂紋越深，水壓力增加越大，且水流速度隨裂紋深度的增加最后成線性增加趨勢。因此，裂紋深度是影響枕邊裂紋水壓力和水流速度的一個關(guān)鍵因素。

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(編輯蔣學(xué)東)

Study on hydraulic characteristics of crack beside double block sleepers ofdouble block ballastless track

XIE Lu, LIU Xueyi, CAO Shihao, YANG Rongshan

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

Abstract:In view of the crack beside the double block sleepers of double block ballastless track, the three-dimensional model of fluid-solid coupling was established by virtue of the ANSYS software. Then the dynamic hydraulic pressure and the water velocity inside the crack beside the double block sleepers were simulated and calculated under the coupling action of train load and water, which can provide some theoretical basis for the prevention and maintenance of the crack. The results show that: The maximum hydraulic pressure inside the crack occurs at the crack tip which is in the central part of crack, but the maximum water velocity inside the crack occurs at the crack exit which is in the central part of crack; the maximum hydraulic pressure and the maximum water velocity increase with the increase of load amplitude and load frequency respectively, and the load frequency has a larger effect on them; the maximum hydraulic pressure and the maximum water velocity decrease with the increase of the crack opening, but the deeper the crack depth is, the bigger the hydraulic pressure is, and the maximum water velocity increases linearly with the increase of the crack depth in the latter stage. Therefore, the crack depth is a fatal factor on the hydraulic pressure and water velocity.

Key words:double block ballastless track; crack beside the double block sleepers; fluid-solid coupling; the maximum hydraulic pressure; the maximum water velocity

中圖分類號：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0219-07

通訊作者：劉學(xué)毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)和輪軌系統(tǒng)動力學(xué)；E-mail: xyliu@home.swjtu.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點資助項目(U1434208)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51278431)

收稿日期：2015-06-05