多雨地区高速铁路无砟轨道基础结构性能劣化失效机理研究

成果完成人：徐桂弘、杨荣山，刘振男、张志俊、张卫彪

个人简介：

徐桂弘简介：

徐桂弘，女，河北省平乡县人，工学博士，教授，毕业于西南交通大学，所学专业为道路与铁道工程，研究方向为高速重载轨道及轨道动力学，目前就职于贵州理工学院。出版学术专著2部，共50余万字。发表学术论文30余篇，其中EI/SCI检索20余篇，获得国家自然基金3项，完成贵州省自然基金2项，在贵州省重点基金1项，获软件著作权1项，专利2项。2019年获得贵州省第15届青年科技奖1项，2019年获贵州省第二届“三好软件杯”建筑施工仿真应用技能大赛优秀指导老师奖1项。2021年获贵州省自然科学奖一项（三等奖，排名第一），2023年入选贵州省百层次人才。

团队简介：

土木工程学院“绿色建造及交通基础设施研究团队”于2020年自发组成，是一个充满活力和创新精神的团队，致力于开展磷石膏、煤矸石等大宗固废资源化利用，道路、桥梁、轨道等交通基础设施领域的研究与实践。目前团队成员13人，校内成员7人（徐桂弘、任旭、陈孜伟、段莉、沈汝伟、刘振男、何立、张志俊），校外成员6人。其中教授2人，副教授3人，博士5人。本团队主要围绕贵州省“四新”主攻“四化”主战略和“四区一高地”主定位，以“生态文明建设先行区”为指引，以“强责任、精技术、善管理、重实践、求创新”为目标开展人才培养、科学研究及社会服务。该团队成员始终保持严谨、稳重、理性的态度，积极承担责任并勇于攻坚克难，发挥了“一党员一旗帜，一旗帜一先锋”的模范作用，为学院内部培育出了一个积极向上的科研文化。

科研成果建设背景/意义

到2022年初，铁路线跨越了各种地形、地貌和气候特征，全国营业总里程达到15.5万公里，高铁运营里程突破4.2万公里。路网覆盖全国99%的20万人口以上城市和81.6%的县，高铁通达94.9%的50万人口以上城市，布局合理、覆盖广泛、层次分明、配置高效的铁路网络基本形成。随着轨道交通运行速度持续提升、运载重量不断增大、运行环境愈趋复杂，无砟轨道结构作为高速铁路基础设施的核心装备，面临的力学问题更加突出，也更趋复杂。本项目研究为国家正在实施的“交通强国”战略及“高铁走出去”高端装备提供技术支撑，取得了显著的经济社会效益。

科研成果建设内容

2023年《多雨地区高速铁路无砟轨道基础结构性能劣化失效机理研究》针对典型的高速铁路无砟轨道结构劣化失效机制，开展理论与试验研究。对疲劳荷载作用及雨水侵入条件下裂纹内部水压力的动态演化过程、裂纹的扩展性态开展了理论与试验研究，分析裂纹扩展机理及动水压力的作用特性。针对疲劳荷载作用下层状结构构件的伤损脱联过程开展了试验研究，分析层状结构构件在不同加载时间段的孔隙坍塌效应，研究微裂隙、微孔洞的产生和演化导致材料性能的嬗变机理。

（1）研究列车高周疲劳荷载作用下无砟轨道层状裂纹内部水压力的分布特性。研究高周疲劳荷载作用下，无砟轨道板脱空充填水压力的作用特性、裂纹的受力与变形计算理论和方法，探寻无砟轨道结构材料劣化机理和动力性能演化规律。

图1无砟轨道基础结构面临的问题

该项研究结果初步探索了水压力在狭小空间内的分布规律，为逐步从定性到定量地表征高速铁路基础结构的动态性能演化、无砟轨道结构雨水条件下的失效行为机制奠定了基础。

（2）研究列车高周疲劳荷载作用下，弱连接、多层结构体系的服役状态特性及劣化演变机制。如图2～5所示。

图2 TCS复合试件结构组成图

 图3模型试件成型

图4应力幅-位移关系

图5TCS-3位移-循环周次关系

（3）研究“轨道板-CA砂浆-混凝土”（TCS）复合模型结构损伤特征。确定了CA砂浆技术标准的力学性能指标，为研究无砟轨道结构动态性能演变与失效机理、建立更加符合实际的疲劳荷载作用下“填充层”破坏机制和科学合理的本构关系提供了参考。

主要创新点

1.针对无砟轨道混凝土结构微观裂纹萌生、扩展机理，建立疲劳荷载-水耦合作用下无砟轨道裂纹扩展计算方法。

2.针对无砟轨道结构劣化性能，开展疲劳荷载-水耦合作用下无砟轨道结构劣化条件下服役状态研究。

3.基于临界面方法，研究高周CRTSⅡ无砟轨道结构支承层部件在重复载荷下高周疲劳预测方法，分析CRTSⅡ无砟轨道SCC结构关键节点的疲劳寿命。

一审：姚楠

二审：巫敏

三审：李朋