极端气候条件下高速铁路无砟轨道伤损机理、服役状态评估与控制研究

Extreme climates, which have not been sufficiently taken account into the design of non-ballasted track, usually lead to the rapid deterioration of track that affects the service performance of track and high-speed train operation. This project will focus on the influence of extreme temperature and extreme precipitation on non-ballasted track. The field investigations and theoretical researches will be carried out. A series of non-ballasted track model experiments will be carried out, such as compression bending experiment, stretch bending experiment, temperature model test, and dynamic experiment with water-containing cracks. In addition, the main material properties will be tested, including mortar properties and freeze-thaw properties of concrete-mortar composite samples. The calculative models and methods of structural stability, crack state and plate warping of continuous non-ballasted track with complex constrains, the fluid-structure interaction model of non-ballasted track with water-containing cracks under the action of train load and water (or freezing rain), the mechanical analysis method of non-ballasted track with sand-stuffing cracks under vibration will be built. The object of these experiments and theoretical researches is to systematically analyze the stress distribution, deformation, damage mechanism and influence factors of non-ballasted track under extreme climates. The calculative method on the vehicle-track coupling dynamics will be established to evaluate the influence of track damages on high-speed train operation and track service performance. According to the field experiments and theoretical researches, the control measures on non-ballasted track damages will be put forward.

无砟轨道设计中未考虑或未充分考虑的极端气候，使轨道伤损快速发展从而影响轨道服役状态和高速行车。本项目研究极端温度、极端降水对无砟轨道的影响。通过现场调查、理论研究，进行无砟轨道压弯、拉弯、温度场、动荷载下含水裂纹等模型试验，以及砂浆性能、混凝土与砂浆复合试件冻融试验等，建立无砟轨道复杂约束多层连续钢筋混凝土结构稳定性、裂纹性状及板状结构翘曲计算模型与方法，建立列车动荷载与水（含冻雨）作用下无砟轨道含水裂纹流固耦合分析模型，建立沙粒充填裂纹后无砟轨道振动环境下的受力计算方法。对极端气候下无砟轨道变形、伤损机理及影响因素进行系统地计算分析。建立列车-伤损无砟轨道耦合动力学计算方法，评估轨道伤损对高速行车和轨道服役状态的影响，结合现场试验和理论研究，提出极端气候下轨道伤损的控制对策与措施。

极端气候出现频率较低，但对轨道结构状态影响显著，目前国内外对此研究不足，有必要对极端气候条件下无砟轨道的损伤机理进行系统研究。本项目主要工作如下：（1）系统地开展了无砟轨道温度场试验，推导无砟轨道温度场解析公式，建立了依据主要气象参数计算无砟轨道温度场的模型；明确了持续高温天气对无砟轨道的作用机理，分析了极端高温天气下轨道温度特性，为无砟轨道的温度荷载取值提供了依据。（2）开展了无砟轨道高温稳定性模型试验，研究提出了无砟轨道上拱稳定性计算的等波长、不等波长和微分方程法，分析了轨道板上拱的受力和变形特点；探讨了轨道振动固有频率与升温幅度的关系，初步提出了基于振动频率的无砟轨道稳定性的评估方法；研究了影响轨道板上拱稳定性的各种因素的状态限值及其对行车安全的影响。（3）针对CRTSⅡ型板式无砟轨道宽窄接缝的典型损伤，分别从宏、细观角度建立算法，并解释了宽窄接缝的受力和损伤产生和发展规律，并提出了结构优化建议。（4）开展了无砟轨道低温开裂试验，推导了裂纹性状的计算公式，明确了道床板纵向刚度的变化特性，提出了更为精确的受拉开裂模型；建立了无砟轨道层间粘接形态的分形构建方法，探讨了从施工到运营阶段层间损伤的产生和演化过程。（5）基于流体方程，采用控制体积法，推导出含水裂缝内的动水压力和水流速度分布解析式，建立了无砟轨道含水裂纹动水压力计算模型，并通过模型试验对计算模型进行了验证；根据裂纹尖端强度因子，明确了列车荷载与水耦合作用下裂纹稳定性和扩展特点，提出了裂纹修补技术建议；研究了裂纹内颗粒运动特性，研究得到了裂纹表面冲蚀磨损的初步规律和特点。（6）开展了不同温度及温度循环下CA砂浆的力学性能试验，应用CT扫描技术分析了砂浆的细观构造，探讨了砂浆的在极端温度条件下的力学特性及其性能变化机理。（7）建立了考虑钢筋锈蚀的道床板细观力学模型，研究了钢筋锈蚀后道床板的损伤特点；基于多孔介质力学，应用水泥基材料内孔隙力的物理描述，建立了无砟轨道混凝土水-热-力耦合模型，分析了无砟轨道冻害形成机理及影响因素。（8）针对极端气候下无砟轨道的典型损伤，提出了反射隔热涂层降温、板式轨道锚固销钉限位、底座板后浇带伤损修复和裂纹注浆修复等轨道状态控制方法，并提出无砟轨道伤损限值及修复维修标准。