双块式无砟轨道枕边裂纹水力特性研究

谢露，刘学毅，曹世豪，杨荣山

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)



双块式无砟轨道枕边裂纹水力特性研究

谢露，刘学毅，曹世豪，杨荣山

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:针对双块式无砟轨道枕边裂纹，采用ANSYS计算软件，建立流固耦合三维模型，在列车荷载和水耦合作用下，对双块式无砟轨道枕边裂纹内部动水压力和水流速度的分布和变化规律进行模拟计算，为双块式无砟轨道枕边裂纹的防治和维修提供理论基础。研究结果表明：裂纹内水压力最大值发生在裂纹中部尖端处，而最大水流速度发生在裂纹中部出口处；最大水压力和最大水流速度随着荷载幅值和频率的增加而增加，且荷载频率对水压力和水流速度的影响较大；随着裂纹开口量的增加，最大水压力和最大水流速度反而减小，但裂纹深度越深，最大水压力越大，且最大水流速度随着裂纹深度的增加最后成线性增加趋势。因此，裂纹深度是影响枕边裂纹水压力和水流速度的一个关键因素。

关键词：双块式无砟轨道；枕边裂纹；流固耦合；最大水压力；最大水流速度

双块式无砟轨道结构从上至下由钢轨、WJ-8扣件、预制双块式轨枕、现浇道床板和水硬性支承层(桥上为钢筋混凝土底座板)等部件组成，它以其结构简单、施工方便、成本较低等优点在我国武广、郑西、兰新和大西等高速铁路上得到大量使用。由于无砟轨道属于一种暴露在大自然中的混凝土结构，它在承受列车动荷载的同时还要受到雨水侵蚀、温度变化的影响，所以也会产生一些病害，其中较常见的一种是预制双块式轨枕与现场浇筑的道床板混凝土存在新旧黏结和强度不同而产生的枕边裂纹[1-2]。从铁路工务部门的一些反映来看，降雨较多地区的双块式轨道枕边裂纹伤损比降雨较少地区的严重，这说明水对枕边裂纹的发展有一定的作用。当裂纹深度发展至轨枕底部时，会严重降低轨道结构的整体性和耐久性，甚至影响行车的平顺性和安全性。

对于无砟轨道的水损研究，德国由于在施工过程中严控施工质量，再加上优良的排水设计和及时维修，未对无砟轨道水损问题进行深入研究。我国在公路方面的水损研究较多[3-5]，但高速铁路由于发展起步晚，设计、施工和运营时间短，另外有着列车轴重大，速度快和运输密度大等特点，所以无砟轨道裂纹伤损普遍存在，目前对无砟轨道裂纹水压力的产生和作用机理只有一些初步研究[6-7]。因此，研究列车荷载和水共同作用下枕边裂纹动水压力的分布和变化规律，可为双块式无砟轨道枕边裂纹的防治和维修提供一些理论基础与依据。

1动水压力产生的机理及计算模型和参数

含水枕边裂纹在列车荷载作用下的问题属于一个流固耦合问题，它是研究固体变形在流场作用下的各种行为和固体形变对流场的影响以及这二者之间的相互作用。固体在流体荷载作用下会形成变形或运动，变形或运动反过来又影响流动，从而改变流场内荷载的分布和大小，正是这类相互作用产生了在不同条件下的流固耦合现象。枕边裂纹动水压力的产生机理如图1所示。当轨枕加载时(图1(a))，整个轨道结构发生挠曲变形，且轨枕受到荷载作用也会发生微小横向变形，这都使得与水接触的轨枕和道床板界面之间相互靠拢，从而对裂纹中的水产生挤压作用，产生正压，迫使裂纹中的水排出；当卸载时(图1(b))，轨枕和道床板界面之间相互远离，产生负压，水又流回裂纹中。

(a)加载；(b)卸载图1　动水压力产生机理图Fig.1 Generation mechanism of the dynamic hydraulic pressure

本文以路基上双块式无砟轨道为基础，针对枕边含水裂纹，把固体域与流体域作为一个整体模型，流固耦合计算模型如图2～3所示，模型中包括双块式轨枕、道床板、支承层和含水枕边裂纹，计算时轨枕上施加相应的荷载。为了简化模型，模型中只建立了一对轨枕，置于模型中间位置，计算点只在一边的轨枕边布设。

单位：mm图2　流固耦合计算模型及计算点布设Fig.2 Calculation model of fluid-solid coupling and the calculation points’ layout

图3　计算点布设细部图Fig.3 Detail chart of the calculation points’ layout

模型中各部件尺寸如下：预制轨枕块为800 mm×250 mm×150 mm，现浇道床板的横截面为2 800 mm×260 mm，混凝土支承层横截面为3 800 mm×300 mm，轨道结构的相关参数如表1所示[8-11]；裂纹尺寸：长800 mm，开口量0.5 mm，深70 mm。

表1　轨道结构计算参数

由于流固耦合计算对计算机的要求较高，所以选择一个合理的模型长度既能满足计算精度要求也能减少计算时间。通过不同模型长度的最大水压力误差分析(如图4所示)，当模型长度取为6.5 m时，水压力峰值的误差只有1.87%(<5%)，满足要求，最终模型长度取为6.5 m。

图4　模型长度对水压力的影响Fig.4 Effect of the model length on hydraulic pressure

对于模型的边界条件，分为固体边界条件和流体边界条件。固体边界条件:道床板和支承层的端部采用固定约束，支承层底面采用弹性约束，与流体接触的面为流固耦合面；流体边界条件：假设水充满整个裂纹，与固体接触的面为耦合面，与道床板平齐的流体表面为开放式边界，水可进可出。模型荷载采用CRH2动车组在不同时速下的最大轨枕力，取为最大轮轨力的0.7倍[12]。列车固定轴距为2.5 m，荷载形式采用正弦(或余弦)函数，荷载步为每个周期(列车固定轴距/列车速度)10步，采用4个周期。根据以上的计算模型和参数，采用ANSYS WORKBENCH软件对高速列车荷载作用下含水枕边裂纹的受力情况进行模拟求解。

2结果分析

为详细了解裂纹内部水压力和水流速度的变化及分布规律，在模型中设置了相应的计算点，如图2和3所示，每列5个计算点，编号从上到下依次增大。动荷载幅值取为100 kN。由于计算点的位置在裂纹长度方向具有对称性，并且经过数据分析每列计算点的响应趋势相似，因此只取了中间一列计算点数据进行呈现，响应结果如图5～6所示。

从图5～6可知，在一列计算点中，不同位置处的计算点动水压力和水流速度变化趋势相同，呈现周期性变化，且水压力和水流速度都产生了正值与负值，正压代表水与混凝土之间存在挤压作用，水流速度正值表示水排出裂纹。为了研究裂纹内部水压力和流速的分布规律，提取出了各计算点的最大水压力值和最大水流速度值，如表2所示。

图5　计算点水压力响应图Fig.5 Hydraulic pressure response of the calculation points

图6　计算点水流速度响应图Fig.6 Water velocity response of the calculation points

表2各计算点的最大水压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

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

计算点所在面的最大水压力和最大水流速度分布如图7～10所示。

图7　最大水压力的横向分布Fig.7 Transverse distribution of the maximum hydraulic pressure

图8　最大水流速度的横向分布Fig.8 Transverse distribution of the maximum water velocity

图9　最大水压力的垂向分布Fig.9 Vertical distribution of the maximum hydraulic pressure

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

从图7～10可以看出，各计算点的最大水压力和最大水流速度在横向上的分布规律：每层计算点的最大水压力和最大水流速度均发生在裂纹中部部位。最大水压力和最大水流速度在垂向上的分布规律：每列计算点最大水压力沿道床板厚度方向不断增加，并且在裂纹尖端处达到最大，这相当于水压力对混凝土有一个劈裂作用，而最大水流速度沿道床板厚度方向基本成线性递减，最大流速发生在裂纹出口处，且从图5～6可以看出，当水压力产生正压时，水向外排出，产生负压，水流回裂纹，这与动水压力的产生机理相符。另外，流速则反应了对流固耦合接触面的一种冲刷作用，流速越大，冲刷越厉害。因此，可以看出：最大水压力发生在裂纹中部尖端处，最大水流速度发生在裂纹中部出口处。

2.1不同荷载大小、频率对水压力和水流速度的影响

实际情况下，轨道结构所受的列车速度不同，不同的列车速度也对应了不同的荷载大小和频率(如表3所示)[12]，它们对裂纹中水压力和水流速度的影响不同。为了便于数据分析，轨枕力以10 kN取整。

表3　不同时速下的荷载幅值和频率

为了研究荷载大小和频率分别对含水枕边裂纹水压力和水流速度的影响程度，本文选择了裂纹尖端15计算点的最大水压力和裂纹开口处11计算点的最大水流速度为研究对象来研究最大水压力和最大水流速度的变化情况。图11～14分别表示不同荷载大小和频率下，最大水压力和最大水流速度的变化情况。

图11　最大水压力随荷载幅值的变化Fig.11 Variation of the maximum hydraulic pressure with the load amplitude

图12　最大水流速度随荷载幅值的变化Fig.12 Variation of the maximum water velocity with the load amplitude

图13　最大水压力随荷载频率的变化Fig.13 Variation of the maximum hydraulic pressure with the load frequency

图14　最大水流速度随荷载频率的变化Fig.14 Variation of the maximum water velocity with the load frequency

通过图11～14可以看出，在裂纹尺寸和荷载频率不变的情况下，最大水压力和最大水流速度都随着荷载幅值的增加基本成线性增加趋势；当裂纹尺寸和荷载大小不变时，荷载频率越大，最大水压力越大，最大水流速度则与荷载频率成线性增加关系，且水压力和水流速度变化幅度较大。通过不同荷载大小和频率分别对水压力和水流速度的影响研究，可以发现，在裂纹尺寸一定的情况下，荷载频率是影响枕边裂纹水压力和水流速度的一个重要因素。

2.2不同裂纹开口量、深度对水压力和水流速度的影响

双块式无砟轨道出现枕边裂纹时，其裂纹开口量和深度往往是不同的。本文针对不同裂纹开口量和深度，分别研究了它们对水压力和水流速度的影响，2种情况下，荷载大小和频率都一样(取350 km/h时的荷载情况)。本文裂纹开口量变化为：0.5，0.7，0.9，1.1，1.3和1.5 mm，研究裂纹开口量对水压力的影响时，裂纹深度取为70 mm；研究裂纹深度对水压力的影响时，裂纹开口量取为0.5 mm，裂纹深度变化为：30，50，70，90，110，130和150 mm。图15～18分别为不同裂纹开口量和深度情况下，最大水压力和最大水流速度的变化规律。

图15　最大水压力随裂纹开口量的变化Fig.15 Variation of the maximum hydraulic pressure with the crack opening

图16　最大水流速度随裂纹开口量的变化Fig.16 Variation of the maximum water velocity with the crack opening

图17　最大水压力随裂纹深度的变化Fig.17 Variation of the maximum hydraulic pressure with the crack depth

图18　最大水流速度随裂纹深度的变化Fig.18 Variation of the maximum water velocity with the crack depth

从图15～18可知，当裂纹深度一定时，最大水压力和最大水流速度都随着裂纹开口量的增加反而减小，类似反比例函数形式；而当裂纹开口量一定时，最大水压力和最大水流速度随着裂纹深度的增加而增加，最大水压力和最大水流速度开始增加的幅度较小，深度越深，水压力增加越快，且水流速度随着裂纹深度的增加最后成线性增加趋势。当裂纹深度达到轨枕底端时，最大水压力值为23.047 kPa，此时最大水流速度也达到了0.720 7 m/s，这种情况下，水压力不仅对混凝土的劈裂作用较大，而且流速对混凝土壁面的冲刷作用也较大，如果长时间作用会对混凝土耐久性产生一些影响，从而降低行车平稳性和安全性。可见，在列车荷载一定的情况下，裂纹深度是影响枕边裂纹水压力和水流速度的一个关键因素。

3结论

1)通过对枕边裂纹内部水压力和水流速度的分布情况和变化规律进行研究，可以看出，裂纹内最大水压力发生在裂纹中部尖端处，而最大水流速度发生在裂纹中部出口处。

2)在裂纹尺寸一定的情况下，荷载幅值对水压力和水流速度的影响基本为线性关系；荷载频率和最大水压力、最大水流速度的关系是：频率越高，最大水压力越大，最大水流速度则与荷载频率成线性增加趋势，且水压力和水流速度变化幅度较大。

3)在荷载一定的情况下，裂纹开口量越大，最大水压力和最大水流速度反而越小；最大水压力和最大水流速度随着裂纹深度的增加而增加，裂纹越深，水压力增加越大，且水流速度随裂纹深度的增加最后成线性增加趋势。因此，裂纹深度是影响枕边裂纹水压力和水流速度的一个关键因素。

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(编辑蒋学东)

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

中图分类号：U213.2+44

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)02-0219-07

通讯作者：刘学毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，从事高速重载轨道结构和轮轨系统动力学；E-mail: xyliu@home.swjtu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(U1434208)；国家自然科学基金资助项目(51278431)

收稿日期：2015-06-05