复杂温度条件下高速铁路无砟轨道多层结构体系变形协调与控制机理

Ballastless track is the main type of track structures in China high-speed railway. Owing to the short construction of high-speed railway and the complex temperature environment, numerous defects appeared during service. Previous operational and research experience demonstrate that it is the complex multi-temperature environment that contributes most to the defects of high-speed railway. At present, the defect remediation of ballastless track lack of scientific guidance, and situ blind treatment can’t control the present defects of ballastless track, and may cause more severe defects on ballastless track. .This project research the failure criterion of contact between the interlayer and the constitutive of contact mechanics by establishing a discrete element micromechanical model concerning the contact between ballastless track multi-layer system, and the combination of indoor and field test results. Through a macro and microcosmic combination simulation method, a space finite element model of the ballastless track and the foundation based on the micromechanics constitutive between interlayer will be build. In addition, through three-dimensional temperature distribution test and analysis in ballastless railway, the compatibility and control mechanism of temperature deformation in ballastless track multi-system will be studied. What’s more, a method of controlling defects caused by imbalanced temperature deformation will be proposed, and its effect will be conducted as well. .This project aims to reveal the failure criterion between the interlayers, to propose the imbalanced deformation diseases and the control theory of ballastless track multi-layer system, to form the systematic deformation coordination and control technology theory system between the interlayer of ballastless track multi-layer system.

无砟轨道是我国高速铁路轨道结构的主要型式。由于我国高铁建设周期短、温度环境复杂，无砟轨道在服役期间出现了大量的病害，运营和研究经验表明，其病害大多由复杂温度荷载引起。目前的病害治理缺乏科学理论指导，盲目的治理不但无法控制无砟轨道现有病害，甚至会导致病害加剧。 .本项目针对复杂温度条件下无砟轨道不同材料构成的多层体系力学特性，通过建立层间接触离散元细观力学模型，结合室内及现场试验，对层间接触力学本构关系及破坏准则进行研究。利用宏观与细观相结合的仿真手段，建立无砟轨道及下部基础空间有限元模型，通过无砟轨道三维温度场测试分析，对多层结构体系变形协调及失调机理进行研究，提出无砟轨道温度变形失调病害控制方案，并对其效果进行研究。 .本项目旨在揭示复杂温度条件下无砟轨道多层结构体系相互作用机理，提出层间破坏准则、变形失调病害评估技术以及科学控制理论方法，为我国高速铁路的安全平稳运行提供重要的理论支撑。

温度引起的无砟轨道结构损伤及病害已成为我国高铁高平顺、高安全运营目标的主要挑战之一。在无砟轨道特有的多层结构体系背景下，揭示复杂温度条件下结构病害发生机理，是科学整治病害的必要保障。为此，课题组围绕提出的三个科学问题，从无砟轨道多层结构体系层间接触特性及破坏准则、复杂温度效应下无砟轨道多层结构体系变形协调机理、无砟轨道温度变形失调机理及影响及温度变形失调病害整治及等方面展开研究。.在无砟轨道多层结构体系层间接触特性及破坏准则方面：进行了层间接触本构参数试验，揭示了CA砂浆-混凝土界面的黏结机制和破坏模式，明确了CA砂浆组分、性质在界面黏结行为中的作用；此外还对无砟轨道其他层间力学行为进行了参数研究；基于内聚力模型开发了无砟轨道层间复合模式开裂分析模块IMCAM，实现了对无砟轨道层间复合开裂模式裂纹的准确模拟。.复杂温度效应下无砟轨道多层结构体系变形协调机理方面：建立了无砟轨道温度场长期监测系统，获取了无砟轨道多维温度场长时数据；从施工期、服役期多角度研究了无砟轨道在循环温度作用下的层间力学行为；分析得到了无砟轨道与下部基础在复杂温度作用下的变形协调机制，为后续温度变形控制理论及措施的提出奠定了理论基础。.在无砟轨道温度变形失调机理及影响方面：揭示了无砟轨道板上拱、离缝等典型温度失调病害的发生机理和主要影响因素。研究表明整体升温以及板间、层间损伤造成的轨道刚度不连续和偏心受压，是诱发上拱的主要原因；并基于分析结果提出了相应的无砟轨道养护维修建议。.在温度变形失调病害整治方面，对离缝病害提出了修复材料主要性能指标建议；针对轨道板上拱病害，分别从植筋锚固、轨道板解锁锚固等方面提出了相应的整治措施建议。.本项目在执行期间，共发表论文24篇，申请发明专利4项，获得国家级、省部级奖励6项，共培养博士研究生4名，硕士研究生7名，所获成果远超项目预期；在无砟轨道层间破坏机制、无砟轨道温度变形控制理论及结构温度失调病害整治措施等方面的成果，能够为无砟轨道现场病害的科学整治以及轨道结构的优化工作提供理论参考。