双块式无砟轨道轨枕脱空处水的特性研究

张凌之，徐 坤，杨荣山

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

无砟轨道具有良好的结构连续性、平顺性、恒定性、稳定性、耐久性和少维修性能，其工务养护、维修设施较少，免除了高速条件下有砟轨道的道砟飞溅，有利于适应地形选线，减少线路的工程投资等特点，成为高速铁路轨道结构发展的主要形式［1］。双块式无砟轨道作为我国无砟轨道结构形式之一，随着大量客运专线的建设，得到了越来越广泛的应用。虽然双块式无砟轨道整体受力性能较好，但是处于新老混凝土粘结面的轨枕块和道床板处对外界荷载较为敏感，混凝土道床板上的裂纹极易从此处发展［2-5］，尤其在降雨量较多的地区，新老混凝土粘结面处受水影响破坏严重，破坏形式主要表现为轨枕周边开裂松动，即轨枕周边现浇混凝土碎裂、掉块，混凝土轨枕周边冒白浆。轨枕周边开裂松动如图1所示，轨枕松动会严重影响结构的整体性，使道床板迅速破坏，形成轨枕空吊，轨枕松动导致相邻轨枕承受附加荷载冲击，这样会使轨枕松动现象继续发展，影响轨道结构耐久性，行车平稳性和安全性［6-9］。因此，开展列车荷载与水耦合作用下的双块式无砟轨道轨枕松动研究，探明动水压力作用下双块式无砟轨道轨枕脱空机理具有重要意义。

通过计算流体力学软件ANSYSCFX［10-11］，建立了轨枕－水－道床板流固耦合动力学模型，总结了轨枕脱空下水体的压强和流速物理量的变化趋势，以期为完善无砟轨道设计理论，合理制定无砟轨道养护维修方法，延长使用寿命提供理论依据。

图1 轨枕松动现场调研图片

1 计算模型及参数

主要考虑竖向的轮载作用力而不考虑水平和纵向的作用力，双块式无砟轨道实际受力是从上向下依次传递的，钢轨与车轮直接接触，它将直接承受列车荷载的冲击动力作用。在轮轨力的作用下，钢轨将产生变形，通过扣件系统将力传递给混凝土轨枕块并传递到道床板，道床板进一步将力分散到支撑层、路基或者底座［12］。假设某根轨枕出现了脱空松动的现象，而周边其余轨枕均正常工作，其竖向受力简化如图2所示，由于只考虑轨枕松动的情况下部结构没有过多考虑直接加全约束。

图2 双块式轨道结构受力简化示意

为了方便研究轨枕脱空处水的一般作用特性，根据现场调研的情况选取列车速度为300 km/h，脱空高度为3 mm，脱空长度0.5 m，四周裂缝宽度3 mm的情况，分析在此条件下水的压强、流速特性。在运用ANSYSCFX建立轨枕－水－道床板流固耦合动力学计算模型时［6，7］，主要遵循以下基本原则。

(1)由于主要分析水的动力特性，不考虑车辆模型，采用简化列车荷载。为了研究方便，减少模型计算时间，采用轮载作用4次进行计算，假设在轨枕脱空前后荷载没有变化。

(2)根据问题的需要及计算方便，采用分层建模思想，不考虑钢轨，支撑层，路基。根据轨枕受力来建立轨枕－水－道床板流固耦合动力学计算模型，自上往下依次为轨枕，水，道床板。

(3)裂缝简化为规则的形状，脱空及裂缝中水体填充，并假设脱空及裂缝中填满水体。

(4)采用实体模型，根据对称性和分析的主要问题，采用局部模型。为了消除边界条件的影响，模型选取3根轨枕，分析中间轨枕周边裂缝及脱空满水的情况。

基于上面的基本原则，建立的计算模型如图3所示。

图3 有限元模型

采用双块式无砟轨道结构来模拟计算，模型中的双块式无砟轨道结构具体参数如表1所示。由于模型主要分析轨枕与道床板交界面的水伤损情况，主要考虑轨枕、道床板及以上结构在列车荷载作用下，双块式无砟轨道轨枕脱空伤损情况下水的动力性能，故本模型仅仅建到道床板，道床板底部采用全约束。轨枕、扣件、道床板的尺寸和参数见表1。

表1 双块式轨道的尺寸、参数

为了得到最大轮轨力Pm，应用列车－轨道系统动力学仿真模型，采用德国不平顺谱，列车采用CRH2。为了研究问题的方便，减少计算时间和节约计算空间，根据实际荷载的形式，采用简化的冲击荷载，不同列车车速条件下轨枕受力最大值和作用时间如表2所示。此问题采用瞬态分析，时间步长取0.002 s。

表2 不同车速最大轨枕作用力及作用时间

2 轨枕脱空处水的作用特性计算分析

模型中水体有周边水和下部水两部分，考虑研究的主要因素和目的，主要是研究脱空下水体的作用特性情况，而并未对周边水进行研究分析。为了建模计算得到轨枕脱空下水流的动力特性，即计算水体中某点的压强和流速物理量的数值大小和变化趋势，研究轨枕脱空处水流的作用特性。本模型中设置了沿轨枕纵向、横向共18个监测点，来研究水流压强、流速的纵横向变化规律。对于设置的监测点，它能够记录任意时刻下该点的物理量，它可以用于输出压力、速度等物理量的时程曲线，监测点的分布示意如图4所示。

图4 监测点示意

2.1 单个点水的一般作用特性研究

为了分析水流的作用特性，选取2号点计算其压强、流速，其压强、流速时程曲线如图5所示。

图5 点2的压强、流速时程曲线

由图5得知，在动态列车荷载的作用下，轨枕脱空处水的压强和流速均成波动变化，压强流速正负交替波动，并达到峰值，最大正压强为43.5 kPa，最大负压强为49.6 kPa。当列车荷载作用到脱空轨枕时，对轨枕施加了一个向下的瞬时压力，轨枕底的水产生了水流具有一定的压强和流速，并且逐渐达到峰值，而当列车荷载驶离脱空轨枕时，轨枕向上反弹，恢复到初始的未受力的状态，轨枕底出现负压力吸力，水流会被吸回轨枕脱空出，它们逐渐达到负向的最大值。轨枕长度方向(x坐标方向)的流速最大值达到0.263 m/s，宽度方向(z坐标方向)的流速最大为0.06 m/s，轨枕高度方向(y方向)最大流速为0.02 m/s。这说明在列车荷载施加的过程中，轨枕下脱空区水的流速沿轨枕长度方向的流速远大于轨枕宽度方向的流速，约是宽度方向的4倍;脱空区水的流速在轨枕宽度方向是其高度方向的3倍，由此可见在轨枕受竖向荷载作用时，沿轨枕高度方向的流速较小，基本可以不考虑其影响。所以对于枕下脱空区域的水体，可以考虑主要因素，主要研究水沿轨枕长度和宽度方向即xz平面流速变化情况，关于流速的研究是按照xz平面分析x和z两个方向的变化情况而进行的。为了分析表述的方便，本文的方向按图6中的规定来表述说明的。

2.2 水流场的作用特性分析

图6 枕下脱空区水体平面示意

为了研究水流场的压强，流速在脱空区内沿轨枕长度方向的变化(x方向，坐标系参见图6所示)，选取监测点号为1，2，3，4，5，6 的6 个点分析变化趋势。通过整理数据，可以得到各个点压强、流速的最大值，压强、流速的最大值沿轨枕长度方向(x方向)的变化如图7所示。

由图7可知，水流的压强沿轨枕长度方向(x方向)的变化是先增大，在5号监测点处达到最大值，最大约为82 kPa，后逐渐减小，这说明在轨枕脱空区远离出口靠近脱空后端的压强较大。同时轨枕长度方向的监测点的流速在脱空区内沿轨枕长度、宽度方向均在1号点最大，x方向最大流速约为1.8 m/s，z方向最大流速约为0.2 m/s，z方向流速呈递减的趋势，这说明在轨枕脱空区靠近脱空前端出口处的水流速度大一些。因为列车经过前，枕下静水可视为各处水量都是一样的，当列车经过时静水由高频列车荷载影响转变为动水向四周扩散，而轨枕同时下压在出口位置向下的位移最大，即出口处横截面积减小，出口处速度较大。

为了研究分析水流的压强，流速在脱空区内沿轨枕宽度方向的变化(z方向，坐标系参见图6所示)，选取监测点号为 6，16，17，18，12的6个点分析变化趋势。通过整理数据，可以得到各个点压强、流速的最大值，压强、流速基本量的最大值沿z方向的变化如图8所示。

图7 压强、流速的最大值沿轨枕长度方向(x方向)的变化

图8 压强、流速基本量的最大值沿z方向的变化

由图8可知，水流的压强沿轨枕宽度方向(z方向)的变化是逐渐递减的，在6号监测点处达到最大值，最大约为51 kPa，后逐渐减小，在12号监测点减小到约27 kPa，减小了24 kPa，6号点靠近脱空区后端中间而12号点靠近脱空区边端，这说明脱空区水流压强中间要比边端大。轨枕宽度方向的监测点流速在脱空区内沿轨枕长度有减少趋势，但变化不大，而宽度方向的流速具有明显的增大趋势，在6号点最小，约为 0.03 m/s，在 12号点最大流速约为0.63 m/s，增加了约为0.6 m/s。这说明靠脱空边端轨枕宽度方向上的流速较大，而轨枕中部的流速比端部的流速要小。

3 结论

通过计算流体力学软件ANSYS CFX，建立了轨枕－水－道床板流固耦合动力学模型，计算了轨枕脱空下水体的压强和流速物理量的数值大小，总结了其变化趋势。得出以下结论。

(1)轨枕脱空处水的压强和流速均成波动变化，压强、流速正负交替波动。轨枕下脱空区水的流速沿轨枕长度方向最大，故在轨枕受竖向荷载作用时，水对裂纹的深度影响较为严重。

(2)轨枕下脱空区水的流速沿轨枕长度方向和宽度方向的流速远大于轨枕高度方向的流速，在轨枕受竖向荷载作用时，沿轨枕高度方向的流速较小，基本可以不考虑其影响。

(3)在高频列车荷载作用下，轨枕下脱空区水由静水转变为动水，对道床板进行冲刷，导致道床板裂纹快速发展。尤其是脱空区中部，流速和压强较大，所以裂纹极易从此处发展。在降雨量较大的地区，应及时修补由于轨枕松动产生的裂纹，防止其受水影响，加速裂纹的发展。

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