CRTSⅠ型双块式无砟轨道湿度场分布特性研究

2022-01-20曹世豪翟淑芳陈俊旗

铁道科学与工程学报 2021年12期

曹世豪，翟淑芳，陈俊旗

(河南工业大学土木工程学院，河南郑州 450001）

无砟轨道因其稳定性好、维修少的特点，成为高速铁路的主要轨道结构形式，得到快速发展与广泛应用。然而，无砟轨道作为行车基础，直接暴露在大气中，受到复杂大气环境的侵蚀作用，使得其组成材料处于持续裂化中[1-4]。现场调研发现，由于施工和养护不当，轨道表面及层间界面处较易出现裂纹，见图1(b)。这些裂纹在雨水丰富和排水不畅地区会快速发展为较为明显的水病害，如图1(c)所示。混凝土作为构成无砟轨道结构的主要材料，水对混凝土的影响首先体现在对其内部水分分布上。混凝土与环境之间的水分交换，目前广泛采用的是基于费克定律的水分传输模型[5-6]。ZHANG等[7]基于理论与小模型试验研究成果，提出干湿交替环境下的混凝土内湿度场计算模型。王建等[8]定性分析了影响湿度场计算精度的参数取值问题。高翔等[9]综合考虑水灰比、环境湿度和混凝土内部水分传输性质等影响因素，提出了混凝土板内湿度梯度定量分析方法。考虑到复杂的湿度场数值计算方法不利于工程推广的缺点，王永宝等[10]通过对比温度场和湿度场的微分方程、初始及边界条件，提出了基于有限元程序温度场模块计算混凝土湿度场的方法。基于该方法，刘佳等[11]对无砟轨道层间离缝浸水条件下的湿度影响范围进行初步探索。但更为重要的轨道早期湿度场分布特性及轨道施工特点对湿度场的影响等研究，目前暂未报道。本文基于质量守恒与费克湿度扩散理论，提出材料内部水化自干燥、材料与环境之间的水分交换以及局部积水浸润等因素耦合作用下的湿度场计算方法，建立隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道由施工到运营阶段的全过程湿度场计算模型，分析内部水化自干燥、外部大气湿度、局部浸水历时等因素对轨道内部湿度分布的影响，得到无砟轨道湿度场的分布特性和发展规律。研究成果可为优化轨道结构及改进轨道施工工艺提供理论依据。

1 复杂环境下的无砟轨道湿度场

无砟轨道具有与外部环境接触面积大，受环境影响显著的工程特点。在轨道部件浇筑或预制初期，由于混凝土材料的水化特性，会导致结构内部湿度的整体降低，如图1(a)所示。随后，成型的轨道板面暴露在大气环境中，受到干燥大气环境的直接影响。由于水分在混凝土中的迁移较为缓慢，从而在轨道结构内形成表面湿度低、内部湿度高的非线性梯度湿度。当轨道结构存在层间裂缝时，会在雨水丰富或排水不畅地区形成积水，使得轨道板底与水环境直接接触，如图1(c)所示。此时，轨道结构在上表面大气干燥、内部水化自干燥及局部浸水的耦合作用下，沿深度方向形成非线性湿度梯度分布。一方面，混凝土材料在积水的长期浸润下，由于内部湿度相对于浸水表面的滞后性，导致内部材料性能下降较表层迟缓，形成距浸水表层越深软化程度越低的现象。另一方面，由于混凝土材料干缩湿胀的特性，道床板会在非线性湿度梯度下产生翘曲应力，并和列车荷载共同作用下，加速道床板底裂缝的发展，影响高速列车的行车舒适性与安全性。

图1 不同阶段的湿度状态Fig.1 Humidity state in different stages

2 湿度场计算理论

处在复杂环境下的无砟轨道，当无砟轨道层间存在滞留水时，轨道结构会形成层间浸水面的毛细吸水、外表面与大气水分交换、内部水分自高湿度向低湿度扩散以及水化自干燥的动态平衡系统。结构内封闭区域Ω的湿度由H(t1)变为H(t2)引起的水分变化量为[12-13]

t1到t2时间内因材料水化自干燥引起的水分变化量为：

式中：G为水分自干燥损失函数，该函数与水灰比w/c及龄期t的关系为[10]：

结构内水分在湿度梯度作用下会由高湿度向低湿度扩散，通过微小曲面的水分与时间dt，曲面面积dA及湿度沿曲面法向梯度∂H/∂n成比例，即

式中：D为湿度扩散系数，可表述为[9]：

式中：D0为最大湿度扩散系数；α为最小和最大湿度扩散系数之比；Hc为当D(H)=0.5D0时的相对湿度；β是与材料相关的系数。

从t1到t2经过封闭曲面扩散的水分总量：

根据质量守恒定律，Q1=Q2+Q3，得：

复杂环境下，无砟轨道的湿度边界条件可分为2类：

1)材料表面湿度是时间的已知函数，则：

2)材料表面湿度与周围环境湿度的水分交换系数已知，则：

式中：Hs为周围大气的湿度；Hm为材料表面的湿度；am为水分交换系数。

3 湿度场计算模型

CRTS I型双块式无砟轨道是将预制的双块式轨道组装成轨排，通过精确调整定位后，以现场浇筑混凝土方式一次性成型的轨道结构。根据路、桥、隧线下结构物的不同，CRTS I型双块式无砟轨道又可分为3种轨道形式。隧道地段CRTS I型双块式无砟轨道结构如图2所示，它由双块式轨枕、道床板、底座或垫层等组成[14-15]。

图2 CRTS I型双块式无砟轨道湿度场计算模型Fig.2 Humidity field calculation model of CRTS I bi-block ballastless track

在雨水丰富或排水不畅地区，隧道地段CRTS I型双块式无砟轨道所处的复杂湿度环境主要包含3个方面：轨道基础下一定深度处的地下水、轨道表面的大气湿度及轨道层间裂缝内可能存在的积水等。基于图2所示模型，建立无砟轨道由施工到运营全过程湿度场计算模型，各部件对应的材料参数见表1。考虑CRTS I双块式无砟轨道的施工特点，设置以下4种计算工况：1)富含水地区，隧道基础一定深度受承压水的浸润作用，分析基础完成t1=180 d时间内，隧道基础在地下水浸润、上表面大气干燥及内部水化自干燥等作用下的湿度场分布规律。2)t1时刻预制轨枕，养护至t2=240 d时刻。分析此阶段轨枕在表面大气干燥和内部水化自干燥等作用下的湿度场分布规律。3)t2时刻将轨枕运至现场进行精确调整定位后浇筑道床板，养护至t3=330 d时刻。分析此阶段整个轨道结构在外部大气干燥及内部水化自干燥等作用下的湿度场分布规律。4)t3时刻，轨道板底出现局部开裂并形成积水病害，板底浸泡至t4=420 d时刻。分析整个轨道结构在外部大气干燥、内部水化自干燥及局部积水浸润等作用下的湿度分布规律。根据以上4种工况，可明确CRTS I型双块式无砟轨道由施工到运营全过程的湿度场分布特性。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

4 计算结果及分析

4.1 隧道基础的湿度场分布

假定隧道基础深2 m处存在地下水，隧道内空气的相对湿度为65%。计算基础在建造完成180 d(t1)内的湿度场分布，结果如图3～4所示。

图3 隧道基础湿度场分布云图Fig.3 RH contour of tunnel foundation

由图3可知，基础施工完成后，内部湿度场在外界大气干燥、内部水化自干燥以及地下水浸润等共同作用下，呈现3个典型区域：环境大气干燥影响区、内部水化自干燥影响区、地下水浸润影响区。由图4可知，3个影响区的分界线随着时间而发生动态的变化。基础施工完成180 d(t1)时，隧道内空气的干燥影响可达到0.25 m深。此时基础表面的相对湿度为66.1%，与隧道内空气的相对湿度已非常接近。

图4 隧道基础内湿度沿着线ab的分布Fig.4 Distribution of RH along the path ab in the tunnel foundation

4.2 轨枕的湿度场分布

隧道基础施工完成180 d(t1)时开始预制轨枕。轨枕预制完成后，置于相对湿度为65%的大气中持续保存60 d(t2-t1)，计算轨枕在整个保存过程中的湿度场分布，结果如图5～7所示。

图5 不同时刻的轨枕湿度场分布云图Fig.5 RH contour of sleeper at different times

由图6和图7可知，由于混凝土内水分扩散速率较为缓慢，会在轨枕表层形成较为明显的湿度梯度。湿度梯度在轨枕预制完成初期，表现出较为典型的非线性分布特征，该非线性特征亦可用3段线性分布近似表示。在轨枕预制完成60 d(t-t1)后，湿度梯度沿着ab基本表现出线性分布规律。

图6 轨枕内湿度沿着线ab的分布Fig.6 Distribution of RH along the path ab in sleeper

图7 轨枕内湿度梯度沿着线ab的分布Fig.7 Distribution of RHG along the path ab in sleeper

4.3 道床板浇筑后的湿度场分布

轨枕预制完成60 d(t2-t1)时，于现场进行精确调整定位，进行道床板浇筑。在外界大气干燥(RH=65%)、内部湿度扩散及水化自干燥的共同作用下，计算得到道床板浇筑完成后90 d(t-t2)内的湿度场分布，见图8。

由图8可知，道床板现场浇筑完成初期，由于道床板、轨枕及隧道基础间湿度差异较大，会在界面两侧形成较为明显的湿度差。在湿度差的驱动下，结构内水分由高湿度向低湿度区域进行扩散，并在界面附近形成较高的湿度梯度，见图8(a)和8(b)。在湿度扩散的持续作用下，导致整个轨道结构内部的湿度场逐渐趋于平稳，见图8(c)。最终，各区域的最大湿度梯度均出现在表面界面处，如图8(d)中A，B，C3点所示。为了进一步研究轨道界面处的湿度场分布规律，提取出图8(d)中ab线上的湿度及湿度梯度，结果如图9～10所示。

图8 不同时刻的无砟轨道湿度场分布云图Fig.8 RH contour of ballastless track at different times

由图9～10可知，道床板浇筑完成后，在道床板与轨枕、道床板与基础界面处均会形成较大的湿度梯度，其中浇筑完成后t-t2=1，7，14，30和90 d，道床板与轨枕界面处的湿度梯度分别为25.08，3.43，2.29，1.41，0.88/(100%/m)，道床板与基础界面处的湿度梯度分别为-22.45，-5.28，-2.69，-1.27，-0.31/(100%/m)，表明界面湿度梯度随着养护时间的增加呈现减小趋势。尽管最大湿度梯度发生在浇筑完成初期，但因此时混凝土的弹性模量较小，引起的湿度应力也较小。当道床板浇筑完成28(t-t2)d后，其弹性模量基本稳定，而湿度梯度却在持续地下降，致使界面处的湿度应力呈现下降趋势，表明轨道结构的最大湿度应力出现在养护阶段。当界面处的湿度应力达到界面的破坏强度时，会导致道床板与轨枕或道床板与基础间的早期开裂，如图1(b)所示。

图9 湿度沿线ab的分布Fig.9 Distribution of RH along the path ab

4.4 局部浸水下的湿度场分布

在富水地段，隧道底部存在的承压地下水可能会沿基础施工缝渗入道床内。当排水系统出现故障，道床板底裂缝处会形成局部积水现象，见图1(c)。此时，无砟轨道处于上表面环境大气干燥、下表面局部积水浸润及内部水化自干燥3种效应的综合作用。本文假定道床板浇筑后第90 d(t3-t2)板底处发生积水，计算浸水历时分别为t-t3=1，7，14，30，60，90 d时的湿度场分布，结果如图11～12所示。