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原文传递 CRTS Ⅰ型板式轨道CA砂浆动态力学性能试验及理论研究

论文题名：	CRTS Ⅰ型板式轨道CA砂浆动态力学性能试验及理论研究
关键词：	板式无砟轨道;水泥乳化沥青砂浆;动态力学性能;疲劳寿命
摘要：	水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）是CRTSⅠ型板式无砟轨道结构的关键工程材料之一，起着支承、调整、减振、隔振和阻断裂纹的作用，其质量的好坏直接关系到板式无砟轨道的耐久性和列车运行的平稳性和安全性。水泥乳化沥青砂浆充填层在服役过程中出现了开裂、破碎等普遍的病害，目前国内外关于其损伤劣化机理缺乏系统研究。本文针对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的伤损问题，对CA砂浆充填层的力学性能劣化机理进行理论与试验研究。考虑CA砂浆的粘弹性特性，建立了板式无砟轨道粘弹性计算模型，计算了CA砂浆层的应变速率，进行了不同条件下CA砂浆的力学性能试验;利用板式无砟轨道粘弹性计算模型分析了CA砂浆劣化对轨道力学性能及CA砂浆自身疲劳寿命的影响;基于应力波理论，初步探索了垂向压应力波作用下CA砂浆的损伤劣化规律。主要研究工作及所取得的成果如下: 　　1.板式无砟轨道粘弹性计算模型及水泥乳化沥青砂浆层应变速率研究　　粘弹性材料具有明显的蠕变现象，基于现场取样CA砂浆试件的单轴蠕变试验，研究了CA砂浆材料的粘弹性特性，并利用有限元软件模拟了CA砂浆的蠕变过程;最后基于弹性地基梁体理论，建立了能考虑水泥乳化沥青砂浆层粘弹性特性的板式无砟轨道粘弹性计算模型，研究了水泥乳化沥青砂浆层的应变速率。研究结果表明:现有Burgers模型和“四单元五参数”模型均能较好地模拟CA砂浆的压缩蠕变特性;利用有限元软件模拟蠕变过程，其计算结果与试验数据的误差在2％以内，说明可采用有限元软件模拟分析CA砂浆的粘弹性特性。与现场实测及相关仿真结果对比验证了板式无砟轨道粘弹性计算模型的可靠性与正确性，CA砂浆充填层在移动荷载作用下的应变速率在1×10-5/s～1×10-1/s之间，根据目前试验用的CA砂浆试件尺寸，对应的加载速率应为0.03mm/min～300mm/min，而目前我国“暂规”规定的加载速率为1mm/min，尚不能完全反映现场CA砂浆的服役特性。　　2.不同应变速率、荷载历史及环境条件下水泥乳化沥青砂浆损伤规律研究　　结合水泥乳化沥青砂浆层的实际服役状态，基于仿真得到的CA砂浆充填层的应变速率，系统研究了不同应变速率、荷载历史及环境条件下水泥乳化沥青砂浆的损伤劣化规律。研究结果表明，水泥乳化沥青砂浆的力学性能具有明显的应变速率敏感性，且随着应变速率的提高，CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈幂指函数增大，且采用形如y=a+bx的幂指函数能更好地拟合CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变与应变速率的关系;由于CA砂浆的应力应变存在滞后效应，在相同的应变情况下，应变速率越低CA砂浆的破坏越严重;随着应变速率的增大，CA砂浆的损伤应力槛值及损伤应变槛值均增大。　　随着初始静态荷载的增大，CA砂浆的抗压强度有降低的趋势;在循环荷载作用下，CA砂浆的抗压强度和弹性模量与应变速率仍然呈幂指数的关系，其中抗压强度随循环荷载幅值和次数的增大而降低，但弹性模量有增大的趋势;重复加卸载作用下CA砂浆的抗压强度较单调荷载作用的强度要低，这说明重复加卸载对CA砂浆造成了不可恢复的损伤，根据重加卸载的试验结果建立了重复加卸载下的曲线方程，能较真实地反映CA砂浆在重复加卸载下的力学特性。　　水泥乳化沥青砂浆存在严重的浸水软化现象，经过长期浸泡后CA砂浆的强度和弹性模量与同龄期的试件相比，降低幅度均达到50％左右;干湿循环作用与水浸泡作用类似，也将导致CA砂浆软化，说明水损害是CA砂浆损伤劣化的主要因素之一。　　3.建立了能表达CA砂浆应力应变关系的数学模型，并与实测应力应变曲线验证　　基于系统开展的水泥乳化沥青砂浆的力学性能试验，参考混凝土应力应变关系数学模型的研究方法，建立了能考虑应变速率效应的CA砂浆应力应变关系的数学模型，并与不同工况下实测的应力应变曲线进行拟合。研究表明:采用本文建立的应力应变关系的数学模型能较好的表达不同应变速率、不同荷载历史和不同环境下CA砂浆的应力应变曲线。　　4.研究了水泥乳化沥青砂浆劣化及脱空对板式轨道力学性能的影响，并提出了提高CA砂浆耐水性的措施　　利用板式无砟轨道粘弹性计算模型，研究了水泥乳化沥青砂浆劣化、砂浆层脱空及砂浆劣化与脱空同时存在时对轨道系统力学性能及CA砂浆自身疲劳寿命的影响，考虑水损害是CA砂浆劣化的主要因素之一，研究了乳化沥青电荷类型及不同砂的材质对其耐水性的影响。研究结果表明:同时考虑CA砂浆劣化及脱空后，轨道部件的位移及受力均增大，其中CA砂浆的垂向压应力将增大8倍，且CA砂浆的疲劳寿命将不能满足其60年的使用寿命要求。采用石英质岩石制备的砂作为细骨料，并选用阳离子的乳化沥青可提高CA砂浆的耐水性。　　5.探索了垂向压应力波作用下水泥乳化沥青砂浆层的损伤劣化规律　　基于应力波理论，研究了水泥乳化沥青砂浆在垂向压应力波作用下的损伤劣化规律，并考虑了不同应力波的应力幅值、水泥乳化沥青砂浆层抗压强度及压拉比的影响。研究表明:在垂向应力波作用下，水泥乳化沥青砂浆层先从角部发生损伤，且随应力波幅值的增大、砂浆抗压强度的降低及压拉比的增大，损伤面积不断增大。
作者：	徐浩
专业：	道路与铁道工程
导师：	王平
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文