寒区无砟轨道服役性能演化与提升技术研究进展

任娟娟, 张书义, 许雪山, 杜俊宏, 杜威

（1.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031）

0 引言

速追求、从空间上向寒区环境迈进, 多维作用下其长期服役能力更应得到精准把控[1］。我国寒区面积约占陆地国土面积的43%[2］, 寒区具体是指我国最冷月平均温度≤0℃, 日平均气温≤5℃的天数≥90 d的地区[3］。目前已投入运营的寒区铁路线路总里程已超过7 000 km, 包括哈大、哈齐、沈丹、兰新、宝兰等多条高速铁路线路。随着我国川藏铁路项目[4］的积极推进, 新建高速铁路不断向甘肃、内蒙、东北等寒冷省份/地区延伸, 寒区无砟轨道在高频强振的列车荷载和寒区复杂环境耦合作用下, 结构的长期服役寿命受到严峻挑战。因此, 科学揭示寒区无砟轨道在列车荷载

高速铁路作为重大交通工程的重要组成部分, 正逐步从大规模建造转向稳定运营, 截至2021年底, 我国高铁运营里程突破4万km。其中, 无砟轨道作为直接支承高速列车运行的重要基础结构, 从功能上向高与环境作用耦合下的服役性能演化规律, 进而针对新建、在役无砟轨道提出相应的服役性能提升技术, 成为有效保障寒区无砟轨道长期运营的关键环节。

针对寒区高速铁路无砟轨道, 从典型环境作用特征、服役性能演化与提升技术3个方面进行重点论述, 同时指出相关领域的发展趋势及需要重点关注的核心科学问题, 为提升我国寒区高速铁路无砟轨道服役性能提供参考。

1 典型环境作用特征

寒区无砟轨道普遍面临年平均气温低、昼夜温差大、冬季雨雪多、反复冻融等极端条件[5］, 如何准确、量化描述无砟轨道承受的温度荷载、路基冻胀及冻融循环等典型环境作用特征是探究寒区无砟轨道服役性能演化与提升技术的前提。

1.1 寒区无砟轨道温度荷载作用特征

对于温度荷载, 寒区年温差大, 无砟轨道承受的较大整体温度荷载致使轨道板发生整体伸缩, 产生较大的温度应力；在遮蔽物遮挡效应作用下引起纵向温度场致轨道板胀缩；昼夜温差大会导致无砟轨道产生较大的温度梯度, 温度场引起无砟轨道板翘曲变形（见图1）。基于哈大高速铁路部分区段温度场观测数据[6］、达坂城地区无砟轨道试验段长期观测数据[7］的统计分析, 无砟轨道温度和近地表气温呈现以日和年为周期的变化特征, 无砟轨道日温度梯度变化幅值近似与气温变化幅值成正比。为进一步明晰极端天气条件下无砟轨道内部温度场分布特征, 基于热传导基本原理与无砟轨道瞬态温度场数值模型分析验证[8-9］, 轨道板温度场随时间、空间非线性周期性变化, 且内部温度场变化滞后于大气温度变化, 随距离道床板顶面深度的增加, 温度变化幅值逐渐减小, 道床板内不同深度处温度随时间变化统计见图2；夏、冬季极端天气下温度梯度方向相反, 数值也存在较大差异。

图1 温度场引起无砟轨道板翘曲变形[10］

图2 道床板内不同深度处温度随时间变化统计[11］

1.2 寒区无砟轨道路基冻胀作用特征

对于路基冻胀, 由于寒区气候、工程和水文地质条件在时间和地域上存在较大差异导致轨道路基结构冻胀具有随机性和不确定性[12］, 尽管针对路基冻胀采取了非冻胀或弱冻胀路基填料以及其他防冻胀措施, 我国寒区高速铁路路基冻胀变形依然普遍存在[13］。路基冻胀是一个缓慢积累和发展的过程, 整个冻胀过程按照冻胀量变化基本可划分为初始波动、快速发展、稳定冻胀以及融化回落4个阶段[14-15］, 典型路基断面冻胀发展过程见图3, 不同时期、不同运营线路的冻胀量及其增速有所不同。为确保无砟轨道整个服役过程中线路运营安全, 相继开展了一系列现场监测工作以研究无砟轨道路基冻胀变形特点、冻胀量和分布特征[16-17］。同时, 依托哈大高速铁路路基冻胀长期监测数据[18］以及典型路段冻胀监测数据[19］, 分析各层冻胀量的分布变化特征, 得出冻胀的主要部位为基床表层。

图3 典型路基断面冻胀发展过程[19］

1.3 寒区无砟轨道冻融循环作用特征

对于冻融循环作用, 寒区秋冬交替、春融时温度幅值快速变化, 导致无砟轨道随温度变化发生冻融现象。混凝土冻融是材料内部加载、卸载循环作用, 导致混凝土韧度和断裂性能降低, 当材料力学性能退化到一定程度发生破坏[20］。对于我国北方季节性冰冻区, 1年内会经受多次冻融循环作用[21］。其中既包括短期高频率冻融循环, 也包括1年乃至数年内的冻融大循环。通过对我国北方受冻地区的混凝土冻融现象进行监测, 得到1年内的天然冻融循环次数, 同时按照混凝土部件抗冻等级进行相应的室内冻融试验, 基于设计耐久年限得到天然冻融循环次数与室内冻融循环次数的等价关系[22-23］。我国三北地区冻融循环参数统计见表1, 借助数学回归模型以及室内冻融与自然冻融间的损伤关系, 参考表1中三北地区的年平均冻融循环次数[24］, 分析和预测不同地区混凝土受冻服役寿命。混凝土室内冻融循环试验主要通过控制冻融循环时间、冻融温度和冻结/融化速率等相关参数, 设置特定的试验条件对混凝土试件进行反复冻结和融化, 从而模拟寒区混凝土在冻融环境影响下产生的损伤破坏情况[25］。现有对冻融循环的研究大多采用规范标准进行快速冻融试验[26-27］, 冻融次数根据各自试验目的确定。

表1 我国三北地区冻融循环参数统计

现有研究人员对寒区无砟轨道环境作用特征的研究多基于现场监测、有限元模拟等手段, 采用理论分析及试验研究等方法获得寒区各种环境作用特征。但现有研究并未充分考虑寒区环境作用影响因素, 如无砟轨道温度场研究欠缺对降雪量、降雪深度、蒸发量等影响因素的考虑, 只是在考虑气温、太阳辐射、风速等部分影响因素的基础上对寒区环境作用规律进行分析。故有必要通过试验、数值模拟等手段分析多影响因素作用下寒区环境作用的特性, 并提出更科学、合理的统计分析方法, 进一步揭示寒区无砟轨道典型环境作用特征及分布规律。

2 服役性能演化

寒区无砟轨道在服役过程中不可避免地出现各种结构病害, 导致无砟轨道逐渐损伤退化、耐久性下降。为此, 探索寒区无砟轨道服役性能演化规律, 合理揭示结构劣化过程, 量化并预测服役过程中结构的耐久性能, 对深化研究结构理论设计方法, 提出服役期内的维修建议具有重要的现实意义。

2.1 冻融循环作用下寒区无砟轨道损伤演化

冻融循环作用是寒区无砟轨道混凝土损伤失效的主要诱因之一, 针对冻融循环下无砟轨道混凝土损伤研究已取得了一些成果：在损伤机理方面, 研究人员基于热力学原理建立了水-热-力耦合多孔介质力学物理表达式, 并用于冻融过程结构受力的数值计算[28］；采用毛细孔内冰-水压力关系, 分析混凝土在冻融循环过程中的温度场、应变场以及孔内压力场的分布规律[29］；研究冻结速率及气孔内压力边界条件对混凝土材料变形的影响, 揭示冻融循环过程中过冷度造成的混凝土性能劣化及气孔内负压力造成的混凝土冻缩[30］。但这些研究均未考虑冻融过程中混凝土的损伤行为, 无法完整表述冻融循环过程中的水-热-力耦合及损伤演化规律。在混凝土损伤特性方面, 主要集中在冻融作用下其宏观物理、力学性能的劣化规律[31-32］, 以及借助CT扫描技术探究内部孔隙结构的空间分布特征[25, 33］, 并基于试验结果建立了受冻混凝土的损伤本构模型[26, 34］, 但仍缺乏冻融循环作用对无砟轨道静动力学性能以及损伤机理的影响研究。

（1）动荷载与冻融环境共同作用是无砟轨道混凝土致损的根本原因[35］。研究人员从力学唯象的角度出发, 以塑性应变表征冻融损伤, 并考察多次交互作用下材料的性能变化规律, 发现疲劳过程与冻融循环过程引起的微裂纹不同[36-37］；另外, 也有研究人员通过开展疲劳荷载与冻融循环交互试验研究混凝土损伤演化规律[38-40］, 从经典的Aas-Jakobsen疲劳公式出发建立考虑疲劳效应的冻融损伤模型[41］, 从受疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土的动态力学效应着手, 分析混凝土受荷载历史对其动态本构行为的影响规律[42］。然而, 现有对混凝土疲劳性能试验研究的荷载与无砟轨道列车荷载的荷载特征值有较大差别, 列车荷载的频率分布范围相对较广, 以上研究成果并不具有普适性。

（2）在无砟轨道领域, 列车荷载与冻融循环共同作用下无砟轨道将产生高、低周复合疲劳损伤, 内部微缺陷产生并不断发展, 导致混凝土宏观力学效应变化, 但两者损伤机理存在差异。而现有研究并未充分考虑冻融环境下无砟轨道混凝土的本构关系变化、荷载条件以及高、低周共存问题。研究表明, 叠加的高周载荷作用会降低材料的低周疲劳寿命[43］, 混凝土在这种高、低周荷载交互作用下的损伤机制还不明确, 在列车荷载与冻融循环耦合作用致损条件下, 如何将列车荷载与冻融循环造成的损伤演化效应相互等效传递是研究无砟轨道混凝土复合疲劳损伤演化机制的核心。运用统计方法研究高速列车激励与冻融循环作用特性；根据微塑性、多场耦合等理论, 明晰无砟轨道混凝土复合损伤过程, 可为揭示寒区无砟轨道混凝土损伤演化机理、掌握混凝土复合损伤传递机制提供方向。

2.2 路基冻胀作用下寒区无砟轨道损伤演化

路基冻胀变形是寒区无砟轨道在建设和运营管理中亟待解决的重大工程问题。一方面, 路基局部变形会引起轨道高低不平顺；另一方面引起轨道板、底座板出现离缝, 加速无砟轨道损伤。路基冻胀变形对无砟轨道的影响见图4。

图4 路基冻胀变形对无砟轨道的影响[56］

（1）研究人员针对无砟轨道路基结构的冻胀规律与机理[44-45］、伤损特征[14, 46］、工程措施[47-48］等进行大量研究工作, 开展路基冻胀对无砟轨道性能的影响研究, 旨在探究路基冻胀作用下无砟轨道的损伤演化规律, 为路基冻胀变形控制提供理论支撑。例如：研究人员通过建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型, 根据路基冻胀变形时的不同冻胀波长、冻胀幅值以及冻胀位置, 分析无砟轨道各部件的垂向位移变形[49-50］、拉应力变化规律[51-52］以及对轨道不平顺的影响[53］；探讨冻胀位置和不同冻胀条件下底座板的离缝特征[54］, 并利用内聚力模型分析层间黏结强度及底座板刚度对层间离缝演化发展的影响[55］。

（2）路基冻胀区处于温度低、温差大的严寒地区, 无砟轨道在复杂温度荷载条件下会产生不同程度的翘曲变形, 相关人员研究整体温度荷载、温度梯度荷载与冻胀共同作用时对层间离缝高度的影响[56］。基于车辆-无砟轨道-路基冻胀耦合静动力学模型, 在考虑列车荷载作用下, 分析不同冻胀变形条件对行车安全性及舒适性的影响规律以及轨道结构动力学特性[57-60］；揭示低温与列车荷载耦合下不同冻胀条件对轨道结构变形和强度的影响规律[61］, 提出路基不均匀冻胀变形管理限值[50, 52, 62-63］。

以上研究人员通过冻胀伤损调研和数值模拟进行路基冻胀对无砟轨道伤损影响分析, 开展大量路基冻胀机理和控制措施研究, 但是针对路基冻胀时无砟轨道多层结构变形自适应的相关研究还相对较少, 特别是针对过渡段、曲线以及道岔区等特殊区段路基冻胀特征变化与轨道不平顺、无砟轨道多层结构的传力机制和车辆、无砟轨道静动力响应映射关系等相对匮乏, 对无砟轨道路基冻胀变形控制和冻害处置尚无统一的标准。因此, 结合实测路基冻胀结果, 综合考虑特殊区段路基冻胀时轨道系统变形协调映射关系的理论分析, 关注车辆高速通过连续多波冻胀区段时对轨道结构疲劳、伤损等方面的影响, 仍是寒区无砟轨道研究的重点。

2.3 寒区无砟轨道耐久性研究及寿命预测

混凝土作为无砟轨道不可或缺的工程材料, 其耐久性是服役环境下基础结构寿命的保障。然而, 由于现有轨道结构耐久性设计标准尚未充分考虑荷载、环境及结构抗力等的统计分布特性, 无砟轨道在满足设计标准前提下仍出现了不同程度的伤损病害, 特别是寒区无砟轨道在列车高频荷载、冻融、碳化及侵蚀离子等作用下, 材料性能不断劣化, 导致结构损伤累积、耐久性下降, 最终影响结构的使用功能与安全可靠性能。因此对寒区无砟轨道混凝土耐久性及其寿命预测研究非常必要。

（1）在混凝土耐久性研究理论方面, 主要包括2类：一是以传输性表征的耐久性显著降低, 主要集中于对力、化学、物理因素耦合作用下传输方程的建立[64-65］；二是力、化学、物理因素耦合作用下导致材料质变或结构失效[66］, 主要集中于功能函数搭建与失效准则健全。研究人员通过对极端气候、循环温度荷载、氯离子侵蚀等环境因素进行室内模拟, 诠释无砟轨道在重复温度荷载下层间损伤的萌生与发展等[9］, 分析高海拔、大温差自然环境下混凝土裂纹产生的原因[67］, 明确无砟轨道水泥基材料碳化性能及其微观机理[68］, 获得混凝土中氯离子的传输规律[69］, 为轨道结构的耐久性研究积累了一定的理论与试验经验。

（2）在混凝土耐久性寿命预测方面, 对于列车荷载作用, 研究人员基于轮轨系统耦合动力学原理建立的板式无砟轨道有限元模型, 以P-M疲劳累计伤损准则[70］、非线性疲劳累计理论[71］、损伤有限元全耦合法[72］为基础, 分析CA砂浆在列车荷载作用下的疲劳寿命, 此外采用S-N曲线分析方法预测客货车荷载作用下轨道板的疲劳寿命[73］。对于冻融循环作用, 研究人员基于质量衰减模型[74］、强度衰减模型[75］、能量耗散模型[76］、超声波声速变化规律模型[77］、相对动弹性模量衰减模型[78］、应变变化规律模型[79］等, 利用冻融循环试验数据, 拟合出选定的冻融破坏指标极限值, 依据室内外冻融循环次数之间的等效关系[80］对冻融循环作用下的混凝土耐久性寿命进行预测。对于碳化作用, 基于无损检测获得碳化环境下的耐久性指标, 建立碳化深度预测模型、钢筋锈蚀模型[81］, 并基于检测数据对模型的分布参数、权重进行耐久性失效概率更新[82］, 对混凝土在碳化作用下的耐久性寿命进行准确评估和预测。

近年来, 针对材料耐久性研究发现多因素条件下结构的服役性能较单一因素复杂, 无砟轨道长期受列车荷载与环境因素的叠加作用, 外部荷载作用引起材料微结构或渗透性变化, 与冻融循环、侵蚀离子扩散迁移等耦合影响致使结构耐久性研究和寿命预测十分困难。部分研究人员提出冻融循环与外部弯曲应力、盐溶液侵蚀作用[83］、疲劳荷载与冻融循环[84］、疲劳荷载与碳化作用[85］等耦合作用下的混凝土耐久性研究和寿命预测。由于上述试验荷载大多与我国高速铁路无砟轨道混凝土实际承受的高频低幅荷载（频率接近40 Hz、应力水平一般低于0.5）相差较大, 导致研究成果无法完全适用于无砟轨道的耐久性分析, 但研究思路和试验手段值得借鉴。考虑到现阶段光学测量、CT扫描技术正在大力发展, 使进一步把握材料在多因素条件下的内部微观演变过程和宏观属性演化映射机制成为可能, 这无疑为揭示和完善无砟轨道耐久性预测提供了方便。

3 服役性能提升技术

保证高速铁路无砟轨道服役性能良好是列车运行安全性和平稳性的基础, 是养护维修的重点和难点。然而, 我国寒区无砟轨道在列车动荷载和复杂服役环境下更易出现不同程度的伤损, 直接影响无砟轨道服役期间的安全性、稳定性以及耐久性。因此, 为使寒区无砟轨道在预定的使用年限和适当的防治维修措施下, 具有长期抵御结构服役性能衰变的能力, 亟待对寒区新建、在役无砟轨道服役性能提升技术进行深入研究。

3.1 寒区新建无砟轨道服役性能提升技术

寒区高速铁路对无砟轨道的稳定性和耐久性提出了更高要求, 而先进和完善的新建无砟轨道服役性能提升技术对保证线路长期安全运营至关重要。环境与动载耦合重复作用下材料与结构动态性能演变是决定寒区无砟轨道服役性能的关键[86］, 因此, 牢牢把握无砟轨道材料、结构设计2个核心要点, 推动无砟轨道材料改良、结构设计不断优化是提升新建无砟轨道服役性能的关键。

（1）材料改良。采用硅酸盐水泥加早期强度矿物掺合料的胶凝材料代替超细水泥[87］, 提高轨道板混凝土的早期强度、减小收缩变形；采用“三低两高”抗裂混凝土制备技术[87］, 减小现浇混凝土塑性收缩和干燥收缩。对于CA砂浆[88］, 结合温度、湿度及施工条件优化理论配合比, 从水泥种类、砂的质量以及外加剂方面提高其综合性能。寒区CA砂浆需要具备一定的早期强度、低温抗裂性、耐腐蚀性、抗疲劳性、稳定性和流动性。在CA砂浆组成体系、关键材料组分的优化改良方面[89］：聚合物改性沥青技术[90］、水泥-沥青复合胶凝技术[91］、砂浆体积稳定技术[92］、纤维增韧[93］技术的推广应用大幅提升了CA砂浆在低温环境下的服役性能。

（2）结构设计优化。单元式轨道结构[94］应用有效降低了混凝土收缩变形量；在单层配筋基础上优化而来的双层配筋, 将裂缝宽度从0.5 mm减小至0.2 mm[87］。轨道板与自密实混凝土协同受力的CRTSⅢ板式无砟轨道结构型式, 有效减少服役期间的离缝和破损等病害；预应力轨道板通过预拱度的设置防止温度梯度引起的轨道板翘曲[95］, 采用自动温控系统进行室内蒸汽养护减少轨道板表面初期裂纹[96］。寒区无砟轨道外置材料应用是较重要的性能提升措施：采用以氟硅高分子树脂为基料的反射隔热涂料[97］能降低道床板温度梯度, 减小温度应力和翘曲变形；铺设聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫板（PU）和聚苯乙烯挤塑板（XPS）[98］, 碎石道砟保温层[3］隔热防冻；采用新型防水材料, 减小冻融作用和冻害的影响, 从而有效控制由温度引起的轨道结构变形。

目前, 在寒区无砟轨道材料方面, 混凝土的防水、抗冻、抗裂及耐腐蚀等性能存在不足, 难以满足恶劣环境下的服役性能要求；在轨道结构设计方面, 专门针对寒区无砟轨道结构优化设计方法形式比较单一, 普适性欠缺。在借鉴和消化国内外先进的寒区新建无砟轨道服役性能提升技术的基础上, 结合我国现阶段的技术水平和服役环境, 提出更适合寒区无砟轨道的结构设计优化体系、不断研发高效环保的新材料, 以预防冻害及冻融循环的损害, 进而提升无砟轨道的服役性能。

3.2 寒区在役无砟轨道服役性能提升技术

高速铁路要求无砟轨道具有高平顺性、高稳定性和耐久性, 而哈大[99］、哈齐[100］、哈牡、盘营[101］以及沈丹[102］高速铁路轨道, 作为典型的寒区无砟轨道, 在服役期间产生了不同程度的伤损病害。因此, 完备、先进的在役无砟轨道服役性能提升技术是保障高铁安全、舒适运营的关键。

经过几十年的研究和发展, 我国在无砟轨道养护维修方面积累了一定经验, 但寒区无砟轨道养护维修经验相对较少。研究人员通过现场调研监测、统计分析及有限元模拟仿真, 针对轨道板表面裂纹[103］及破损[99］、封锚端裂缝[104］或脱落、轨道上拱[105］、填充层碎裂掉块、层间离缝脱空[106］；底座板裂缝、粉化、破损[62, 107］；板间接缝开裂[108］；轨枕松动[109］；路基冻胀[110］等病害进行维修过程力学机理探究, 给维修技术提供了理论支撑和新的维修思路。此外, 部分研究人员对轨道进行损伤等级划分[111］, 以期选用相适应的修补材料和维修措施, 在考虑维修材料环境适应性及耐久性的基础上, 针对性提出：树脂浸润技术、低压注浆技术、环氧树脂灌注修补技术[112］、低黏度树脂离缝维修[108］技术等, 抑制轨道结构病害进一步发展。我国在借鉴国外无砟轨道维修技术的基础上, 提出应用于关键位置维修的有机材料, 例如：丙烯酸树脂[113］、聚氨酯树脂[114］、乙烯基树脂[115］、环氧树脂[116］等。温度作用是寒区无砟轨道维修面临的一个挑战, 不仅要提升材料的温度稳定性以保障维修效果, 更要加强路基冻胀病害维修, 防止加剧次生病害。为此, 防排水技术[117］、冻害顺坡垫板技术[110］、路基地段线路纠偏技术[118］（见图5）、路基变形微变形扰动整治技术[119］等维修技术也被广泛推广应用。

图5 路基地段线路纠偏技术[118］

我国目前已掌握的养护维修技术为寒区在役无砟轨道服役性能提升提供了一定的技术支撑, 但我国寒区无砟轨道的建设和维修时间还较短, 对于维修技术的理论研究还不够完善, 还需深入研究以提高技术水平。此外, 高速铁路严格执行天窗修制度, 现有的维修技术工作量、维修频次、维修效果及管理模式无法满足要求, 维修材料的环境温度适应性、耐久性不够, 轨道结构细部设计认知不够充分。因此, 在已有维修标准的基础上, 通过观测建立寒区无砟轨道伤损数据库, 为后续无砟轨道养护维修、优化设计提供技术支持与指导, 进一步研发抗冻性、耐久性高的新材料及自动化、集成化和智能化水平较高的维修设备与技术, 以保证寒区无砟轨道服役性能提升。

4 建议

（1）在寒区无砟轨道典型环境作用特征方面, 基于试验、数值模拟等方法得到多影响因素下的寒区环境作用特性, 完善无砟轨道荷载作用特征。

（2）在寒区无砟轨道服役性能演化方面, 环境与列车高频强振荷载的耦合作用是无砟轨道服役性能劣化的主要原因, 因此通过试验和数值模拟明确耦合作用下的疲劳损伤演化机制, 探究特殊区段地基冻胀对轨道系统的变形协调及车辆静动力响应映射关系, 揭示和完善无砟轨道耐久性预测, 仍是未来精准把控寒区无砟轨道服役过程、实现预防性养护维修的核心基础。

（3）在寒区无砟轨道服役性能提升技术方面, 在借鉴和消化现有无砟轨道养护维修经验的基础上, 践行全生命周期管理理念, 针对不同时期（新建、在役）的寒区无砟轨道, 从材料、结构设计优化及养护维修技术等方面不断创新, 开发集自动化、信息化、智能化于一体的新技术。

5 结束语

以寒区无砟轨道为研究对象, 从环境作用特征、服役性能演化与提升技术3个层次出发, 着重讨论现阶段寒区无砟轨道服役性能演化与提升技术的工作进展及不足之处, 对如何进一步提升寒区无砟轨道长期服役性能提出了一些建议与设想, 为提升寒区无砟轨道的服役性能、确保寒区高速铁路长期安全运营提供保障。