板式无砟轨道混凝土低温冻结行为研究

摘要

CRTSⅠ型板式无砟轨道具有轨道结构简单，施工方便，可维修性好以及基础适应能力强等特点，然而我国寒区冬季寒冷漫长、昼夜温差大，寒区CRTSⅠ型板式无砟轨道在运营过程中因低温冻结会出现严重的底座板粉化、表层混凝土剥落等现象，因此，研究低温冻结行为对CRTSⅠ型板式无砟轨道的影响有着重要的现实意义。本文分析了寒区环境下的无砟轨道混凝土孔隙压力，基于温度-应力耦合计算模型，通过Comsol有限元软件建立了CRTSⅠ型板式无砟轨道低温冻结模型，探究了寒区环境对轨道结构的影响规律；模拟底座板混凝土粉化对无砟轨道抗冻性的影响，给出底座板粉化后的整治方案；提出了寒区无砟轨道的保温防冻措施，并利用有限元模型分析了保温措施的可行性。主要研究内容如下：　　(1)介绍了无砟轨道混凝土材料孔隙结构的物理参数，主要有孔隙率、孔隙分布、最可几孔径和总比孔容等，并总结了孔隙分类方法。阐述了无砟轨道混凝土孔隙结构的测试方法，包括压汞法、气体吸附法和图像分析法，研究了寒区环境下的无砟轨道混凝土的孔隙压力。　　(2)介绍了无砟轨道混凝土材料的结冰规律，考虑低温结冰作用下混凝土孔隙水-冰相变产生潜热的特点，将温度-应力耦合计算模型扩展并应用于无砟轨道混凝土低温冻结过程中热-力学问题的分析。详细阐述了CRTSⅠ型板式无砟轨道低温冻结模型在Comsol软件中的实现方法，并通过与清华大学曾强博士的试验结果对比，验证了模型的合理性。　　(3)基于CRTSⅠ型板式无砟轨道低温冻结模型，研究了寒区环境下CRTSⅠ型板式无砟轨道的温度场、Tresca应力和第一主应变，并分析了不同孔隙率和冻结次数对寒区环境下CRTSⅠ型板式无砟轨道的影响规律，结果表明，孔隙率和冻结次数的增加，均对轨道结构的抗冻性产生不利影响。　　(4)模拟了底座板粉化后，寒区环境下轨道结构的Tresca应力和第一主应变变化情况，并根据寒区CRTSⅠ型板式无砟轨道底座板混凝土粉化的程度，提出了合理有效的整治措施。　　(5)为了减少底座板粉化等现象的发生，降低寒区无砟轨道受低温冻结行为的影响，利用有限元模型分析了采取保温防冻措施提高寒区CRTSⅠ型板式无砟轨道抗冻性的可行性，结果表明，采取保温防冻措施，降低轨道表面的对流换热系数，可在一定程度上减小寒区无砟轨道受低温冻结行为的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1混凝土冻融破坏研究现状

1.2.2.轨道结构冻融破坏研究现状

1.4本文主要内容及技术路线

1.4.1主要研究内容

1.4.2技术路线

第2章 无砟轨道混凝土的孔隙结构

2.1 无砟轨道混凝土的孔隙分类方法

2.2 无砟轨道混凝土孔隙结构的物理参数

2.2.1无砟轨道混凝土的孔隙率

2.2.2无砟轨道混凝土的孔隙分布

2.2.3无砟轨道混凝土的孔隙最可几孔径

2.2.4无砟轨道混凝土的孔隙总比孔容

2.3无砟轨道混凝土的孔隙结构的测试方法

2.3.1压汞法

2.2.2气体吸附法

2.2.3图像分析法

2.4 无砟轨道混凝土寒区环境下的孔隙压力

2.4.1孔隙压力中的静水压力

2.4.2孔隙压力中的结晶压力

2.5本章小结

第3章 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道混凝土低温冻结过程数值模拟

3.1无砟轨道混凝土材料的结冰规律

3.2无砟轨道混凝土低温冻结行为的控制方程

3.2.1 考虑孔隙压力的应力场

3.2.2考虑水-冰相变的温度场

3.3无砟轨道混凝土低温冻结过程数值模拟

3.3.1 Comsol Multiphysics 有限元介绍

3.3.2混凝土低温冻结模型验证

3.3.2 CRTSⅠ型板式无砟轨道低温冻结模型

3.4 本章小结

第4章 寒区环境下CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的低温冻结行为分析

4.1.1寒区环境下的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道温度场

4.1.2寒区环境下的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道Tresca应力

4.2.2寒区环境下的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道第一主应变

4.2 不同孔隙率下低温冻结对CRTS I型板式无砟轨道的影响

4.2.1不同孔隙率下的Tresca应力

4.4.2不同孔隙率下的第一主应变

4.3 冻结次数对CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的影响

4.3.1不同冻结次数下的Tresca应力

4.3.2不同冻结次数下的第一主应变

4.4本章小结

第5章 寒区环境下的无砟轨道粉化整治与保温防护

5.1 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道底座板混凝土粉化的数值分析

5.1.1 底座板混凝土粉化后的Tresca应力和第一主应变

5.2 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的底座板混凝土粉化整治

5.2.1修复材料

5.2.2一般粉化程度的底座板伤损整治

5.2.3严重粉化程度的底座板伤损整治

5.2.4作业环境要求和验收标准

5.3 寒区环境下CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的保温防冻数值模拟

5.3.1保温防冻下的轨道结构温度场

5.3.2保温防冻下的Tresca应力

5.3.3保温防冻下的第一主应变

5.4本章小结

结论与展望

本文的主要工作与结论

进一步的工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文