任娟娟, 張書義, 許雪山, 杜俊宏, 杜威

（1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

0 引言

速追求、從空間上向寒區(qū)環(huán)境邁進(jìn), 多維作用下其長(zhǎng)期服役能力更應(yīng)得到精準(zhǔn)把控[1］。我國(guó)寒區(qū)面積約占陸地國(guó)土面積的43%[2］, 寒區(qū)具體是指我國(guó)最冷月平均溫度≤0℃, 日平均氣溫≤5℃的天數(shù)≥90 d的地區(qū)[3］。目前已投入運(yùn)營(yíng)的寒區(qū)鐵路線路總里程已超過(guò)7 000 km, 包括哈大、哈齊、沈丹、蘭新、寶蘭等多條高速鐵路線路。隨著我國(guó)川藏鐵路項(xiàng)目[4］的積極推進(jìn), 新建高速鐵路不斷向甘肅、內(nèi)蒙、東北等寒冷省份/地區(qū)延伸, 寒區(qū)無(wú)砟軌道在高頻強(qiáng)振的列車荷載和寒區(qū)復(fù)雜環(huán)境耦合作用下, 結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役壽命受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此, 科學(xué)揭示寒區(qū)無(wú)砟軌道在列車荷載

高速鐵路作為重大交通工程的重要組成部分, 正逐步從大規(guī)模建造轉(zhuǎn)向穩(wěn)定運(yùn)營(yíng), 截至2021年底, 我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)km。其中, 無(wú)砟軌道作為直接支承高速列車運(yùn)行的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu), 從功能上向高與環(huán)境作用耦合下的服役性能演化規(guī)律, 進(jìn)而針對(duì)新建、在役無(wú)砟軌道提出相應(yīng)的服役性能提升技術(shù), 成為有效保障寒區(qū)無(wú)砟軌道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

針對(duì)寒區(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道, 從典型環(huán)境作用特征、服役性能演化與提升技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)論述, 同時(shí)指出相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)及需要重點(diǎn)關(guān)注的核心科學(xué)問(wèn)題, 為提升我國(guó)寒區(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能提供參考。

1 典型環(huán)境作用特征

寒區(qū)無(wú)砟軌道普遍面臨年平均氣溫低、晝夜溫差大、冬季雨雪多、反復(fù)凍融等極端條件[5］, 如何準(zhǔn)確、量化描述無(wú)砟軌道承受的溫度荷載、路基凍脹及凍融循環(huán)等典型環(huán)境作用特征是探究寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能演化與提升技術(shù)的前提。

1.1 寒區(qū)無(wú)砟軌道溫度荷載作用特征

對(duì)于溫度荷載, 寒區(qū)年溫差大, 無(wú)砟軌道承受的較大整體溫度荷載致使軌道板發(fā)生整體伸縮, 產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力；在遮蔽物遮擋效應(yīng)作用下引起縱向溫度場(chǎng)致軌道板脹縮；晝夜溫差大會(huì)導(dǎo)致無(wú)砟軌道產(chǎn)生較大的溫度梯度, 溫度場(chǎng)引起無(wú)砟軌道板翹曲變形（見圖1）?；诠蟾咚勹F路部分區(qū)段溫度場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)[6］、達(dá)坂城地區(qū)無(wú)砟軌道試驗(yàn)段長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)[7］的統(tǒng)計(jì)分析, 無(wú)砟軌道溫度和近地表氣溫呈現(xiàn)以日和年為周期的變化特征, 無(wú)砟軌道日溫度梯度變化幅值近似與氣溫變化幅值成正比。為進(jìn)一步明晰極端天氣條件下無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度場(chǎng)分布特征, 基于熱傳導(dǎo)基本原理與無(wú)砟軌道瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模型分析驗(yàn)證[8-9］, 軌道板溫度場(chǎng)隨時(shí)間、空間非線性周期性變化, 且內(nèi)部溫度場(chǎng)變化滯后于大氣溫度變化, 隨距離道床板頂面深度的增加, 溫度變化幅值逐漸減小, 道床板內(nèi)不同深度處溫度隨時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)見圖2；夏、冬季極端天氣下溫度梯度方向相反, 數(shù)值也存在較大差異。

圖1 溫度場(chǎng)引起無(wú)砟軌道板翹曲變形[10］

圖2 道床板內(nèi)不同深度處溫度隨時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)[11］

1.2 寒區(qū)無(wú)砟軌道路基凍脹作用特征

對(duì)于路基凍脹, 由于寒區(qū)氣候、工程和水文地質(zhì)條件在時(shí)間和地域上存在較大差異導(dǎo)致軌道路基結(jié)構(gòu)凍脹具有隨機(jī)性和不確定性[12］, 盡管針對(duì)路基凍脹采取了非凍脹或弱凍脹路基填料以及其他防凍脹措施, 我國(guó)寒區(qū)高速鐵路路基凍脹變形依然普遍存在[13］。路基凍脹是一個(gè)緩慢積累和發(fā)展的過(guò)程, 整個(gè)凍脹過(guò)程按照凍脹量變化基本可劃分為初始波動(dòng)、快速發(fā)展、穩(wěn)定凍脹以及融化回落4個(gè)階段[14-15］, 典型路基斷面凍脹發(fā)展過(guò)程見圖3, 不同時(shí)期、不同運(yùn)營(yíng)線路的凍脹量及其增速有所不同。為確保無(wú)砟軌道整個(gè)服役過(guò)程中線路運(yùn)營(yíng)安全, 相繼開展了一系列現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作以研究無(wú)砟軌道路基凍脹變形特點(diǎn)、凍脹量和分布特征[16-17］。同時(shí), 依托哈大高速鐵路路基凍脹長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[18］以及典型路段凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[19］, 分析各層凍脹量的分布變化特征, 得出凍脹的主要部位為基床表層。

圖3 典型路基斷面凍脹發(fā)展過(guò)程[19］

1.3 寒區(qū)無(wú)砟軌道凍融循環(huán)作用特征

對(duì)于凍融循環(huán)作用, 寒區(qū)秋冬交替、春融時(shí)溫度幅值快速變化, 導(dǎo)致無(wú)砟軌道隨溫度變化發(fā)生凍融現(xiàn)象?；炷羶鋈谑遣牧蟽?nèi)部加載、卸載循環(huán)作用, 導(dǎo)致混凝土韌度和斷裂性能降低, 當(dāng)材料力學(xué)性能退化到一定程度發(fā)生破壞[20］。對(duì)于我國(guó)北方季節(jié)性冰凍區(qū), 1年內(nèi)會(huì)經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用[21］。其中既包括短期高頻率凍融循環(huán), 也包括1年乃至數(shù)年內(nèi)的凍融大循環(huán)。通過(guò)對(duì)我國(guó)北方受凍地區(qū)的混凝土凍融現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè), 得到1年內(nèi)的天然凍融循環(huán)次數(shù), 同時(shí)按照混凝土部件抗凍等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)凍融試驗(yàn), 基于設(shè)計(jì)耐久年限得到天然凍融循環(huán)次數(shù)與室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)的等價(jià)關(guān)系[22-23］。我國(guó)三北地區(qū)凍融循環(huán)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1, 借助數(shù)學(xué)回歸模型以及室內(nèi)凍融與自然凍融間的損傷關(guān)系, 參考表1中三北地區(qū)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)[24］, 分析和預(yù)測(cè)不同地區(qū)混凝土受凍服役壽命。混凝土室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)主要通過(guò)控制凍融循環(huán)時(shí)間、凍融溫度和凍結(jié)/融化速率等相關(guān)參數(shù), 設(shè)置特定的試驗(yàn)條件對(duì)混凝土試件進(jìn)行反復(fù)凍結(jié)和融化, 從而模擬寒區(qū)混凝土在凍融環(huán)境影響下產(chǎn)生的損傷破壞情況[25］。現(xiàn)有對(duì)凍融循環(huán)的研究大多采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)[26-27］, 凍融次數(shù)根據(jù)各自試驗(yàn)?zāi)康拇_定。

表1 我國(guó)三北地區(qū)凍融循環(huán)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)有研究人員對(duì)寒區(qū)無(wú)砟軌道環(huán)境作用特征的研究多基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、有限元模擬等手段, 采用理論分析及試驗(yàn)研究等方法獲得寒區(qū)各種環(huán)境作用特征。但現(xiàn)有研究并未充分考慮寒區(qū)環(huán)境作用影響因素, 如無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)研究欠缺對(duì)降雪量、降雪深度、蒸發(fā)量等影響因素的考慮, 只是在考慮氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等部分影響因素的基礎(chǔ)上對(duì)寒區(qū)環(huán)境作用規(guī)律進(jìn)行分析。故有必要通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段分析多影響因素作用下寒區(qū)環(huán)境作用的特性, 并提出更科學(xué)、合理的統(tǒng)計(jì)分析方法, 進(jìn)一步揭示寒區(qū)無(wú)砟軌道典型環(huán)境作用特征及分布規(guī)律。

2 服役性能演化

寒區(qū)無(wú)砟軌道在服役過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)病害, 導(dǎo)致無(wú)砟軌道逐漸損傷退化、耐久性下降。為此, 探索寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能演化規(guī)律, 合理揭示結(jié)構(gòu)劣化過(guò)程, 量化并預(yù)測(cè)服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)的耐久性能, 對(duì)深化研究結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)方法, 提出服役期內(nèi)的維修建議具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 凍融循環(huán)作用下寒區(qū)無(wú)砟軌道損傷演化

凍融循環(huán)作用是寒區(qū)無(wú)砟軌道混凝土損傷失效的主要誘因之一, 針對(duì)凍融循環(huán)下無(wú)砟軌道混凝土損傷研究已取得了一些成果：在損傷機(jī)理方面, 研究人員基于熱力學(xué)原理建立了水-熱-力耦合多孔介質(zhì)力學(xué)物理表達(dá)式, 并用于凍融過(guò)程結(jié)構(gòu)受力的數(shù)值計(jì)算[28］；采用毛細(xì)孔內(nèi)冰-水壓力關(guān)系, 分析混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及孔內(nèi)壓力場(chǎng)的分布規(guī)律[29］；研究?jī)鼋Y(jié)速率及氣孔內(nèi)壓力邊界條件對(duì)混凝土材料變形的影響, 揭示凍融循環(huán)過(guò)程中過(guò)冷度造成的混凝土性能劣化及氣孔內(nèi)負(fù)壓力造成的混凝土凍縮[30］。但這些研究均未考慮凍融過(guò)程中混凝土的損傷行為, 無(wú)法完整表述凍融循環(huán)過(guò)程中的水-熱-力耦合及損傷演化規(guī)律。在混凝土損傷特性方面, 主要集中在凍融作用下其宏觀物理、力學(xué)性能的劣化規(guī)律[31-32］, 以及借助CT掃描技術(shù)探究?jī)?nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布特征[25, 33］, 并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了受凍混凝土的損傷本構(gòu)模型[26, 34］, 但仍缺乏凍融循環(huán)作用對(duì)無(wú)砟軌道靜動(dòng)力學(xué)性能以及損傷機(jī)理的影響研究。

（1）動(dòng)荷載與凍融環(huán)境共同作用是無(wú)砟軌道混凝土致?lián)p的根本原因[35］。研究人員從力學(xué)唯象的角度出發(fā), 以塑性應(yīng)變表征凍融損傷, 并考察多次交互作用下材料的性能變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)疲勞過(guò)程與凍融循環(huán)過(guò)程引起的微裂紋不同[36-37］；另外, 也有研究人員通過(guò)開展疲勞荷載與凍融循環(huán)交互試驗(yàn)研究混凝土損傷演化規(guī)律[38-40］, 從經(jīng)典的Aas-Jakobsen疲勞公式出發(fā)建立考慮疲勞效應(yīng)的凍融損傷模型[41］, 從受疲勞荷載與凍融循環(huán)作用后混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)著手, 分析混凝土受荷載歷史對(duì)其動(dòng)態(tài)本構(gòu)行為的影響規(guī)律[42］。然而, 現(xiàn)有對(duì)混凝土疲勞性能試驗(yàn)研究的荷載與無(wú)砟軌道列車荷載的荷載特征值有較大差別, 列車荷載的頻率分布范圍相對(duì)較廣, 以上研究成果并不具有普適性。

（2）在無(wú)砟軌道領(lǐng)域, 列車荷載與凍融循環(huán)共同作用下無(wú)砟軌道將產(chǎn)生高、低周復(fù)合疲勞損傷, 內(nèi)部微缺陷產(chǎn)生并不斷發(fā)展, 導(dǎo)致混凝土宏觀力學(xué)效應(yīng)變化, 但兩者損傷機(jī)理存在差異。而現(xiàn)有研究并未充分考慮凍融環(huán)境下無(wú)砟軌道混凝土的本構(gòu)關(guān)系變化、荷載條件以及高、低周共存問(wèn)題。研究表明, 疊加的高周載荷作用會(huì)降低材料的低周疲勞壽命[43］, 混凝土在這種高、低周荷載交互作用下的損傷機(jī)制還不明確, 在列車荷載與凍融循環(huán)耦合作用致?lián)p條件下, 如何將列車荷載與凍融循環(huán)造成的損傷演化效應(yīng)相互等效傳遞是研究無(wú)砟軌道混凝土復(fù)合疲勞損傷演化機(jī)制的核心。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法研究高速列車激勵(lì)與凍融循環(huán)作用特性；根據(jù)微塑性、多場(chǎng)耦合等理論, 明晰無(wú)砟軌道混凝土復(fù)合損傷過(guò)程, 可為揭示寒區(qū)無(wú)砟軌道混凝土損傷演化機(jī)理、掌握混凝土復(fù)合損傷傳遞機(jī)制提供方向。

2.2 路基凍脹作用下寒區(qū)無(wú)砟軌道損傷演化

路基凍脹變形是寒區(qū)無(wú)砟軌道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理中亟待解決的重大工程問(wèn)題。一方面, 路基局部變形會(huì)引起軌道高低不平順；另一方面引起軌道板、底座板出現(xiàn)離縫, 加速無(wú)砟軌道損傷。路基凍脹變形對(duì)無(wú)砟軌道的影響見圖4。

圖4 路基凍脹變形對(duì)無(wú)砟軌道的影響[56］

（1）研究人員針對(duì)無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)的凍脹規(guī)律與機(jī)理[44-45］、傷損特征[14, 46］、工程措施[47-48］等進(jìn)行大量研究工作, 開展路基凍脹對(duì)無(wú)砟軌道性能的影響研究, 旨在探究路基凍脹作用下無(wú)砟軌道的損傷演化規(guī)律, 為路基凍脹變形控制提供理論支撐。例如：研究人員通過(guò)建立高速鐵路無(wú)砟軌道-路基凍脹耦合計(jì)算模型, 根據(jù)路基凍脹變形時(shí)的不同凍脹波長(zhǎng)、凍脹幅值以及凍脹位置, 分析無(wú)砟軌道各部件的垂向位移變形[49-50］、拉應(yīng)力變化規(guī)律[51-52］以及對(duì)軌道不平順的影響[53］；探討凍脹位置和不同凍脹條件下底座板的離縫特征[54］, 并利用內(nèi)聚力模型分析層間黏結(jié)強(qiáng)度及底座板剛度對(duì)層間離縫演化發(fā)展的影響[55］。

（2）路基凍脹區(qū)處于溫度低、溫差大的嚴(yán)寒地區(qū), 無(wú)砟軌道在復(fù)雜溫度荷載條件下會(huì)產(chǎn)生不同程度的翹曲變形, 相關(guān)人員研究整體溫度荷載、溫度梯度荷載與凍脹共同作用時(shí)對(duì)層間離縫高度的影響[56］?；谲囕v-無(wú)砟軌道-路基凍脹耦合靜動(dòng)力學(xué)模型, 在考慮列車荷載作用下, 分析不同凍脹變形條件對(duì)行車安全性及舒適性的影響規(guī)律以及軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性[57-60］；揭示低溫與列車荷載耦合下不同凍脹條件對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形和強(qiáng)度的影響規(guī)律[61］, 提出路基不均勻凍脹變形管理限值[50, 52, 62-63］。

以上研究人員通過(guò)凍脹傷損調(diào)研和數(shù)值模擬進(jìn)行路基凍脹對(duì)無(wú)砟軌道傷損影響分析, 開展大量路基凍脹機(jī)理和控制措施研究, 但是針對(duì)路基凍脹時(shí)無(wú)砟軌道多層結(jié)構(gòu)變形自適應(yīng)的相關(guān)研究還相對(duì)較少, 特別是針對(duì)過(guò)渡段、曲線以及道岔區(qū)等特殊區(qū)段路基凍脹特征變化與軌道不平順、無(wú)砟軌道多層結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制和車輛、無(wú)砟軌道靜動(dòng)力響應(yīng)映射關(guān)系等相對(duì)匱乏, 對(duì)無(wú)砟軌道路基凍脹變形控制和凍害處置尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此, 結(jié)合實(shí)測(cè)路基凍脹結(jié)果, 綜合考慮特殊區(qū)段路基凍脹時(shí)軌道系統(tǒng)變形協(xié)調(diào)映射關(guān)系的理論分析, 關(guān)注車輛高速通過(guò)連續(xù)多波凍脹區(qū)段時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)疲勞、傷損等方面的影響, 仍是寒區(qū)無(wú)砟軌道研究的重點(diǎn)。

2.3 寒區(qū)無(wú)砟軌道耐久性研究及壽命預(yù)測(cè)

混凝土作為無(wú)砟軌道不可或缺的工程材料, 其耐久性是服役環(huán)境下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)壽命的保障。然而, 由于現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尚未充分考慮荷載、環(huán)境及結(jié)構(gòu)抗力等的統(tǒng)計(jì)分布特性, 無(wú)砟軌道在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)前提下仍出現(xiàn)了不同程度的傷損病害, 特別是寒區(qū)無(wú)砟軌道在列車高頻荷載、凍融、碳化及侵蝕離子等作用下, 材料性能不斷劣化, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷累積、耐久性下降, 最終影響結(jié)構(gòu)的使用功能與安全可靠性能。因此對(duì)寒區(qū)無(wú)砟軌道混凝土耐久性及其壽命預(yù)測(cè)研究非常必要。

（1）在混凝土耐久性研究理論方面, 主要包括2類：一是以傳輸性表征的耐久性顯著降低, 主要集中于對(duì)力、化學(xué)、物理因素耦合作用下傳輸方程的建立[64-65］；二是力、化學(xué)、物理因素耦合作用下導(dǎo)致材料質(zhì)變或結(jié)構(gòu)失效[66］, 主要集中于功能函數(shù)搭建與失效準(zhǔn)則健全。研究人員通過(guò)對(duì)極端氣候、循環(huán)溫度荷載、氯離子侵蝕等環(huán)境因素進(jìn)行室內(nèi)模擬, 詮釋無(wú)砟軌道在重復(fù)溫度荷載下層間損傷的萌生與發(fā)展等[9］, 分析高海拔、大溫差自然環(huán)境下混凝土裂紋產(chǎn)生的原因[67］, 明確無(wú)砟軌道水泥基材料碳化性能及其微觀機(jī)理[68］, 獲得混凝土中氯離子的傳輸規(guī)律[69］, 為軌道結(jié)構(gòu)的耐久性研究積累了一定的理論與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

（2）在混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)方面, 對(duì)于列車荷載作用, 研究人員基于輪軌系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)原理建立的板式無(wú)砟軌道有限元模型, 以P-M疲勞累計(jì)傷損準(zhǔn)則[70］、非線性疲勞累計(jì)理論[71］、損傷有限元全耦合法[72］為基礎(chǔ), 分析CA砂漿在列車荷載作用下的疲勞壽命, 此外采用S-N曲線分析方法預(yù)測(cè)客貨車荷載作用下軌道板的疲勞壽命[73］。對(duì)于凍融循環(huán)作用, 研究人員基于質(zhì)量衰減模型[74］、強(qiáng)度衰減模型[75］、能量耗散模型[76］、超聲波聲速變化規(guī)律模型[77］、相對(duì)動(dòng)彈性模量衰減模型[78］、應(yīng)變變化規(guī)律模型[79］等, 利用凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù), 擬合出選定的凍融破壞指標(biāo)極限值, 依據(jù)室內(nèi)外凍融循環(huán)次數(shù)之間的等效關(guān)系[80］對(duì)凍融循環(huán)作用下的混凝土耐久性壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于碳化作用, 基于無(wú)損檢測(cè)獲得碳化環(huán)境下的耐久性指標(biāo), 建立碳化深度預(yù)測(cè)模型、鋼筋銹蝕模型[81］, 并基于檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的分布參數(shù)、權(quán)重進(jìn)行耐久性失效概率更新[82］, 對(duì)混凝土在碳化作用下的耐久性壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)。

近年來(lái), 針對(duì)材料耐久性研究發(fā)現(xiàn)多因素條件下結(jié)構(gòu)的服役性能較單一因素復(fù)雜, 無(wú)砟軌道長(zhǎng)期受列車荷載與環(huán)境因素的疊加作用, 外部荷載作用引起材料微結(jié)構(gòu)或滲透性變化, 與凍融循環(huán)、侵蝕離子擴(kuò)散遷移等耦合影響致使結(jié)構(gòu)耐久性研究和壽命預(yù)測(cè)十分困難。部分研究人員提出凍融循環(huán)與外部彎曲應(yīng)力、鹽溶液侵蝕作用[83］、疲勞荷載與凍融循環(huán)[84］、疲勞荷載與碳化作用[85］等耦合作用下的混凝土耐久性研究和壽命預(yù)測(cè)。由于上述試驗(yàn)荷載大多與我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道混凝土實(shí)際承受的高頻低幅荷載（頻率接近40 Hz、應(yīng)力水平一般低于0.5）相差較大, 導(dǎo)致研究成果無(wú)法完全適用于無(wú)砟軌道的耐久性分析, 但研究思路和試驗(yàn)手段值得借鑒?？紤]到現(xiàn)階段光學(xué)測(cè)量、CT掃描技術(shù)正在大力發(fā)展, 使進(jìn)一步把握材料在多因素條件下的內(nèi)部微觀演變過(guò)程和宏觀屬性演化映射機(jī)制成為可能, 這無(wú)疑為揭示和完善無(wú)砟軌道耐久性預(yù)測(cè)提供了方便。

3 服役性能提升技術(shù)

保證高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能良好是列車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性的基礎(chǔ), 是養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而, 我國(guó)寒區(qū)無(wú)砟軌道在列車動(dòng)荷載和復(fù)雜服役環(huán)境下更易出現(xiàn)不同程度的傷損, 直接影響無(wú)砟軌道服役期間的安全性、穩(wěn)定性以及耐久性。因此, 為使寒區(qū)無(wú)砟軌道在預(yù)定的使用年限和適當(dāng)?shù)姆乐尉S修措施下, 具有長(zhǎng)期抵御結(jié)構(gòu)服役性能衰變的能力, 亟待對(duì)寒區(qū)新建、在役無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)進(jìn)行深入研究。

3.1 寒區(qū)新建無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)

寒區(qū)高速鐵路對(duì)無(wú)砟軌道的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高要求, 而先進(jìn)和完善的新建無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)對(duì)保證線路長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。環(huán)境與動(dòng)載耦合重復(fù)作用下材料與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變是決定寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能的關(guān)鍵[86］, 因此, 牢牢把握無(wú)砟軌道材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2個(gè)核心要點(diǎn), 推動(dòng)無(wú)砟軌道材料改良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化是提升新建無(wú)砟軌道服役性能的關(guān)鍵。

（1）材料改良。采用硅酸鹽水泥加早期強(qiáng)度礦物摻合料的膠凝材料代替超細(xì)水泥[87］, 提高軌道板混凝土的早期強(qiáng)度、減小收縮變形；采用“三低兩高”抗裂混凝土制備技術(shù)[87］, 減小現(xiàn)澆混凝土塑性收縮和干燥收縮。對(duì)于CA砂漿[88］, 結(jié)合溫度、濕度及施工條件優(yōu)化理論配合比, 從水泥種類、砂的質(zhì)量以及外加劑方面提高其綜合性能。寒區(qū)CA砂漿需要具備一定的早期強(qiáng)度、低溫抗裂性、耐腐蝕性、抗疲勞性、穩(wěn)定性和流動(dòng)性。在CA砂漿組成體系、關(guān)鍵材料組分的優(yōu)化改良方面[89］：聚合物改性瀝青技術(shù)[90］、水泥-瀝青復(fù)合膠凝技術(shù)[91］、砂漿體積穩(wěn)定技術(shù)[92］、纖維增韌[93］技術(shù)的推廣應(yīng)用大幅提升了CA砂漿在低溫環(huán)境下的服役性能。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。單元式軌道結(jié)構(gòu)[94］應(yīng)用有效降低了混凝土收縮變形量；在單層配筋基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)的雙層配筋, 將裂縫寬度從0.5 mm減小至0.2 mm[87］。軌道板與自密實(shí)混凝土協(xié)同受力的CRTSⅢ板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式, 有效減少服役期間的離縫和破損等病害；預(yù)應(yīng)力軌道板通過(guò)預(yù)拱度的設(shè)置防止溫度梯度引起的軌道板翹曲[95］, 采用自動(dòng)溫控系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)蒸汽養(yǎng)護(hù)減少軌道板表面初期裂紋[96］。寒區(qū)無(wú)砟軌道外置材料應(yīng)用是較重要的性能提升措施：采用以氟硅高分子樹脂為基料的反射隔熱涂料[97］能降低道床板溫度梯度, 減小溫度應(yīng)力和翹曲變形；鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫板（PU）和聚苯乙烯擠塑板（XPS）[98］, 碎石道砟保溫層[3］隔熱防凍；采用新型防水材料, 減小凍融作用和凍害的影響, 從而有效控制由溫度引起的軌道結(jié)構(gòu)變形。

目前, 在寒區(qū)無(wú)砟軌道材料方面, 混凝土的防水、抗凍、抗裂及耐腐蝕等性能存在不足, 難以滿足惡劣環(huán)境下的服役性能要求；在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面, 專門針對(duì)寒區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法形式比較單一, 普適性欠缺。在借鑒和消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的寒區(qū)新建無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段的技術(shù)水平和服役環(huán)境, 提出更適合寒區(qū)無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化體系、不斷研發(fā)高效環(huán)保的新材料, 以預(yù)防凍害及凍融循環(huán)的損害, 進(jìn)而提升無(wú)砟軌道的服役性能。

3.2 寒區(qū)在役無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)

高速鐵路要求無(wú)砟軌道具有高平順性、高穩(wěn)定性和耐久性, 而哈大[99］、哈齊[100］、哈牡、盤營(yíng)[101］以及沈丹[102］高速鐵路軌道, 作為典型的寒區(qū)無(wú)砟軌道, 在服役期間產(chǎn)生了不同程度的傷損病害。因此, 完備、先進(jìn)的在役無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)是保障高鐵安全、舒適運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展, 我國(guó)在無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修方面積累了一定經(jīng)驗(yàn), 但寒區(qū)無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。研究人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析及有限元模擬仿真, 針對(duì)軌道板表面裂紋[103］及破損[99］、封錨端裂縫[104］或脫落、軌道上拱[105］、填充層碎裂掉塊、層間離縫脫空[106］；底座板裂縫、粉化、破損[62, 107］；板間接縫開裂[108］；軌枕松動(dòng)[109］；路基凍脹[110］等病害進(jìn)行維修過(guò)程力學(xué)機(jī)理探究, 給維修技術(shù)提供了理論支撐和新的維修思路。此外, 部分研究人員對(duì)軌道進(jìn)行損傷等級(jí)劃分[111］, 以期選用相適應(yīng)的修補(bǔ)材料和維修措施, 在考慮維修材料環(huán)境適應(yīng)性及耐久性的基礎(chǔ)上, 針對(duì)性提出：樹脂浸潤(rùn)技術(shù)、低壓注漿技術(shù)、環(huán)氧樹脂灌注修補(bǔ)技術(shù)[112］、低黏度樹脂離縫維修[108］技術(shù)等, 抑制軌道結(jié)構(gòu)病害進(jìn)一步發(fā)展。我國(guó)在借鑒國(guó)外無(wú)砟軌道維修技術(shù)的基礎(chǔ)上, 提出應(yīng)用于關(guān)鍵位置維修的有機(jī)材料, 例如：丙烯酸樹脂[113］、聚氨酯樹脂[114］、乙烯基樹脂[115］、環(huán)氧樹脂[116］等。溫度作用是寒區(qū)無(wú)砟軌道維修面臨的一個(gè)挑戰(zhàn), 不僅要提升材料的溫度穩(wěn)定性以保障維修效果, 更要加強(qiáng)路基凍脹病害維修, 防止加劇次生病害。為此, 防排水技術(shù)[117］、凍害順坡墊板技術(shù)[110］、路基地段線路糾偏技術(shù)[118］（見圖5）、路基變形微變形擾動(dòng)整治技術(shù)[119］等維修技術(shù)也被廣泛推廣應(yīng)用。

圖5 路基地段線路糾偏技術(shù)[118］

我國(guó)目前已掌握的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)為寒區(qū)在役無(wú)砟軌道服役性能提升提供了一定的技術(shù)支撐, 但我國(guó)寒區(qū)無(wú)砟軌道的建設(shè)和維修時(shí)間還較短, 對(duì)于維修技術(shù)的理論研究還不夠完善, 還需深入研究以提高技術(shù)水平。此外, 高速鐵路嚴(yán)格執(zhí)行天窗修制度, 現(xiàn)有的維修技術(shù)工作量、維修頻次、維修效果及管理模式無(wú)法滿足要求, 維修材料的環(huán)境溫度適應(yīng)性、耐久性不夠, 軌道結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)認(rèn)知不夠充分。因此, 在已有維修標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上, 通過(guò)觀測(cè)建立寒區(qū)無(wú)砟軌道傷損數(shù)據(jù)庫(kù), 為后續(xù)無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持與指導(dǎo), 進(jìn)一步研發(fā)抗凍性、耐久性高的新材料及自動(dòng)化、集成化和智能化水平較高的維修設(shè)備與技術(shù), 以保證寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能提升。

4 建議

（1）在寒區(qū)無(wú)砟軌道典型環(huán)境作用特征方面, 基于試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法得到多影響因素下的寒區(qū)環(huán)境作用特性, 完善無(wú)砟軌道荷載作用特征。

（2）在寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能演化方面, 環(huán)境與列車高頻強(qiáng)振荷載的耦合作用是無(wú)砟軌道服役性能劣化的主要原因, 因此通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬明確耦合作用下的疲勞損傷演化機(jī)制, 探究特殊區(qū)段地基凍脹對(duì)軌道系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)及車輛靜動(dòng)力響應(yīng)映射關(guān)系, 揭示和完善無(wú)砟軌道耐久性預(yù)測(cè), 仍是未來(lái)精準(zhǔn)把控寒區(qū)無(wú)砟軌道服役過(guò)程、實(shí)現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修的核心基礎(chǔ)。

（3）在寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能提升技術(shù)方面, 在借鑒和消化現(xiàn)有無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 踐行全生命周期管理理念, 針對(duì)不同時(shí)期（新建、在役）的寒區(qū)無(wú)砟軌道, 從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)等方面不斷創(chuàng)新, 開發(fā)集自動(dòng)化、信息化、智能化于一體的新技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以寒區(qū)無(wú)砟軌道為研究對(duì)象, 從環(huán)境作用特征、服役性能演化與提升技術(shù)3個(gè)層次出發(fā), 著重討論現(xiàn)階段寒區(qū)無(wú)砟軌道服役性能演化與提升技術(shù)的工作進(jìn)展及不足之處, 對(duì)如何進(jìn)一步提升寒區(qū)無(wú)砟軌道長(zhǎng)期服役性能提出了一些建議與設(shè)想, 為提升寒區(qū)無(wú)砟軌道的服役性能、確保寒區(qū)高速鐵路長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)提供保障。