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        路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)分析

        2022-04-07 03:51:40喬麗梅曹世豪
        鐵道建筑 2022年3期
        關(guān)鍵詞:離縫基床瞬態(tài)

        喬麗梅 曹世豪

        1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,鄭州 450001;2.河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,鄭州 450001

        CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中,CA 砂漿與軌道板、支承層的界面既是先后澆筑形成的連接面,又是不同力學(xué)性質(zhì)材料的界面,在列車荷載、溫度荷載、雨水等作用下易出現(xiàn)開裂病害[1-2]。工程實(shí)踐表明,層間裂縫在雨水豐富或排水系統(tǒng)障礙時(shí)會(huì)形成積水。積水一方面會(huì)侵入材料空隙內(nèi)部而裂化其力學(xué)性能,另一方面同列車荷載耦合下加速裂縫的發(fā)展[3]。層間裂縫的持續(xù)發(fā)展影響軌道結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力。

        韓宇棟等[4]指出80%的混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂與干燥收縮變形有關(guān)。何財(cái)基等[5]通過(guò)開展現(xiàn)場(chǎng)道床板混凝土抗裂性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)成膜保濕養(yǎng)護(hù)可顯著降低道床板表面龜裂。Li等[6]利用Comsol軟件建立基于濕度變化的混凝土收縮兩階段發(fā)展模型,并對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道的早期開裂機(jī)理進(jìn)行分析。劉佳等[7]借助ANSYS熱分析模塊分析了雙塊式無(wú)砟軌道層間浸水條件下濕度影響范圍。曾曉輝、田冬梅等[8-9]通過(guò)毛細(xì)吸水試驗(yàn),獲得CA砂漿的毛細(xì)吸水系數(shù)。

        目前鮮有與板式無(wú)砟軌道層間開裂有關(guān)的早期濕度場(chǎng)分布特性研究成果。本文針對(duì)路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)分布特性開展研究,基于Fick擴(kuò)散理論建立計(jì)算模型,設(shè)計(jì)1 穩(wěn)態(tài)+3 瞬態(tài)的4 階段溫度場(chǎng)計(jì)算流程。考慮軌道暴露面大氣濕度波動(dòng)、內(nèi)部水化自干燥、養(yǎng)護(hù)方法等因素的影響,按照施工順序,對(duì)無(wú)砟軌道各層構(gòu)件的早期濕度場(chǎng)分布特性進(jìn)行逐一分析,并分析服役階段層間積水對(duì)無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)的影響。

        1 計(jì)算原理

        CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道各層構(gòu)件在施工完成初期,其內(nèi)部濕度首先會(huì)因早期水化反應(yīng)而整體下降,稱為水化自干燥。該自干燥效應(yīng)通過(guò)水分自耗散函數(shù)G控制[10],表達(dá)式為

        式中:w∕c為水灰比;t為齡期。

        軌道暴露面與大氣間的濕度交換滿足

        式中:D為濕度擴(kuò)散系數(shù);H為濕度;n為濕度擴(kuò)散面的法線方向;am為濕度交換系數(shù),覆蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)取0;Hm為軌道表面濕度;Hs為大氣濕度。

        軌道內(nèi)部濕度由高區(qū)域向低區(qū)域擴(kuò)散時(shí)服從Fick擴(kuò)散定律[11],表達(dá)式為

        式中:D0為最大濕度擴(kuò)散系數(shù);α為最小和最大濕度擴(kuò)散系數(shù)之比;Hc為D(H)=0.5D0時(shí)的濕度;β為與材料相關(guān)的系數(shù)。

        2 計(jì)算模型

        建立路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)計(jì)算模型(圖1),軌道板為200 mm × 2 550 mm,CA 砂漿層為30 mm ×2 550 mm,支承層為300 mm × 3 250 mm,路基基床為500 mm×4 250 mm。單元數(shù)為6 388個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 268個(gè)。計(jì)算時(shí),基床底部設(shè)置為90%的恒定濕度邊界,軌道暴露面施加對(duì)流換濕邊界。大氣濕度參考北京地區(qū)4 ~ 5 月份,其濕度值日波動(dòng)在21.4% ~ 74.4%,日平均值為 48.0%[12]。養(yǎng)護(hù)階段的表面灑水和服役階段的層間積水設(shè)置為100%恒定飽和濕度邊界。模型中布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(點(diǎn)a—點(diǎn)g),其中點(diǎn)b、點(diǎn)e分別位于軌道板和支承層的中點(diǎn)。

        圖1 路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)計(jì)算模型

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        采用上述模型對(duì)路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道早期濕度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)面臨兩個(gè)技術(shù)障礙:①彼此獨(dú)立的軌道各層構(gòu)件隨著施工的進(jìn)行而逐步連接為整體,該連接過(guò)程對(duì)濕度場(chǎng)分布的影響顯著;②各層構(gòu)件受施工順序及養(yǎng)護(hù)條件的影響,在與相鄰層構(gòu)件連接時(shí),彼此間的初始濕度條件表現(xiàn)為非均勻性和不一致性,造成后續(xù)濕度場(chǎng)瞬態(tài)分析的困難。因此,設(shè)計(jì)了1 穩(wěn)態(tài)+3 瞬態(tài)的4 階段濕度場(chǎng)計(jì)算流程,采用節(jié)點(diǎn)耦合法,按照施工順序?qū)⑾噜弻舆B接為整體,實(shí)現(xiàn)路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道早期濕度場(chǎng)計(jì)算。

        3.1 路基基床穩(wěn)態(tài)濕度場(chǎng)

        CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道路基基床在底部恒定濕度H=90.0%、頂部大氣平均濕度Have=48.0%、濕度交換系數(shù)am= 0.005 m·d-1的對(duì)流換濕邊界的長(zhǎng)期作用下達(dá)到平衡,并影響支承層澆筑后的早期濕度場(chǎng)分布。采用穩(wěn)態(tài)濕度場(chǎng)模塊計(jì)算路基基床穩(wěn)態(tài)濕度場(chǎng),結(jié)果見圖2??芍坊矟穸仍谶_(dá)到平衡后,其最小濕度Hmin= 48.4%出現(xiàn)在基床表面,與Have= 48.0%基本一致。

        圖2 路基基床穩(wěn)態(tài)濕度場(chǎng)(單位:%)

        對(duì)路徑f→g的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖3。可知:基床平衡濕度沿深度呈指數(shù)增加;在點(diǎn)f以下0.25 m 深處,指數(shù)分布與線性插值結(jié)果的差異為74.8% - 69.0% = 5.8%,與表面濕度(48.4%)的比值達(dá)到12%。將該穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果作為支承層澆筑后瞬態(tài)濕度場(chǎng)分析時(shí)的底部基床初始濕度條件。

        圖3 濕度沿路徑f→g的分布

        3.2 支承層瞬態(tài)濕度場(chǎng)

        支承層混凝土澆筑完成后要及時(shí)進(jìn)行不少于7 d的濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù),然后自然養(yǎng)護(hù)。對(duì)支承層早期瞬態(tài)濕度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),初始支承層H= 100%,基床濕度為上節(jié)穩(wěn)態(tài)濕度場(chǎng)的分析結(jié)果;在濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)階段,濕潤(rùn)表面設(shè)置為H= 100%的恒定濕度邊界;在自然養(yǎng)護(hù)階段,暴露面設(shè)置為H=H(t)、am=0.005 m·d-1的對(duì)流換濕邊界。

        計(jì)算得到養(yǎng)護(hù)90 d 時(shí)支承層早期濕度場(chǎng),見圖4??芍?,在支承層澆筑完成后,其內(nèi)部的高濕度將向基床內(nèi)擴(kuò)展,并在交界面處形成較高的濕度梯度。

        圖4 養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)支承層瞬態(tài)濕度場(chǎng)(單位:%)

        支承層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濕度時(shí)程分布見圖5??芍褐С袑颖砻鏉穸仍跐駶?rùn)養(yǎng)護(hù)階段由于自由水的浸潤(rùn)作用而始終處于100%的飽和狀態(tài);第8天進(jìn)入自然養(yǎng)護(hù)階段后,在低濕度大氣的干燥作用下表面濕度迅速下降,并隨大氣濕度的日周期波動(dòng),到第90 天時(shí)趨于平穩(wěn);穩(wěn)定后表層濕度在43.9% ~ 55.0%波動(dòng),平均為49.5%,略高于Have=48.0%。

        圖5 支承層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濕度時(shí)程分布

        第90 天的5個(gè)典型時(shí)刻濕度沿路徑d→f的分布見圖6??芍?,大氣濕度的日波動(dòng)性對(duì)支承層表層的影響主要在支承層上表層以下10 mm 范圍內(nèi),且經(jīng)過(guò)兩級(jí)衰減后消失。

        圖6 濕度沿路徑d→f的分布

        3.3 軌道板瞬態(tài)濕度場(chǎng)

        軌道板澆筑成型后立即進(jìn)行覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù),待脫模后運(yùn)至毛板區(qū)自然存放,存放時(shí)間不少于1個(gè)月。對(duì)軌道板瞬態(tài)濕度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),軌道板暴露面在覆蓋養(yǎng)護(hù)階段設(shè)置為絕濕邊界條件,在自然養(yǎng)護(hù)階段設(shè)置為am=0.005 m·d-1的對(duì)流換濕邊界。

        根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,在軌道板澆筑后的覆蓋養(yǎng)護(hù)階段,其內(nèi)部濕度場(chǎng)在水化自干燥效應(yīng)的影響下呈整體下降趨勢(shì),第7 天降至94.7%。計(jì)算得到養(yǎng)護(hù)60 d時(shí)軌道板濕度場(chǎng),見圖7。可知,受大氣干燥主控的軌道板表層存在較大的濕度梯度,而中間水化自干燥主控區(qū)域的濕度場(chǎng)分布比較均勻。

        圖7 養(yǎng)護(hù)60 d時(shí)軌道板瞬態(tài)濕度場(chǎng)(單位:%)

        以各點(diǎn)的濕度與點(diǎn)b的濕度比值作為判斷基準(zhǔn),當(dāng)比值大于99%時(shí),可以認(rèn)為兩點(diǎn)的濕度基本一致,不存在濕度梯度。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的軌道板濕度沿路徑a→c的分布見圖8??芍?,基于該方法得出軌道板在養(yǎng)護(hù)至60 d 時(shí),早期水化自干燥主控區(qū)從14 d 時(shí)的0.11 m縮減至0.06 m,約占整個(gè)軌道板厚度的30%。

        圖8 濕度沿路徑a→c的分布

        3.4 CA砂漿澆筑后的無(wú)砟軌道瞬態(tài)濕度場(chǎng)

        CA 砂漿澆筑完成后整個(gè)無(wú)砟軌道采用自然養(yǎng)護(hù)。對(duì)CA 砂漿澆筑后無(wú)砟軌道早期濕度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),CA 砂漿層的初始濕度為H=100%,基床和支承層初始濕度采用圖4 的計(jì)算結(jié)果,軌道板初始濕度采用圖7 的計(jì)算結(jié)果。軌道暴露面設(shè)置為H=H(t)、am=0.005 m·d-1的對(duì)流換濕邊界。

        CA砂漿完成澆筑后,在濕度差的驅(qū)動(dòng)下,CA砂漿層的高濕度向支承層和軌道板擴(kuò)散,并在界面處形成較高的濕度梯度。由于CA 砂漿層較薄,上層軌道板和下層支承層的低濕度表層在短期內(nèi)影響整個(gè)CA 砂漿層,并與CA 砂漿層的早期水化自干燥效應(yīng)疊加。計(jì)算得到CA 砂漿澆筑后養(yǎng)護(hù)28 d 時(shí)無(wú)砟軌道濕度場(chǎng),見圖9??芍吼B(yǎng)護(hù)至28 d 時(shí),CA 砂漿層的最高濕度為72.4%,低于軌道板(81.5%)和支承層(86.9%);相對(duì)于軌道板和支承層,CA 砂漿層的濕度在養(yǎng)護(hù)完成后分布更加均勻,除兩側(cè)暴露面附近小范圍外基本都在70.0%~72.4%。

        圖9 CA砂漿澆筑后養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)(單位:%)

        CA 砂漿澆筑后不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無(wú)砟軌道內(nèi)部濕度沿路徑b→e的分布見圖10??芍珻A 砂漿層內(nèi)的均勻飽和濕度在澆筑后1 d 變?yōu)閽佄锞€分布,濕度梯度的快速形成反映了CA 砂漿層早期濕度變化主要受濕度擴(kuò)展主導(dǎo);養(yǎng)護(hù)21 d 時(shí),CA 砂漿層內(nèi)的濕度與相鄰軌道板、支承層基本達(dá)到平衡,其濕度分布趨于均勻。進(jìn)一步分析CA 砂漿與軌道板、CA 砂漿與支承層界面的濕度梯度發(fā)現(xiàn),界面高濕度梯度在濕度的持續(xù)擴(kuò)散下快速下降,在21 d 時(shí)已趨于0,表明此時(shí)CA 砂漿層內(nèi)濕度場(chǎng)已基本達(dá)到平衡。

        3.5 無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)對(duì)CA砂漿離縫的影響

        干燥環(huán)境下,收縮應(yīng)變?與濕度H的關(guān)系滿足[13]

        在軌道板和支承層的約束下,CA 砂漿層界面處會(huì)形成較大的早期濕度應(yīng)力,而對(duì)界面開裂起主導(dǎo)作用的應(yīng)力分量為σy。通過(guò)濕度-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析,計(jì)算得到CA砂漿澆筑后養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)σy分布,見圖11。

        圖11 CA砂漿澆筑后養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)σy分布(單位:MPa)

        由圖11可知:由于CA砂漿層和軌道板、支承層早期濕致變形的不協(xié)調(diào)性,在界面處形成較大的濕度應(yīng)力。養(yǎng)護(hù)至28 d 時(shí),CA 砂漿與軌道板、支承層界面的σy最大值分別為 0.75、1.35 MPa。當(dāng)σy超出 CA 砂漿與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí),將會(huì)產(chǎn)生層間離縫,且離縫會(huì)首先出現(xiàn)在CA砂漿層與支承層界面處。

        3.6 離縫積水對(duì)CA砂漿層濕度場(chǎng)的影響

        層間離縫會(huì)在雨水豐富或排水不暢時(shí)形成局部積水。為了分析層間積水對(duì)CA 砂漿層濕度場(chǎng)的影響,設(shè)計(jì)了兩種計(jì)算工況。①工況一:CA 砂漿層僅下界面有0.5 m 深積水;②工況二:CA 砂漿層上、下界面均有0.5 m 深積水。兩種工況中積水時(shí)間均為7 d。離縫積水7 d 時(shí)無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖12。積水區(qū)CA砂漿層內(nèi)濕度沿厚度分布見圖13。

        圖12 離縫積水7 d時(shí)無(wú)砟軌道濕度場(chǎng)(單位:%)

        圖13 積水區(qū)CA砂漿層內(nèi)濕度沿厚度分布

        由圖12、圖13可知:①無(wú)積水(浸泡0 d)時(shí),CA 砂漿層的濕度沿厚度方向線性分布。由于上下兩界面濕度差不足1.4%,可認(rèn)為CA 砂漿層內(nèi)濕度場(chǎng)分布均勻。②CA 砂漿層下界面離縫內(nèi)存在積水時(shí),離縫面濕度因自由水的直接浸潤(rùn)而迅速提升至100%的飽和狀態(tài),并向砂漿層內(nèi)部擴(kuò)散。浸泡至第4 天時(shí),CA 砂漿層上界面的濕度開始增加,表明此時(shí)離縫積水對(duì)濕度的影響已覆蓋至整個(gè)砂漿層。在積水浸泡過(guò)程中,濕度沿CA 砂漿層厚度分布由線性逐漸向三次多項(xiàng)式轉(zhuǎn)變,且平均濕度在浸泡7 d 后的增幅為29.1%。③CA 砂漿層上下界面離縫內(nèi)均存在積水時(shí),積水區(qū)砂漿層被自由水包裹在一個(gè)封閉空間內(nèi),并隔絕與上下層構(gòu)件間的濕度交換。在1 d 內(nèi),層間離縫內(nèi)積水的影響可覆蓋整個(gè)CA 砂漿層,且平均濕度增幅為19.9%。在第5 天時(shí),整個(gè)砂漿層濕度基本已達(dá)到100%的飽和狀態(tài)。文獻(xiàn)[14]表明,CA 砂漿材料強(qiáng)度在飽和濕度短期影響下可降低16%,而6 輪干濕循環(huán)可使折壓比下降24.4%,脆性也大為增加。離縫積水侵蝕下,CA 砂漿層力學(xué)性能逐漸衰減,加速層間離縫的發(fā)展,影響高速鐵路的行車安全性與舒適性。

        4 結(jié)論

        1)基于穩(wěn)態(tài)濕度分析,基床濕度沿深度方向呈指數(shù)分布。

        2)大氣濕度的日波動(dòng)特性對(duì)無(wú)砟軌道表層濕度的主要影響深度約為10 mm,該波動(dòng)特性在軌道內(nèi)經(jīng)過(guò)兩級(jí)衰減后消失。

        3)軌道板內(nèi)早期濕度場(chǎng)大致可分為表層大氣干燥主控區(qū)和內(nèi)部水化自干燥主控區(qū),其中水化自干燥主控區(qū)范圍在養(yǎng)護(hù)至60 d時(shí)縮減至30%。

        4)CA 砂漿層早期濕度變化受濕度擴(kuò)展主導(dǎo),養(yǎng)護(hù)28 d后CA砂漿層濕度基本在70.0%~72.4%。

        5)CA 砂漿層下界面單離縫積水時(shí),濕度沿砂漿層厚度分布將由線性逐漸向三次多項(xiàng)式轉(zhuǎn)變,且平均濕度在浸泡7 d 后的增幅為29.1%;上下雙離縫積水時(shí),砂漿層濕度在浸泡5 d后可達(dá)100%的飽和狀態(tài)。

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