无砟轨道层间颗粒冲刷试验研究

Experimental Study on Particle Erosion of Ballastless Track Interlayer

摘要

无砟轨道层间界面为其薄弱环节，长期荷载作用下容易发展为层间离缝，在离缝进水后容易产生冒浆病害。为研究列车荷载作用下无砟轨道层间冒浆发生机理，设计无砟轨道层间脱空模拟装置并基于该装置开展无砟轨道层间颗粒冲刷试验；采用双目三维扫描仪获取混凝土表面形貌数据，得到冲刷前后混凝土表面形貌等高线图，对比颗粒流冲刷前后混凝土表面形貌的变化，分析混凝土配合比、颗粒流速度和颗粒粒径对混凝土表面冲刷的影响。结果表明：经900万次高频荷载作用，C15混凝土表面的平均冲刷量约为1.106 mm，C40混凝土表面的平均冲刷量为0.186 mm；在颗粒流冲刷作用下，混凝土表面的粗糙峰冲刷量较大；混凝土表面冲刷量与颗粒流运动速度、混凝土配合比正相关，而与颗粒粒径负相关。

Abstract

The interlayer interface is a weak link of ballastless track, susceptible to the development of interlayer separation joints under long-term loading. Once water infiltrates the separation joints, it can easily cause slurry damage. To study the mechanism of interlayer grouting of the ballastless track under train loading, a simulation device for interlayer detachment of the ballastless track was designed. Using this device, particle erosion tests were conducted on the interlayer of the ballastless track. A binocular 3D scanner was employed to acquire data on the concrete surface morphology. Contour maps depicting the surface morphology of concrete before and after erosion were generated following data processing. The changes in the surface morphology of concrete before and after particle flow erosion were compared, and the effects of concrete mix ratio, particle flow characteristics, and particle size on concrete surface erosion were studied. The results show that after 9 million cycles of high-frequency loading, the average erosion depth on the surface of C15 concrete is about 1.106 mm, and the average erosion depth on the surface of C40 concrete is 0.186 mm. Under the action of particle flow erosion, the rough peak erosion on the concrete surface is relatively large. Concrete surface erosion exhibits a positive correlation with both particle flow velocity and concrete mix ratio, while showing a negative correlation with particle size.

Graphical abstract

关键词

无砟轨道 / 层间离缝 / 颗粒冲刷 / 高频荷载 / 试验

Key words

Ballastless track / Interlayer debonding / Particle erosion / High-frequency loading / Experimentation

我国高速铁路及城市轨道交通以无砟轨道结构为主^［1］。无砟轨道在设计和施工过程中会考虑排水问题，但在多雨地段或地下水丰富地段，水会顺着混凝土裂缝进入无砟轨道内部，列车经过时裂缝中的水会形成水流对混凝土表面进行冲刷，冲刷生成的混凝土颗粒流会加剧混凝土裂缝表面颗粒脱落。长期反复冲刷作用下，无砟轨道结构会出现层间离缝冒浆和脱空等病害^［2-3］，如图1所示。因此，有必要研究高频荷载作用下无砟轨道层间颗粒冲刷的问题。

无砟轨道层间离缝冒浆病害发展过程中，轨道板与底座板之间层间离缝区域存在一定的冲蚀磨损^［4-5］。针对该问题，李耀东^［6］从细观角度分析了层间水流特性（动水压力和水流速度）对道床板混凝土表面的冲刷作用，推导了水中颗粒运动对道床板表面的作用力；徐桂弘^［7］利用数值模拟软件ANSYS-CFX，建立了无砟轨道离缝冲蚀磨损模型，模拟了层间离缝携带固体颗粒的水流运动状态，研究了水流速度、离缝开口量、固体颗粒粒径对无砟轨道混凝土表面冲刷的影响。在此基础上，魏春城^［8］考虑了层间离缝混凝土表面的粗糙特性，基于固液2相建立了无砟轨道层间离缝区域有限元细部冲蚀模型，分析了层间离缝内颗粒的运动特性，研究了颗粒浓度、颗粒运动速度等对混凝土层间离缝冲蚀率的影响。Hu等^［9］开展了冲刷角度分别为15°和90°的高速（243 m · s^—1）水流冲刷混凝土试验，采用SEM测试冲刷前后混凝土表面微观结构，研究了冲刷角度和冲刷速度对混凝土表面细微裂缝的产生发展和混凝土表面冲蚀率的影响，提出了2种冲刷角度下混凝土表面冲蚀率与冲刷速度之间的数学关系式。Liu等^［10］开展了不同配合比混凝土的抗冲刷试验，结果表明配合比越小，混凝土抗冲蚀性能越好。尹延国等^［11］对水工混凝土开展了含沙高速水流冲刷试验，分析冲击角度、含沙量和冲刷速度（25~98 m · s^—1）对水工混凝土冲蚀的影响，试验发现小角度冲刷时，冲刷颗粒产生的水平剪切力是导致混凝土产生磨损的主要原因。田军涛等^［12］基于研发的高速水流冲刷仪器开展了携砂水流冲刷试验，研究了冲刷速度（20~40 m · s^—1）和混凝土配合比对混凝土冲蚀磨损的影响，结果表明冲刷速度越大混凝土表面冲蚀磨损程度越大。

以上试验研究受试验加载设备的限制，采用的荷载条件难以反映列车荷载频率高的特点。试验不易观察冲刷前后混凝土表面形貌的变化，研究者为了放大试验现象，多采用高速（20~243 m · s^-1）水流冲刷混凝土表面，这与列车荷载作用下无砟轨道层间离缝内水流速度较小的实际情况不符。此外，已开展的无砟轨道层间水流冲刷试验忽略了固体颗粒的影响。

本文采用试验的方法研究了混凝土层间冲刷效应的影响因素。试验中，采用高频加载装置模拟列车荷载，采用混凝土层间冲刷模拟装置模拟实际冲刷过程，采用双目三维扫描仪获取冲刷前后混凝土表面高程数据。试验结束后，通过处理高程数据能直观地观察混凝土表面形貌变化，从而进一步明确混凝土配合比、颗粒流运动速度和颗粒粒径对混凝土层间冲刷效应的影响。

1 试验方案

1.1　试验装置

文献［13］基于无砟轨道层间脱空区域变形特性，研制了层间脱空模拟装置（图2），并验证了该装置的有效性。本文采用此装置开展无砟轨道混凝土层间冲刷试验。

离缝纵向（迎着水流的方向）深度为300 mm时，用该试验装置模拟得脱空区域道床板底面与支承层表面最大垂向相对位移为0.22 mm，这与现场试验^［14］中得到的结果接近。同时为了适应压力传感器测试端尺寸及双目三维扫描仪扫描区域大小，设计层间脱空离缝纵向深度为300 mm，横向宽度为200 mm，高度为10 mm。混凝土上板尺寸为300 mm×200 mm×50 mm，混凝土下板尺寸为350 mm×200 mm×50 mm。混凝土上板强度为C40，用于模拟道床板，下板强度为C15，用于模拟支承层，混凝土板内预埋螺栓，用于与装配式钢板工装连接。预制水箱底面边缘4个角设有孔洞用于将预制水箱固定在地面上，这样可以固定整个试验装置，减少试验过程中装置的振动对试验结果的影响。将高频加载装置放置在装配式工装加载安置板上通过螺栓相连接。图3为试验装置组装图。

试验使用的双目三维扫描仪扫描区域有限，试验重点研究高频荷载下颗粒冲刷的影响因素，扫描区域的不同不会产生影响，且在混凝土边缘扫描会产生边界效应，因此选择混凝土板表面中心区域进行扫描。扫描区域尺寸如图4所示。图4中，绿色代表扫描区域，灰色代表冲刷区域，x轴方向为离缝纵向，y轴方向为离缝横向，坐标轴原点位于扫描区域顶点处。

1.2　试验步骤

（1）将混凝土上下板清理干净并在板表面中心100 mm×100 mm区域边界线贴上黑色胶带，以便双目三维扫描仪获得混凝土板指定区域内的表面形貌。

（2）使用双目三维扫描仪结合3Dscan软件对加载前混凝土上下板指定区域表面形貌进行扫描。

（3）组装试验装置。

（4）将防水胶均匀涂抹到混凝土上下板两侧及最内侧（x=-100 mm处），颗粒流只在模拟的离缝中进行冲刷。

（5）在预制水箱中倒入颗粒浓度为10%的溶液直至没过混凝土上板下表面。

（6）将压力传感器测试端通过软管连接皮托管放入离缝内部，另一端与测试软件Smart Sensor连接后测出各测点动水压力。

（7）试验完成后拆下混凝土板，使用双目三维扫描仪对试验前同一区域表面形貌进行扫描。

试验模型示意图如图5所示。

1.3　试验工况及测点布设

水箱中的颗粒溶液共有2组，第1组采用现场离缝冒浆病害处的涌出物，第2组采用粒径为0.075~9.500 mm混凝土细骨料。水流由离缝最内侧（x=-100 mm处）流向离缝最外侧（x=200 mm处），水流方向为x轴正方向。层间离缝动水压力测点等距分布，测点间距为50 mm，1号测点位于层间离缝最内侧，7号测点位于层间离缝最外侧。测点分布如图6所示。

竖向荷载平均值为0.2 kN（加载装置重量），振幅为1.1 kN，加载频率为25 Hz^［13］，加载时间为100 h。加载曲线如图7所示。

2 层间离缝水流速度分布获取

2.1　动水压力分布特性

1）时间分布特性

在高频荷载作用下，不同测点动水压力变化趋势总体呈现正弦曲线形式，其值正负交替变化，随着荷载达到最大值后达到峰值。本文仅展示1号测点和6号测点动水压力时程曲线，如图8所示。

2）空间分布特性

提取不同测点动水压力的最大正压和最大负压，如图9所示。由图9可知：在1号测点处动水压力最大，即测点离离缝出口（x=200 mm）越远、动水压力越大。

2.2　混凝土层间水流特性

本试验层间离缝高度为10 mm，难以在模拟的离缝中测得层间离缝水流速度分布特性。为研究层间离缝水流速度对冲刷量的影响，在ANSYS Workbench中建立混凝土层间离缝流固耦合数值模型，计算层间离缝水流速度分布。利用Solidworks绘制几何模型，包括层间离缝区域内的水、装配式钢板工装及混凝土上下板，绘制的几何模型导入Workbench中几何结构模块，将层间离缝区域内的水设置为流体，其他结构设置为固体。

网格划分如图10所示。流固耦合模型中主要结构参数见表1。水的动力黏滞系数为1.002×10^-3 Pa · S，参考压强0 MPa。由于本流固耦合模型仅用于计算层间离缝水流速度分布特性，故不模拟实际试验中冲刷颗粒物质。

固体域中装配式工装与混凝土板接触面设置节点耦合，装配式工装底面设置为固定约束，混凝土板与流体域接触表面设置为流固耦合交界面，荷载作用在装配式工装上表面。固体域边界条件如图10所示。流体域中水流状态设置为层流；流体域开口处设置为开放边界，模拟水流的往复运动，流体域2个侧面及最内侧设置为固定边界，流体域上下表面设置为流固耦合交界面，交界面设置为无滑移壁面、运动网格。在流体域中心设置7个间距为50 mm的监测点，用于监测与试验测量点相同位置的动水压力和水流速度。流体域边界条件如图11所示。采用系统耦合将瞬态结构与流体流动耦合，在数据传输中，将固体域产生的位移传递给流体域，将流体域产生的力传递给固体域。

1）模型验证

在流固耦合数值模型中设置与试验条件相同的荷载参数，计算不同测点的动水压力，将不同位置测点动水压力计算值与试验结果对比，如图12所示。

由图12可知：动水压力计算值与试验值较为接近，最大误差出现在测点5位置处，相对误差为11.5%，整体误差较小。上述结果表明该流固耦合数值模型可以较好地再现层间颗粒冲刷试验，通过流固耦合模型计算出的水流速度分布是正确可靠的。

2）层间离缝水流速度分布

在流固耦合数值模型中设置与试验相同的荷载参数，计算层间离缝内水流速度，结果如图13所示。图13中的距离指与离缝最内侧（x=-100 mm）的距离。

由图13可知：离缝内水流速度与水流距离缝内部距离正相关，越靠近离缝出口的位置水流速度越大。计算得到的水流速度为后续研究混凝土层间颗粒流速度对冲刷效应的影响提供基础。

3 混凝土层间颗粒冲刷试验

3.1　冲刷效应

对试验前后使用双目三维扫描仪得到的点云数据进行处理，将混凝土板实物转化为可视化数字三维模型。使用Geomagic Studio软件对点云数据进行过滤降噪和三角化等优化处理，处理后的点云数据使用matlab中fcontour函数绘制混凝土表面形貌等高线图，得到混凝土上、下板表面中心100 mm×100 mm区域冒浆颗粒冲刷前后的等高线图，分别如图14和图15所示，图中横坐标与纵坐标与图4中坐标系意义相同，高程基准点为双目三维扫描仪标定时的基准点。

由图14可知：在冒浆颗粒冲刷后，C40混凝土上板预埋螺钉（三角形区域）的位置无任何变化；部分区域仍保留原特征；在矩形区域可以较为明显地看到高程色阶梯度下移，表明此处混凝土表面形貌的高程发生下降，混凝土表面凹凸不平处的颗粒发生脱落；在圆形区域可以看到混凝土表面凸起处的变化，经冲刷后混凝土表面一部分粗糙峰（凸起区域）变低、消失或形成一些新的粗糙峰，表明颗粒冲刷是一个再粗糙化的过程。

由图15可知：C15混凝土下板预埋螺钉处（三角形区域）的高程未发生任何变化，沿着水流方向其他区域高程均发生了不同程度的降低；根据矩形区域的变化可以看出，颗粒冲刷前混凝土表面较为光滑的区域在冲刷后表面会形成一部分粗糙峰；根据圆形区域的变化可以看出，颗粒冲刷前混凝土表面一些凸起的区域在冲刷后混凝土表面会变得相对光滑，这代表着该区域混凝土表面颗粒发生了脱落。

上述现象表明，在冲刷过程中冒浆颗粒运动会破坏混凝土表面细微颗粒的黏聚力，混凝土颗粒与基体发生脱离，其中一部分表面砂浆脱落，混凝土骨料露出，形成粗糙峰，一部分表面微凸体脱离，此处的混凝土表面会变得较为光滑。

3.2　混凝土配合比对冲刷效应的影响

颗粒流冲刷后混凝土上、下板的差异主要体现在混凝土表面冲刷量上，即冲刷前混凝土表面高程与冲刷后混凝土表面高程差。选择混凝土上、下板中心区域相同位置的横截面（x=50 mm处），结合前文处理后的由双目三维扫描仪得到的高程数据，得到冒浆颗粒冲刷下2者的冲刷量，结果如图16所示，图中横坐标与图4中坐标系y轴一致。

对比混凝土上下板冲刷量的最值、平均值、中位数，结果见表2。

结合图16和表2可知：相同横截面处C15混凝土下板的冲刷量远大于C40混凝土上板，C15混凝土下板的平均冲刷量为1.106 mm，而C40混凝土仅为0.186 mm，C15混凝土冲刷量是C40混凝土的6倍左右。

本次试验中，C15和C40混凝土试件浇筑养护条件相同，配合比不同。C40混凝土水胶比为0.41，C15混凝土为0.65，水胶比越小，孔隙率和孔径越小，材料之间的连接越密实，混凝土硬度越大，抗冲蚀能力也越强。这表明在一定范围内混凝土标号越高，其抗冲刷能力越强。

3.3　混凝土层间颗粒流速度对冲刷效应的影响

颗粒流冲刷后，混凝土表面不同区域的冲刷量也有一定差异。选取混凝土板中心区域一纵向截面（y=50 mm），结合前文处理后的由双目三维扫描仪得到的点云数据，得到冒浆颗粒冲刷下混凝土板不同纵向位置的冲刷量，如图17所示，图中横坐标与图4中坐标系x轴一致。

由图17可知：C15混凝土下板纵向位置0~50 mm区域的冲刷量大于50~100 mm区域的冲刷量，选取C15混凝土下板进行后续分析。

为研究此差异是否由混凝土表面粗糙程度不同所引起，引入分形理论分析表面形貌的特征。根据冲刷前纵向位置的高程数据，采用结构函数法^［15-17］计算混凝土板0~50 mm和50~100 mm这2个区域的分形维数。结构函数S\left(\tau \right)为粗糙表面轮廓函数的增量方差，其离散表达式为

\begin{array}{l}S\left(\tau \right)=\frac{\mathrm{1}}{N-n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{N-n}}{\left[Z\left(x_i+\tau \right)-Z\left(x_i\right)\right]}^{\mathrm{2}}\\ n=\mathrm{1,2},\dots ,N-\mathrm{1}\end{array}（1）

其中，

\tau =n△L

式中：τ为水平方向上的数据步长；△L为采样间隔；N为在采样长度L内的总采样数；Z（x_i ）为采样点x_i 处粗糙面的高程。

令△L=1，则n=τ，式（1）可写为

S\left(\tau \right)=\frac{\mathrm{1}}{N-\tau }{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{N-\tau }}{\left[Z\left(x_i+\tau \right)-Z\left(x_i\right)\right]}^{\mathrm{2}}（2）

将冲刷前C15混凝土下板纵向位置的高程数据Z（x）代入式（2），计算出混凝土板0~50 mm和50~100 mm这2个区域的结构函数S（τ），绘制混凝土板纵向截面不同区域的lgS（τ）-lgτ曲线，如图18所示。

由图18可得到非上升段拟合直线的斜率k，求得分形维数D=2—k/2。D表征结构表面轮廓的不规则和复杂程度，D越大，说明结构表面轮廓越密集，微凸体幅值越小，表面越光滑^［18］。

由图18可知：0~50 mm区域的分形维数为1.466，50~100 mm区域的分形维数为1.459，表明2个区域的粗糙程度近似相同，粗糙程度不是纵向截面不同区域冲刷量产生差异的主要因素。

纵向截面除表面粗糙程度不同以外还有颗粒流速度不同。由前文计算出的水流速度分布可知，在混凝土纵向截面0~50 mm和50~100 mm区域颗粒流的平均运动速度分别为0.17和0.11 m · s^—1，颗粒流速度越大，单位时间内颗粒与混凝土碰撞次数越多，冲刷量就更大，因此颗粒流速度是混凝土纵向截面冲刷量产生较大差异的主要影响因素。

3.4　颗粒粒径对冲刷效应的影响

结合前文处理后的由双目三维扫描仪得到的高程数据，得到冒浆颗粒和细骨料颗粒冲刷下C15混凝土下板中间区域相同位置处横截面（x=10 mm）的冲刷量，如图19所示。图19中横坐标与图4中坐标系y轴一致。冲刷量的最值、平均值、中位数，见表3。

由图19和表3可知：相同横截面处的冒浆颗粒冲刷量大于细骨料颗粒冲刷量，冒浆颗粒平均冲刷量为1.101 mm，细骨料颗粒平均冲刷量为0.587 mm，冒浆颗粒平均冲刷量接近细骨料颗粒平均冲刷量的2倍；冒浆颗粒和细骨料颗粒的粒径不同，细骨料颗粒的平均粒径为779.754 μm，冒浆颗粒的平均粒径为61.839 μm，细骨料颗粒的平均粒径是冒浆颗粒的12.6倍。

冲刷颗粒的平均粒径越大，混凝土表面冲刷量越小，主要原因是在相同位置的横截面，冲刷颗粒获得速度相同，颗粒平均粒径越大颗粒的起始流化速度也越大^［7］，因此颗粒流中颗粒平均粒径越大，混凝土表面单位面积在单位时间内受到的颗粒碰撞次数也越少。

4 结论

（1）在冲刷过程中颗粒运动会破坏混凝土表面细微颗粒的黏聚力，使混凝土表面形貌发生改变。冲刷过程中混凝土表面一部分砂浆脱落，混凝土骨料露出，形成新的粗糙峰；一部分微凸体脱离，表面变得较为光滑。

（2）在900万次高频荷载作用后，C40混凝土平均冲刷量为0.186 mm，C15混凝土平均冲刷量为1.106 mm，C40混凝土的冲刷量约为C15混凝土的1/6左右，一定范围内混凝土配合比与混凝土冲刷量正相关。

（3）颗粒流速度对混凝土冲刷量影响较大，颗粒流速度越大，混凝土冲刷量越大，冲刷颗粒的平均粒径越大，混凝土冲刷量越小。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52272442)

四川省科技成果转移转化示范项目(2022ZHCG0013)