 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 156-161 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.22027 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) Study on Characteristic of Flow for Non-Ballasted Track Crack under the High Speed Railway Action* Guihong Xu, Xueyi Liu, Rongshan Yang, Yong Peng MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Email: smileanne@163.com Received: Dec. 18th, 2012; revised: Jan. 21st, 2013; accepted: Feb. 3rd, 2013 Copyright © 2013 Guihong Xu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The non-ballasted track had been widely used with the massive construction of the high-speed railway in China. The damage issue of non-ballasted track mainly based on the flaw was becoming gradually evident, especially the influence of rainwater to the damages. Nowadays there was a lack of the systematic research on the relevant prob- lems at home and abroad. This paper focuses on the flow characteristics of CRTSII non-ballasted track interlayer crack. Unified governing equation and mathematical model were established in solid and fluid domain, based on the two-way coupled field computation, at the high speed train loads action. The water flow characteristics had been simulated in CRTSII no n-ballasted track Interlayer crack. Analysis shows that: 1) At the high-speed train loads action, crack surface pressure of every monitor is linear increased with the crack length, the more close the crack tip, the more pressure; 2) with crack length increased the water velocity of crack internal reduce. Keywords: Non-Ballasted Track; Fluid-Structure Interaction; Flow Characteristics 高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究* 徐桂弘，刘学毅，杨荣山，彭 勇 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 Email: smileanne@163.com 收稿日期：2012 年12 月18 日；修回日期：2013 年1月21 日；录用日期：2013 年2月3日 摘 要：无砟轨道伴随我国高速铁路大规模修建得到了广泛应用，但以裂纹为主要形式的伤损问题也逐步凸显， 特别是雨水对伤损的影响尤为突出。本文针对 CRTSII 型无砟轨道层间裂纹中水流特性问题，应用流固耦合理论 及其统一控制方程，基于双向二维流固耦合场计算原理，建立了高频列车荷载作用下 CRTSII 型板式轨道砂浆层 下裂纹中水流特性模拟，结果表明：1) 当高频荷载作用于下，随着裂纹长度的增加，裂纹内部各计算点压强与 裂纹的长度基本呈线性变化，越是靠近裂纹尖端，压强越大。2) 裂纹内部水流速度，随着裂纹深度的增加而减 少，在裂纹的尖端时最小。 关键词：无砟轨道；流固耦合；运动特性 1. 引言 无砟轨道以其高平顺、高稳定和少维修的特点成 为高速铁路上的主要轨道结构型式，随着我国客运专 线的大规模兴建并投入运营，无砟轨道得到了快速发 展与广泛应用。 *基金项目：国家自然科学基金(51278431)。 目前，通过对全国各地的无砟轨道服役情况调研 Copyright © 2013 Hanspub 156  高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究 发现，各型无砟轨道均出现了不同程度的伤损，其中 以轨道板/道床板开裂、层间连接破坏和填充层破损等 伤损最为普遍。在降雨量丰富的地区或排水不畅地 段，无砟轨道破损速率较干燥地区快得多。以双块式 无砟轨道为例，在武广、郑西、遂渝等线路均发现预 制轨枕与现浇道床板间出现裂纹的现象(如图 1所示)， 在遂渝线和武广线，同样的病害，道床板裂纹发展较 快，在病害严重地段，裂纹宽度增加，预制轨枕松动 下雨后，经列车荷载的作用，在裂纹处有白浆冒出， 进一步加剧了轨枕松动(如图 2所示)。对于北方干旱 地区，层间离缝基本不发展，但在南方多雨地区，凡 离缝处均发现有冒浆现象发生，在排水不良地段，列 车经过时，离缝处的冒浆现象非常明显，且病害发展 迅速。可见，列车荷载与水的耦合作用对无砟轨道病 害发展起着极为关键的作用，高频荷载作用下，裂纹 内部水流的运动形态，是影响轨道水至伤损的关键性 问题。 Figure 1. Non-ballasted track plate injury of SUI-YU line 图1. 遂渝线无砟轨道道床板伤损 Figure 2. Sleeper loose of SUI-YU line 图2. 遂渝线无砟轨道轨枕松动 水泥混凝土路面与无砟轨道的工作条件类似，公 路路面的研究成果对于无砟轨道的研究具有积极的 借鉴意义。相关研究表明，在交通荷载和水的共同作 用下，水泥混凝土路面普遍出现挤浆、板底脱空等现 象，进一步引起路面板的断板、裂缝等早期损坏严重 [1,2]。国内外的道路工作者普遍认为这种现象主要是由 路面基层材料抗冲刷性能差和较大的动水压力造成 的，并相继展开了对基层材料性能和动水压力的研究 [3,4]。20 世纪 70 年代起，王先俊、黄仰贤、姚祖康、 唐伯明等人应用有限元方法先后分析了地基部分脱 空状态下的水泥混凝土路面结构受力[5,6]。20 世纪 80~ 90 年代，美国的研究人员采用现场试验的方法，对脱 空区滞留水的水压力进行了一定的研究[7,8]。目前，我 国对水泥混凝土路面动水压力的形成和数值计算开 展了一定的理论研究工作[9,10]。在试验研究方面，采 用室内试验的方法建立了水泥混凝土路面脱空处动 水压力试验模型, 测定了基层脱空处的动水压力，并 分析了脱空面积、荷载位置、荷载大小和荷载速度等 因素对脱空处动水压力的影响[11]。为合理进行路面板 脱空的预防和治理提供了参考依据。 目前，国内外对于高频列车荷载作用下，水在裂 纹中运动的状态，未进行系统深入的研究[12,13]。虽然 各领域在混凝土本构关系、流固耦合及水害作用机理 方面做了大量理论和试验研究，但这些研究均未考虑 列车荷载轴重大、速度快的作用特点，其研究成果不 能照搬到无砟轨道的相关研究领域。 本文针对典型无砟轨道裂纹中水流特性问题，应 用流固耦合理论及其统一控制方程，基于双向二维流 固耦合场计算原理，建立了高频列车荷载作用下 CRTSII 型板式轨道砂浆层下裂纹中水流动特性的模 拟，详细探讨了高频列车荷载作用下裂纹内部水的流 动特性及运动规律。分析结果为无砟轨道裂纹伤损的 发展机理提供理论参考。 2. 计算模型 直线路基上Ⅱ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣 件、预制轨道板、砂浆调整层及支承层等组成[14]，轨 道板尺寸为 200 × 2550 mm，砂浆调整层尺寸为：30 × 2550 mm，轨道板底座尺寸为：300 × 2950 mm[15,16]。 因为裂纹一般始发于新老混凝土的交界面处，计算假 定裂纹在砂浆调整层与支承层交接位置。 Copyright © 2013 Hanspub 157  高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究 Copyright © 2013 Hanspub 158 11 1111nnnnnnnn iii ti M uMu CpCp (5) 模拟高速列车荷载作用下裂纹内部水流特性可 分如下步骤，首先高速列车荷载传递给轨道板，轨道 板传递给裂纹内部水，水反过来把荷载传递给轨道 板，属于双向流固耦合问题。考虑高速列车荷载幅值 高、加载速度快频率高等特点。研究其内部水流特性， 可采用双向瞬态流固耦合模型如图3所示。 在计算速度时，在流固耦合边界面上应考虑速度 耦合边界条件： T uTv (6) 其中，v为耦合边界上的结构运动速度， 为几何关 系矩阵。 T T 3. 流固耦合基本原理、计算方法及参数 结构的运动方程可写为： 3.1. 流固耦合的基本原理及控制方程 mv cv kX (7) ALE 方法将固体中常用的拉氏系与流体中常用 的欧拉系相联系。ALE 描述下的不可压流体的 Navier- Stokes 方程组包括流体力学基本方程、有限元数值离 散方程及耦合系统方程[17,18]。 在流固耦合界面上可推导出： s X TFnds p (8) 式(8)中： 为壁面法向矢量，F为等效 结点力， 12 3 ,, T nnnn 为插值函数矩阵。 基本方程包括流体连续性方程、运动方程、本构 方程，利用连续方程推导出压力和速度的计算公式： 在耦合界面上，由方程(8)式可求得： 1 21 2 2 n nn i ii pu tx 2 p x x (1) 1 11 111nn nnnnn ii pM CuApQQ t n (9) 1 11 nn nn ii ii tp p uu x x (2) 耦合界面上有： 1T nT S Qndsv T Tv (10) 有限元数值离散方程中，对于有限元分步法，速 度和压力由相互独立的方程以解耦的形式求解。利用 Galerkin 加权余量方法可推导出有限元数值离散 方 程。对整个单元进行集合，得到耦合系统方程，写成 矩阵形式： 将(8)，(9)，(10)式代入结构运动方程(7)式并整理 得： 11 n nnnn nn iiijij jii M uMu tBDuCpE 1 1 1 111 nT nnnnn ii mTM Tvcvk MCuMp t n Q (11) (3) 结构运动方程用 Newmark 方法求解。系统耦合 方程(11)利用迭代方法求解。 11 111nnnnnn n in M pCuApQ tQ (4) Figure 3. Two-way transient fluid-structure coupling computation model 图3. 双向瞬态流固耦合计算模型  高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究 3.2. 计算方法及参数选取 高频列车荷载作用下，无砟轨道结构裂纹内部水 流动特性的研究，采用双向瞬态流固耦合模型模拟计 算。ALE描述被用于流体域；流体域中的网格点按照 自由液面的运动或结构与液体接触面的移动而不断 更新，从而将运动边界的非线性效应融人到计算方法 中，在空间域上采用有限元离散格式；在时间域上 Navier-Stokes 方程采用分步计算格式。荷载取值按静 轮载 1/2 (250 kN)取值，按 350 km/s行车速度，荷载 频率 25 Hz[19,20]。计算相关参数如表1所列。 4. 计算结果及分析 通过模拟计算，当列车速度为 350 km/h，裂纹高 度为 5 mm、裂纹长度为 1 m时，得到各计算点及计 算点 1的压强变化图如图 4、图 5所示，压强随裂纹 深度的变化如图 6所示，各计算点、计算点 1水流速 度变化如图 7、图 8所示、裂纹内部水流速度随裂纹 长度变化如图 7所示。 由图 4、图 5、图 6可知，当列车荷载频率不变 Table 1. Computation parameter two-way transient fluid-structure coupling model 表1. 双向瞬态流固耦合模型计算参数 部件 项目 详细信息 荷载频率 0.04 s 荷载值 10 × 105 pa (轨道板)弹性模量 36,000 Mpa (轨道板)泊松比 0.2 (支承层)弹性模量 32,500 固体域 (支承层)泊松比 0.2 瞬态耦合 分析类型 多场耦合 流体类型 常温水 域类型 单区域 时间步 0.01 s 相对压强 1 [atm] 耦合时间 1 s 输出控制 计算点(如图 1所示) 无滑移边界 流体域 边界条件 边界条件 流固交接面：无滑移边界 时，裂纹表面受到的压强，随着列车荷载的变化，分 别对裂纹上、下表面产生压强。随着裂纹长度的增加， 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -150000 -100000 -50000 0 50000 100000 各监测点压强(pa) 时间(s) Figure 4. Relationship between time and pressure of all calculating point 图4. 各计算点压强随时间变化 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 压强 (pa) 时间 (s) Figure 5. Relationship between time and pressure of point1 图5. point1随时间压强变化 0.2 0.40.60.81.01.2 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 压强 (pa) 裂纹深度 (m ) Figure 6. Relationsh i p between pressure and crack depth 图6. 压强随裂纹深度的变化 Copyright © 2013 Hanspub 159  高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 各监测点流速(m/s) 时间(s) Figure 7. Relationship between time and water velocity of all cal- 图7. 各间变化 culating point 计算点流速随时 0.00.2 0.40.6 0.81.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 velocity (m/s) crack length (s) Figure 8. Relationship between time and water velocity of point 计算点压强与裂纹的长度基本呈线性变化，越是靠 8、图 9可知，当列车荷载频率不变 时， 5. 结论 本文针对 CRTSII 型板式无砟轨道砂浆调整层底 部水 1 图8. point 1流速随时间变化 各 近裂纹尖端，压强越大，最大压强在 point 11为 116017.57 Pa。 由图 7、图 裂纹内部各计算点流速随着列车荷载增减而变 化，列车荷载减少时，水流方向为正向，列车荷载增 加时，水流方向为负，数值大小相近。裂纹内部水流 速度，随着裂纹深度的增加而减少，在裂纹的尖端最 小为 0，裂纹的开口处达到最大为 1.39 m/s (向裂纹内 流动)。 平层间裂纹，考虑高速列车荷载与水耦合作用条 件，对裂纹内部水流特性进行了研究。 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 水流速度(m/s) 裂纹深度(m) Figure 9. Relationship between water velocity and crack depth 得到如下结论： 于钢轨上时，轨道板受到强大 冲击 ，裂纹内部各计算点流 速随 病害情况、建立 相应 参考文献 (References) 土路面板角脱空判定指标[J]. 图9. 流速随裂纹深度变化 1) 当高频荷载作用 ，裂纹内部水产生强大压强，可能会导致裂纹沿 裂隙面发生水力断裂。随着裂纹长度的增加，裂纹内 部各计算点压强与裂纹的长度基本呈线性变化，越是 靠近裂纹尖端，压强越大。 2) 当列车荷载频率不变时 着列车荷载增减而变化，列车荷载减少时，水流 方向为正向，列车荷载增加时，水流方向为负，速度 值大小相近。裂纹内部水流速度，随着裂纹深度的增 加而减少，在裂纹的尖端时最小。 本文根据实际高速铁路无砟轨道 损伤模型。根据实际高速列车荷载的大小和作用 频率进行荷载取值。本文采用了商用软件 ANSYS- WORKBENCH13中的 Transient Structural和cfx 软件 系统进行流固耦合计算，在模型设置过程中，由 ANSYS 软件公司流体力学的专业人员进行计算过程 设置。根据王海龙、李庆斌的不同加载速率下饱和混 凝土的劈拉试验结果[21]，当干燥混凝土加载速率为 2 Mpa/s 时，其劈拉强度为 1.89 Mpa；按照荷载比例， 与本文计算裂纹表面受到压强值，结果相近。所以， 本文计算结果具有一定的合理性。 [1] 曾胜 曾小军, 许佳. 水泥混凝 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(1): 248-256. [2] 张宁, 钱振东, 黄卫. 水泥混凝土路面板下地基脱空状况的 . 技, 2004, 1: 4-8. 评定与分析[J] 公路交通科 [3] 关增智. 半刚性基层材料抗冲刷性能的研究[J]. 混凝土, Copyright © 2013 Hanspub 160  高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究 Copyright © 2013 Hanspub 161 铁道科学与工程学报, 2005, 2(6): 31-36. 515 大学学报 (128): 64-68 版), 2009, 40(2): 526-532 学, 2011, 32(6): 28-33. 8. 320. , 2007, 24(2): 105-109. 2008, 3: 48-50. [4] 沙爱民. 半刚性基层的材料特性 [J]. 中国公路学报, 2008, 21(1): 1-5. [5] 曾胜, 张显安. 水泥混凝土板下脱空状况时接缝处弯沉的影 响分析[J]. [6] 程涛, 王国体. 不同脱空形式下水泥混凝土路面破坏应力分 析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2009, 32(4): -518. 学版), 2010, 41(4): 1360-1368 [16] 蔡小培, 高亮, 孙汉武, 曲村. 桥上纵连板式无砟轨道无缝线 路力学性能分析[J]. 中国铁道科 [7] 周玉民, 谈至明, 刘伯莹. 水泥混凝土路面脱空状态下的荷 载应力[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(7): 341-345. [8] A. J. Van Wijk, J. Larralde, W. Lvellc, et al. Pumping prediction model for highway concrete pavement. Journal of Transportation Engineering, 1989, 115(2): 161-175. [9] E. Hansen, R. Jhannesenr and J. Armaghani. Field effects of water pumping beneath concrete pavement slabs. Journal of Transportation Engineering, ASCE, 1991, 117(6): 679-696. [10] 谈至明, 谭福平. 水泥混凝土路面板底脱空区水运动规律的 分析模型[J]. 水动力学研究与进展, 2008, 23(3): 281-286. [11] 李少波, 张宏超, 孙立军. 动水压力的形成与模拟测量[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(7): 915-918. [12] 廉向东, 付其林, 陈拴发, 聂午龙, 王秉纲. 基于板底脱空的 水泥混凝土路面动水压力试验研究[J]. 武汉理工 , 2011, 33(5): 100-103. [13] 程学武, 董敬. 隧道内整体道床的破裂原因分析 及整治[J]. 铁道工程学报, 2009, 5 [14] 徐庆元, 张旭久. 高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道纵向力 学特性[J]. 中南大学学报(自然科学 [15] 卿启湘, 胡萍, 王永和, 尹汉锋, 张春顺. 高速铁路双块式无 砟轨道计算模型约束方程的建立[J]. 中南大学学报(自然科 [17] 铁道部工程管理中心, 京津城际轨道交通工程. CRTSII型板 式无砟轨道技术总结报告[M]. 2008. [18] 客运专线铁路无砟轨道充填层施工质量验收补充标准[S]. 铁 建设[2009]90号. [19] 娄涛. 基于 ANSYS 的流固耦合问题数值模拟[D]. 兰州大学 硕士学位论文, 200 [20] 焦宗夏, 华清, 于凯. 传输管道流固耦合振动的模态分析[J]. 航空学报, 1999, 20(4): 316- [21] 王海龙, 李庆斌. 不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研 究及强度变化机理[J]. 工程力学 |