一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法技术

本发明专利技术公开了一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，包括S1、根据动弹性波试验获取已浇筑混凝土试件的多孔骨架体积压缩模量，并计算得到Biot系数；S2、根据CT扫描和图像识别技术，获取混凝土试件孔结构分布参数和整体孔隙率；S3、根据所述孔结构分布参数，计算得到混凝土试件冻结过程中温度‑冻结速率的关系曲线；S4、根据Young‑Laplace方程冰‑未冻水平衡以及冰‑吸附水膜平衡关系，构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系；S5、基于多孔介质力学、多孔介质内水分迁移达西定律和多孔体系热传导Friour定律，构建多孔介质应力场‑温度场‑渗流场的耦合控制方程，得到冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用关系。

【技术实现步骤摘要】
一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法
本专利技术属于轨道冻结与损伤行为的
，具体涉及一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法。
技术介绍
我国地域辽阔，有相当大的部分地区处于严寒地带，而该区域混凝土结构面临强烈的冻融循环作用。气象统计数据结果表明，兰州地区的年平均冻融循环次数达83.6次，黑龙江哈尔滨冻融循环次数约45次作用，即便江苏南京地区的年平均冻融循环次数也达到19.9次，冻融破坏是我国北方寒冷地区混凝土结构损伤失效的主要原因之一。无砟轨道结构设计时，虽然考虑了轨道结构的排水及抗冻性，并做了相应的排水及抗冻性设计。但由于施工和养护不当，在雨水丰富地区和排水不畅地段导致有大量的水会沿着表面裂缝或层间离缝渗入轨道结构内部，即使排水较好的区域由于低温环境下轨道板积雪，温度升高融化将导致很大比例的水分沿孔隙及微裂隙渗流进入轨道结构内部。因此，北方寒冷地区部分无砟轨道已出现较为严重的冻结与损伤行为。其中，I型双块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨枕、道床板、混凝土底座或支承层组成，在我国铺设广泛，其中大西、西宝、兰新、宝兰等严寒地带都大量采用了I型双块式为主的轨道结构形式。双块式无砟轨道在桥梁地段采用单元结构，路基和隧道地段采用连续结构。其轨枕为工厂预制，道床板、底座板或支承层采用现场浇筑，对桥梁、路基、隧道等线下基础的适应性较好，但由于为现浇结构，浇筑养护后极易产生干缩裂缝，水分更易渗入轨道内部，因此面临更为严峻的冻结与损伤行为威胁。Powers提出的静水压理论为混凝土冻融受力的量化分析奠定了基础，此后国内外学者展开了大量研究，陆续提出了渗透压理论(Powers)、结晶压理论(Scherer)、微结冰理论(Setzer)、粘结剥落理论(Valenza)以及基于热力学原理建立的联系宏观结构与微观受力的多孔介质力学理论(Coussy)。在数值计算方面，T.Ueda等人(2009)基于刚体弹簧方法(RBSM)，通过引入零强度单元及塑形拉伸弹簧，建立了混凝土中尺度计算模型，分析了冻融引起的应力演化、裂纹扩展、强度退化问题以及冻融后混凝土的受弯性能；LinLiu，WeiSun等人采用水泥浆体数值微观结构，基于离散化的格构单元法，建立了含量化微观损伤的三维格构模型，分析了饱水状态、外荷载及冻结共同作用下水泥浆体微观结构的受力及微裂纹的分布；QingliDai在细观角度采用扩展有限元(XFEM)研究了过冷条件下孔内结晶压力对混凝土内裂纹扩展的影响。上述研究均通过将经验或理论预测的孔隙压力以外荷载的方式引入到模型中，并未考虑材料应力与孔隙压力的耦合关系。基于水-热-力耦合多孔介质力学物理表达式，采用毛细孔内冰水压力平衡关系，B.Zuber,J.Marchand在微观尺度下研究了低温冻结过程中气孔尺寸及间隔尺寸对水泥基材料变形的影响；段安分析了混凝土试块受低温冻结过程中的温度场、应变场以及孔内压力场的分布规律；曾强研究了冻结速率及气孔内压力边界条件对水泥基材料变形的影响。而混凝土冻结与损伤行为研究在无砟轨道领域中应用尚浅，低温冻结与损伤行为对无砟轨道的影响规律尚不明确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，以解决或改善上述的问题。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其包括：S1、根据动弹性波试验获取已浇筑混凝土试件的多孔骨架体积压缩模量，并计算得到Biot系数；S2、根据CT扫描和图像识别技术，获取混凝土试件孔结构分布参数和整体孔隙率；S3、根据所述孔结构分布参数，计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线；S4、根据Young-Laplace方程冰-未冻水平衡以及冰-吸附水膜平衡关系，构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系；S5、基于多孔介质力学、多孔介质内水分迁移达西定律和多孔体系热传导Friour定律，构建多孔介质应力场-温度场-渗流场的耦合控制方程，得到冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用关系。优选地，步骤S1中计算得到的Biot系数b为：其中，K0为多孔骨架压缩模量，Km为固体基质压缩模量。优选地，步骤S3中计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线为：其中，温度降低过程中水的质量结冰率，ρw为水的密度，wi为水的结冰质量；Vw-i为孔隙内冰的体积含量，其计算表达式为：Vw-i＝φ(Rpeq)-Vads(Rpeq)吸附层的体积含量Vads为：其中，为孔径分布函数，Rn为结晶的最大孔隙半径，r为孔隙半径；孔径Rpeq为：Rpeq＝Req+δ其中，Req为冰晶体尖端平衡半径；δ为孔隙水膜厚度之和，其表达式为：其中，θ为摄氏温度；冰晶体尖端平衡半径Req为：其中，γls为冰与水表面张力，T0为正常水冰点，Rmax为冰晶体尖端最大半径。优选地，步骤S4中构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系为：P*(θ)＝Pw(θ)+X其中，Pi为孔隙冰压力，Pw为孔隙水压力，γ为冰与水表面张力，Req为冰晶体尖端平衡半径，πw为吸附层水压力，P*(θ)为平均孔隙压力，Pw(θ)为结冰孔，X为未结冰孔；未结冰孔X的表达式为：其中，n为整体孔隙率，Rpeq(θ)为结晶的最小孔隙半径，Req(θ)为冰晶体尖端平衡半径。优选地，步骤S5中构建多孔介质应力场-温度场-渗流场的耦合控制方程分别为：当不考虑体力的作用下，多孔介质微元的应力场控制方程为：其中，为张量算子，C0多孔介质骨架的弹性刚度张量，ε为多孔骨架的应变，I为单位张量，由于温度变化是孔隙压力变化的直接原因，令：其中，K0为多孔骨架压缩模量，α0为多孔骨架的体膨胀系数；忽略对流对热传导的影响，并考虑相变潜热，则多孔介质的温度场控制方程为：其中，ρm为多孔骨架密度，为变温速率，λ为热传导系数，L为水的相变潜热，多孔体系比热容为Cef：其中，Cm、Cw和Cw分别表示多骨架、水以及冰的比热容，λef、λm、λw、λi分别为多孔体系、骨架、水以及冰的热传导系数，Sw为水饱和度，ρw为水密度，Si为冰饱和度，ρi为冰密度；混凝土冻结过程中的内水分迁移，即渗流场的控制方程为：其中，k为渗透系数，μ为水的动力粘滞系数，为体应变，S为压力源项，其中，β为多孔弹性储水修正系数，Kw为水的压缩模量，Ki为冰的压缩模量；其中，αw、αi、α0分别为水、冰、多孔骨架的体膨胀系数。本专利技术提供的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，具有以下有益效果：本专利技术通过多孔介质内的渗流、传热过程、应力场本构及相互耦合作用，考虑孔隙结构对水分冻结温度的影响，并基于弹性多孔介质力学，研究了冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用规律，为无砟轨道混凝土冻结与损伤行为问题的应对及防治工作提供理论指导。附图说明图1为孔结构分布曲线。图2为双块式无砟轨道横截面示意图。图3为PasteI试验与数值结果。图4为PasteII试验与数值结果。图5为水压力空间分布。图6为支承层孔内水压力演化。图7为道床板孔内水压力演化。图8为道床板和支承层结晶压力。图9为水压力源项组成及演化。图10为支承层结冰速率。图11为道床板结冰速率。图12为道床板和支承层冰饱和度。图13为温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，包括：S1、根据动弹性波试验获取已浇筑混凝土试件的多孔骨架体积压缩模量，并计算得到Biot系数；S2、根据CT扫描和图像识别技术，获取混凝土试件孔结构分布参数和整体孔隙率；S3、根据所述孔结构分布参数，计算得到混凝土试件冻结过程中温度‑冻结速率的关系曲线；S4、根据Young‑Laplace方程冰‑未冻水平衡以及冰‑吸附水膜平衡关系，构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系；S5、基于多孔介质力学、多孔介质内水分迁移达西定律和多孔体系热传导Friour定律，构建多孔介质应力场‑温度场‑渗流场的耦合控制方程，得到冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用关系。

【技术特征摘要】
1.一种无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，包括：S1、根据动弹性波试验获取已浇筑混凝土试件的多孔骨架体积压缩模量，并计算得到Biot系数；S2、根据CT扫描和图像识别技术，获取混凝土试件孔结构分布参数和整体孔隙率；S3、根据所述孔结构分布参数，计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线；S4、根据Young-Laplace方程冰-未冻水平衡以及冰-吸附水膜平衡关系，构建平均孔隙压力与温度、孔结构之间的函数关系；S5、基于多孔介质力学、多孔介质内水分迁移达西定律和多孔体系热传导Friour定律，构建多孔介质应力场-温度场-渗流场的耦合控制方程，得到冻融过程中无砟轨道内结构受力、热量传输和水分迁移之间的相互作用关系。2.根据权利要求1所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S1中计算得到的Biot系数b为：其中，K0为多孔骨架压缩模量，Km为固体基质压缩模量。3.根据权利要求1所述的无砟轨道冻结与损伤行为计算方法，其特征在于，所述步骤S3中计算得到混凝土试件冻结过程中温度-冻结速率的关系曲线为：其中，温度降低过程中水的质量结冰率，ρw为水的密度，wi为水的结冰质量；Vw-i为孔隙内冰的体积含量，其计算表达式为：Vw-i＝φ(Rpeq)-Vads(Rpeq)吸附层的体积含量Vads为：其中，为孔径分布函数，Rn为结晶的最大孔隙半径，r为孔隙半径；孔径Rpeq为：Rpeq＝Req+δ其中，Req为冰晶体尖端平衡半径；δ为孔隙水膜厚度之和，其表达式为：其中，θ为摄氏温度；冰晶体尖端平衡半径Req为：其中，γls为冰与水表面张力，T0为正常水冰点，Rmax为冰晶体尖端最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：任娟娟，李潇，刘学毅，王吉，邓世杰，杜威，李浩蓝，李家乐，曾学勤，韦臻，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51