[发明专利]一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法

说明书

本发明公开了一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，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。

技术领域

本发明属于轨道冻结与损伤行为的技术领域，具体涉及一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法。

背景技术

我国地域辽阔，有相当大的部分地区处于严寒地带，而该区域混凝土结构面临强烈的冻融循环作用。气象统计数据结果表明，兰州地区的年平均冻融循环次数达83.6次，黑龙江哈尔滨冻融循环次数约45次作用，即便江苏南京地区的年平均冻融循环次数也达到19.9次，冻融破坏是我国北方寒冷地区混凝土结构损伤失效的主要原因之一。

无砟轨道结构设计时，虽然考虑了轨道结构的排水及抗冻性，并做了相应的排水及抗冻性设计。但由于施工和养护不当，在雨水丰富地区和排水不畅地段导致有大量的水会沿着表面裂缝或层间离缝渗入轨道结构内部，即使排水较好的区域由于低温环境下轨道板积雪，温度升高融化将导致很大比例的水分沿孔隙及微裂隙渗流进入轨道结构内部。因此，北方寒冷地区部分无砟轨道已出现较为严重的冻结与损伤行为。其中，I型双块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨枕、道床板、混凝土底座或支承层组成，在我国铺设广泛，其中大西、西宝、兰新、宝兰等严寒地带都大量采用了I型双块式为主的轨道结构形式。双块式无砟轨道在桥梁地段采用单元结构，路基和隧道地段采用连续结构。其轨枕为工厂预制，道床板、底座板或支承层采用现场浇筑，对桥梁、路基、隧道等线下基础的适应性较好，但由于为现浇结构，浇筑养护后极易产生干缩裂缝，水分更易渗入轨道内部，因此面临更为严峻的冻结与损伤行为威胁。

Powers提出的静水压理论为混凝土冻融受力的量化分析奠定了基础，此后国内外学者展开了大量研究，陆续提出了渗透压理论(Powers)、结晶压理论(Scherer)、微结冰理论(Setzer)、粘结剥落理论(Valenza)以及基于热力学原理建立的联系宏观结构与微观受力的多孔介质力学理论(Coussy)。在数值计算方面，T.Ueda等人(2009)基于刚体弹簧方法(RBSM)，通过引入零强度单元及塑形拉伸弹簧，建立了混凝土中尺度计算模型，分析了冻融引起的应力演化、裂纹扩展、强度退化问题以及冻融后混凝土的受弯性能；Lin Liu，WeiSun等人采用水泥浆体数值微观结构，基于离散化的格构单元法，建立了含量化微观损伤的三维格构模型，分析了饱水状态、外荷载及冻结共同作用下水泥浆体微观结构的受力及微裂纹的分布；Qingli Dai在细观角度采用扩展有限元(XFEM)研究了过冷条件下孔内结晶压力对混凝土内裂纹扩展的影响。

上述研究均通过将经验或理论预测的孔隙压力以外荷载的方式引入到模型中，并未考虑材料应力与孔隙压力的耦合关系。基于水-热-力耦合多孔介质力学物理表达式，采用毛细孔内冰水压力平衡关系，B.Zuber,J.Marchand在微观尺度下研究了低温冻结过程中气孔尺寸及间隔尺寸对水泥基材料变形的影响；段安分析了混凝土试块受低温冻结过程中的温度场、应变场以及孔内压力场的分布规律；曾强研究了冻结速率及气孔内压力边界条件对水泥基材料变形的影响。而混凝土冻结与损伤行为研究在无砟轨道领域中应用尚浅，低温冻结与损伤行为对无砟轨道的影响规律尚不明确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其包括：