无砟轨道沥青混凝土层被动拉伸损伤测试方法及系统与流程

本发明属于道路与铁道工程，具体涉及一种无砟轨道沥青混凝土层被动拉伸损伤测试方法及系统，旨在评价铁路路基防水封闭结构用沥青混凝土的抗裂性能，为铁路路基的长效防水与安全运维提供试验依据和技术支撑。

背景技术：

1、目前高速铁路普遍采用素混凝土、纤维混凝土、钢筋混凝土等水泥基材料对路基的线间和路肩进行防水封闭。运营实践表明，水泥基防水封闭层存在易开裂和嵌缝材料易失效等问题，导致路基出现冻胀、翻浆冒泥、沉降等病害。全断面沥青混凝土防水封闭结构是近年来高速铁路路基防排水最新的技术成果。所谓全断面沥青混凝土防水封闭结构是将沥青混凝土层铺设于路基基床表层顶面全断面，实现路基面的整体化防水。该结构具有整体化防水、材料可根据环境定制、施工方便、质量可控等诸多优点。

2、采用全断面沥青混凝土封闭结构条件下，无砟轨道混凝土支承层（或底座）直接铺设于全断面沥青混凝土结构表面。由于水泥混凝土与沥青混凝土热膨胀系数差异较大，导致温度荷载作用下无砟轨道底座伸缩缝处的沥青混凝土层出现约500με~800με的表面应变集中，存在被动拉伸损伤风险，加之高速列车荷载作用下沥青混凝土层的最不利受力位置为底座伸缩缝与边缘位置，因此底座伸缩缝处的沥青混凝土层为该结构体系的薄弱环节，应予以重点关注。

3、然而，目前针对该沥青混凝土防水封闭结构薄弱环节的研究，多集中于温度场分布特征及相应的处置措施，而用于评价其抗温度疲劳开裂性能及预测疲劳寿命的室内试验方法则相对匮乏。如何定量确定无砟轨道底座伸缩缝处沥青混凝土层的被动拉伸损伤行为已成为关键技术难题。为此，本发明提出一种无砟轨道沥青混凝土层被动拉伸损伤测试方法及系统，旨在用于评价沥青混凝土层的抗裂性能，为全断面沥青混凝土防水封闭技术的推广应用提供技术支撑。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种无砟轨道沥青混凝土层被动拉伸损伤测试方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，准备工作，包括：进行沥青混凝土配合比设计，并模拟沥青混凝土在施工过程中的短期老化；采用旋转压实法成型圆柱体试件，并将所述圆柱体试件切割修整为长方体标准试件；将所述标准试件粘结于两个底板上，所述两个底板之间预留有用于模拟无砟轨道底座伸缩缝的间隙，粘结时在试件上方放置压块以确保充分接触；

3、步骤s2，试验工作，包括：

4、将粘结后的试件置于设定温度的恒温环境中保温；

5、建立无砟轨道-沥青混凝土层结构的三维热-力耦合有限元模型，依据瞬态热传导方程求解所述结构内部的温度场分布

6、

7、其中  为材料密度，量纲为千克每立方米； 为比热容，量纲为焦耳每千克开尔文； 为温度，量纲为摄氏度； 为时间，量纲为秒； 为导热系数，量纲为瓦特每米开尔文；

8、依据热弹性力学本构关系求解所述结构的应力场与位移场分布

9、

10、其中  为应力张量，量纲为兆帕； 为弹性刚度矩阵，量纲为兆帕； 为总应变张量，无量纲； 为热膨胀系数张量，量纲为每摄氏度； 为温度变化量，量纲为摄氏度；

11、基于所述位移场的数值模拟结果，提取底座伸缩缝处沥青混凝土层的水平位移量，获取降温幅度与伸缩缝拉伸位移量之间的对应关系；

12、根据所述对应关系确定目标降温幅度对应的拉伸位移量，采用水平液压加载装置，以预设的位移波形和荷载周期，对所述试件施加循环拉伸荷载；

13、持续加载直至满足预设的停止准则，并记录加载过程中的荷载数据；

14、步骤s3，获取试验结果，包括：记录首次循环的最大荷载；

15、步骤s4，获取试验报告，包括：根据预设的评定规则确定试验结果。

16、本发明还公开一种无砟轨道沥青混凝土层被动拉伸损伤测试系统，其特征在于，包括：

17、水平液压加载装置，用于对粘结有试件的底板施加水平循环拉伸荷载；

18、测试装置，用于在试验过程中记录时间、温度、位移、荷载及循环次数；

19、沥青混凝土拌和机，用于制备沥青混合料；

20、烘箱，用于对试件进行烘干和保温；

21、试模，用于成型试件；

22、控制单元，所述控制单元包括有限元计算模块、波形发生模块和损伤判定模块，所述有限元计算模块用于依据瞬态热传导方程和热弹性力学本构关系计算无砟轨道-沥青混凝土层结构的温度场与位移场分布，以获取降温幅度与伸缩缝拉伸位移量之间的对应关系；所述波形发生模块用于依据正弦三角形位移波函数生成加载控制信号；所述损伤判定模块用于在每个循环周期结束时依据损伤变量递推公式 计算当前损伤变量，并在所述损伤变量达到临界值时发出停止指令。

23、有益效果

24、1、本发明在试件制备过程中，通过模拟沥青混凝土在施工过程中的短期老化（步骤s1-2），使试验室制备的试件性能与工程现场沥青混凝土层的初始状态高度吻合，解决了常规试验中因忽略施工工艺影响而导致的测试结果偏于危险的问题，确保了测试结果能够真实反映工程实际服役性能。

25、2、本发明基于无砟轨道-沥青混凝土层温度分布特性的三维热-力耦合有限元计算，依据瞬态热传导理论对结构温度场进行求解，并依据热弹性力学理论对应力场与位移场进行分析，将宏观气候条件（降温幅度）转化为室内可精确控制的拉伸位移参数，确定了降温幅度与伸缩缝拉伸位移量之间的定量对应关系（步骤s2-7），克服了现有研究仅停留在温度场分布描述而缺乏有效测试手段的技术瓶颈，实现了温度荷载作用下沥青混凝土层被动拉伸损伤的实验室定量再现。

26、3、本发明结合crts ⅲ型板式无砟轨道相邻底座之间伸缩缝宽度为2 cm的工程实际，在试件制备中将初始缝宽设置为2 mm（步骤s1-12），在试验加载中控制初始裂缝宽度为2 mm（步骤s2-8），使试验条件与工程现场受力状态保持一致，确保了室内测试结果对工程实际具有直接的指导意义。

27、4、本发明采用正弦三角形位移波作为试验荷载波形，实现了加载速率为恒定值的线性加载-卸载过程（步骤s2-8），能够精确模拟匀速降温条件下结构变形的线性变化特征；通过几何相似换算建立了试验位移量与工程实际位移量之间的定量映射关系，并通过准静态加载条件确保了加载的有效性；以损伤变量及其演化过程作为停止判定的理论依据，当损伤变量达到临界值时判定材料发生宏观疲劳损伤（步骤s2-8），既建立了具有明确物理意义的损伤判定标准，又兼顾了试验效率，解决了传统疲劳试验中停止准则随意性大、测试结果可比性差的问题。

28、5、本发明以首次循环最大荷载作为评定指标，采用每组3个平行试件、以标准差的1.15倍为异常值剔除阈值的统计处理方法（步骤s4），保证了试验数据的可靠性和代表性；依据最冷月极端最低气温将全国划分为三个气候分区，分别规定荷载循环次数不低于300次、500次和700次的性能要求（表1），将室内测试数据直接转化为工程适用性判定指标，为不同气候区铁路路基防水封闭结构的材料选型提供了量化依据，解决了现有技术中缺乏定量评价指标的技术难题。

29、6、本发明构建的测试系统包括水平液压加载装置、测试装置、沥青混凝土拌和机、烘箱、试模及辅助工具，并集成包含有限元计算模块、波形发生模块和损伤判定模块的控制单元，各部件针对本测试方法的实际需求进行一体化设计与参数匹配：水平液压加载装置采用伺服液压闭环控制，实现了正弦三角形位移波的高精度复现；测试装置具备实时损伤判定与自动停止控制功能；烘箱温度均匀度确保试件初始状态一致性；试模与切割模板的高精度设计保证了试件几何尺寸的规范性。通过各部件的协同工作与算法集成，本系统实现了从材料制备、温度处理、精确加载到数据采集与损伤实时判定的全流程自动化测试，为全断面沥青混凝土防水封闭技术的推广应用提供了可靠、高效的性能评价平台。