[发明专利]一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法

权利要求书

1.一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，包括：

S1、根据动弹性波试验获取已浇筑混凝土试件的多孔骨架体积压缩模量，并计算得到Biot系数；

S2、根据CT扫描和图像识别技术，获取混凝土试件孔结构分布参数和整体孔隙率；

S3、根据所述孔结构分布参数，计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线；

S4、根据Young-Laplace方程冰-未冻水平衡以及冰-吸附水膜平衡关系，构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系；

S5、基于多孔介质力学、多孔介质内水分迁移达西定律和多孔体系热传导Fourier定律，构建多孔介质应力场-温度场-渗流场的耦合控制方程，得到冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用关系。

2.根据权利要求1所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S1中计算得到的Biot系数b为：

其中，K₀为多孔骨架压缩模量，K_m为固体基质压缩模量。

3.根据权利要求2所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S3中计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线为：

其中，温度降低过程中水的质量结冰率，ρ_w为水的密度，w_i为水的结冰质量；

V_w-i为孔隙内冰的体积含量，其计算表达式为：

V_w-i＝φ(R_peq)-V_ads(R_peq)

吸附层的体积含量V_ads为：

其中，为孔径分布函数，R_n为结晶的最大孔隙半径，r为孔隙半径；

孔径R_peq为：

R_peq＝R_eq+δ

其中，R_eq为冰晶体尖端平衡半径；δ为孔隙水膜厚度之和，其表达式为：

其中，θ为摄氏温度；

冰晶体尖端平衡半径R_eq为：

其中，γ_ls为冰与水表面张力，T₀为正常水冰点，R_max为冰晶体尖端最大半径，L为水的相变潜热，即单位质量的水分结冰释放的热量。

4.根据权利要求3所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S4中构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系为：

P^*(θ)＝P_w(θ)+X

其中，P_i为孔隙冰压力，P_w为孔隙水压力，γ为冰与水表面张力，R_eq为冰晶体尖端平衡半径，π_w为吸附层水压力，P^*(θ)为平均孔隙压力，P_w(θ)为孔隙水压力，X为结晶压力；

结晶压力X的表达式为：

其中，n为整体孔隙率，R_peq(θ)为结晶的最小孔隙半径，R_eq(θ)为冰晶体尖端平衡半径。

5.根据权利要求4所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S5中构建多孔介质应力场-温度场-渗流场的耦合控制方程分别为：

当不考虑体力的作用下，多孔介质微元的应力场控制方程为：

其中，为张量算子，C₀多孔介质骨架的弹性刚度张量，ε为多孔骨架的应变，I为单位张量，由于温度变化是孔隙压力变化的直接原因，令：

其中，K₀为多孔骨架压缩模量，α₀为多孔骨架的体膨胀系数；

忽略对流对热传导的影响，并考虑相变潜热，则多孔介质的温度场控制方程为：

其中，ρ_m为多孔骨架密度，为摄氏温度随时间的变化速率，λ为热传导系数，L为水的相变潜热，多孔体系比热容为C_ef：

其中，C_m、C_w和C_w分别表示多骨架、水以及冰的比热容，λ_ef、λ_m、λ_w、λ_i分别为多孔体系、骨架、水以及冰的热传导系数，S_w为水饱和度，ρ_w为水密度，S_i为冰饱和度，ρ_i为冰密度；

混凝土冻结过程中的内水分迁移，即渗流场的控制方程为：

其中，为静水压力随时间的变化速率，k为渗透系数，μ为水的动力粘滞系数，为体应变，S为压力源项，

其中，β为多孔弹性储水修正系数，K_w为水的压缩模量，K_i为冰的压缩模量；

其中，α_w、α_i、α₀分别为水、冰、多孔骨架的体膨胀系数，为结晶压力随时间的变化速率，