疲劳荷载与水耦合作用下无砟轨道裂纹动态演化过程研究

The non-ballasted track had been widely used with the massive construction of the high-speed railway in China. The damage issue of non-ballasted track mainly based on the crack was becoming gradually evident, especially the influence of rainwater to the damages. Nowadays there was a lack of the systematic research on the relevant problems at home and abroad.Non-ballasted track composite specimens cracking characteristics test and water pressure test are carried out, after fatigue load is applied by the universal servo-hydraulic machine to simulate the train loads, so the crack growth behavior and hydrodynamic pressure characteristics are analysized.Crack dynamic evolution process such as crack open, closure, growth and deformation, is continuously observed by three integrated measurement system linked with real-time holographic interferometry, high-resolution digital camera and computer image processing system.Analyse the mechanical properties of non-ballasted track structure with cracks at different loading periods, and research the generation and evolution of micro cracks, micro cavity damage，and leading to material properties evolution mechanism.Establish the force and deformation theory and calculation methods of non-ballasted crack under fatigue load and water interaction, and research non-ballasted track service status assessment methods.The research achievements provided reference for enriching and perfecting the theory on the concrete damages.

无砟轨道在我国高速铁路中得到了广泛的应用，但以裂纹为主要形式的伤损问题逐步凸显，特别是雨水对裂纹扩展的影响尤为突出，目前国内外对相关问题缺乏系统的研究。本项目拟针对典型无砟轨道裂纹受力及扩展问题，对疲劳荷载作用及雨水浸入条件下，裂纹的动态演化过程进行理论与试验研究。通过万能伺服液压机施加模拟列车疲劳荷载，开展无砟轨道复合试件开裂性状模型试验及混凝土裂纹水压力试验，分析裂纹扩展性态及动水压力作用特性。利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态的观测裂纹张开、闭合、扩展与变形交替演化过程。分析带裂纹的无砟轨道结构在不同加载时间段的力学特性，研究微裂隙、微空洞等损伤的产生和演化导致材料性能嬗变机理. 建立疲劳荷载与水耦合作用下无砟轨道裂纹受力与变形计算理论和方法，研究无砟轨道服役状态评估方法。研究成果将为进一步丰富和完善混凝土伤损理论提供参。

通过对全国无砟轨道伤损调研结果及分析，本项目针对典型无砟轨道含水裂纹受力及扩展问题，对高速列车动荷载作用及雨水侵入条件下，混凝土的裂纹扩展机理进行理论与试验研究。浇筑“轨道板-CA砂浆-混凝土”（TCS）复合模型试件（100×100×400mm3），通过MTS万能伺服液压疲劳试验机施加弯曲疲劳荷载，采用4点弯曲试验的方法，当应力水平S为0.65%、75%、85%、95%等时，探讨复合模型试件的弯曲疲劳变形特性和累积损伤演化过程。.(1) 列车动荷载与水耦合作用下裂纹内水压力计算模型及参数.建立了列车动荷载与水耦合作用下裂纹内动水压力双向瞬态流固耦合三维计算模型。模型可用于对高速列车通过时无砟轨道裂纹中水动压力的模拟计算。列车荷载是计算中的主要参数之一，具有加载频率高、作用力大的特点。.(2) 动载与水耦合作用下无砟轨道裂纹扩展研究.通过拉伸试验确定材料的断裂韧度，基于裂纹内水压力计算的统计值，采用商用软件ANSYS/WORKBENCH-Fracture，计算了不同条件下裂纹尖端的强度因子，与试验得到的断裂韧度对比分析，判断了裂纹的扩展情况，为裂纹的修复时机提供了理论基础。.（3）TCS试件制作方法和配合比完全相同的条件下，表现出特别的疲劳特性，高应力水平条件下，TCS试件的试验曲线呈现出大多为“扁”“带”状特征。.（4）TCS试件在循环加载过程中出现循环蠕变现象，表现为在应力控制条件下，随着荷载循环次数的增加，TCS试件的变形逐渐增大。在长时间的疲劳荷载作用下试件内部产生累积损伤，产生塑性变形，其宏观的表征形式，就是荷载和变形的关系呈现一个迟滞回环。.（5）提出了用三次多项式表征弯曲疲劳变形演化曲线的疲劳变形方程、和三次多项式表征疲劳模量演化曲线的疲劳模量衰减方程。基于累积耗散能密度与疲劳寿命的关系，提出了采用耗散能密度作为判据预测TCS试件疲劳寿命的方法，寿命预测的结果与试验结果近似。.（6）取断裂“TCS”试件的CA砂浆颗粒，通过SEM扫描镜观测了CA砂浆颗粒及CA砂浆颗粒与混凝土界面区的孔隙分布特性及材料的内部结构。