基于现场原位测试与数值反演分析的重载铁路轨道结构评估方法

《Infrastructures》：Structural Evaluation Procedure for Heavy Haul Railway Tracks Using Field Instrumentation and Numerical Back-Analysis Ant?nio Carlos Rodrigues Guimar?es, William Wilson dos Santos, Lucas Marinho Buzatto, Caio Vinícius Schlogel, Gabriel de Carvalho Nascimento, Sergio Neves Monteiro and Lisley Madeira Coelho

　　

运营中铁路轨道的结构评估需要将现场测量与能够充分代表永久轨道结构组件力学行为的数值模型相结合。在此背景下，本研究基于现场原位测试、实验室试验以及基于有限元法（Finite Element Method, FEM）的数值模拟，对一段铁路进行了结构分析，其中对所有轨道组件均采用线弹性及回弹材料行为模型，使用SysTrain软件（v.1.88）进行。本研究的目标是评估一种基于现场原位测试与数值建模的反演分析方法的应用效果，并验证在役铁路路面的结构状态。反演分析使用SysTrain软件进行，重点校准道床回弹模量（Resilient Modulus, RM）并分析其对轨道结构内应力、内力和位移传播的影响。为此，研究人员使用了安装在轨枕端部的LVDT（线性可变差动变压器）传感器测得的现场挠度数据，以及通过实验室试验获得的下部土层岩土工程特性、回弹模量和永久变形（Permanent Deformation, PD）特性。结果表明，数值模型的校准需要一个量级为1500 MPa的道床回弹模量，表明该层处于高刚度状态。模拟显示下层的竖向应力水平低于100 kPa，而实验室试验揭示了这些土体对PD的高度敏感性，尤其是在含水率变化条件下。研究结论是，所应用的方法能够对轨道结构状态进行一致的评估，并有助于更深入地理解道床在重复荷载下的响应，为铁路设计、维护和管理标准提供了支持。

本文旨在解决重载铁路轨道结构评估中存在的关键问题，特别是在缺乏可靠结构记录的老旧或退化区段，以及在热带气候条件下（如巴西）的特殊挑战。这些挑战包括难以通过传统分类系统充分表征的热带土壤行为，以及现场结构数据匮乏，这严重阻碍了病害诊断和制定合理的维修或加固策略。从结构角度看，铁路轨道是一个分层系统，其性能依赖于钢轨、轨枕、道床、路基面和路基各组件的机械响应。以往的研究虽然通过现场监测、实验室测试和数值模拟（使用如SysTrain等有限元平台）推进了对重载轨道性能的理解，但能一致性地整合（i）现场原位测试数据、（ii）机理建模以及（iii）用于参数校准的系统化反演分析的综合方法仍然有限。为填补这一空白，研究人员提出并演示了一个集成评估框架，该框架将全尺寸现场原位测试与SysTrain中的三维数值建模相结合，并辅以系统的反演分析。该框架应用于一个在役重载轨道段，以（i）校准道床在现场条件下的有效回弹模量，（ii）量化该参数如何影响轨道结构内的应力、内力和位移传播。通过将实测响应与校准后的层参数相关联，该方法为结构诊断、损伤监测和面向维护的决策提供了实用基础。

为了实现这一研究目标，研究人员采用了一种集成的、按顺序进行的综合研究方法。首先，现场工作部分在巴西圣保罗州圣罗克市附近的圣保罗铁路网络中一个具有代表性的FCA铁路路基段进行。研究人员开挖探坑以识别路基分层、取样并进行现场试验（如砂锥法测定密度、测量天然含水率）。土样按深度分层采集，以代表道床下方的路基面层、路基加固层和路基土。随后，所有采集的土样被送往实验室进行全面的物理和岩土工程特性测试，包括颗粒级配、阿太堡界限和压实特性（采用中等普罗克特能量）。在力学行为评估方面，研究人员依据DNIT 134和DNIT 179标准，对不同深度区间的土样进行了重复荷载三轴试验（Repeated Load Triaxial, RLT），以测定其回弹模量（RM）和永久变形（PD）。RM被表示为复合模型RM=K₁σ₃^K2σ_d^K3，其中σ₃为围压，σ_d为偏应力，K₁-K₃为拟合的材料常数，这些参数被用作数值模拟的输入。PD试验评估了材料在循环荷载下累积塑性变形的敏感性。在数值模拟方面，研究人员使用SysTrain软件建立了考虑轨道几何形状和实际荷载条件的三维有限元模型。模型中，下部结构层参数来自实验室RLT测试结果，道床模量则通过反演分析确定。模型边界条件被明确设置，底部边界在竖向固定，侧向边界在法向固定，并采用纵向对称平面以减少计算域。现场原位测试则用于模型验证，具体方法是在轨枕端部安装LVDT传感器，在真实货运列车通过时测量其竖向位移。最后，研究人员将现场测量的挠度数据与数值模型计算结果进行对比，通过迭代调整道床的回弹模量，直至两者吻合，从而完成模型的校准（反演分析）。校准后的模型被用于模拟不同结构性能情景，以分析层机械性能对荷载分布的影响。该研究中所用的样本队列全部来源于上述圣保罗州圣罗克市附近的FCA铁路轨道探坑。

本研究的核心结果主要来自实验室测试和数值模拟的集成分析，具体如下：

回弹模量（RM）
通过重复荷载三轴试验获得的RM结果是评估路基材料循环刚度的主要指标。测试结果表明，所分析土层的平均RM值在47至114 MPa之间，显示出在循环荷载下相对较低的刚度，这与典型细粒热带土的力学行为一致。不同层位之间RM值的变异性反映了深度上的材料异质性。较低的RM值往往意味着更大的竖向应变和更低的路基支撑刚度，这可能导致其在重复荷载下更容易发生变形累积。

永久变形（PD）行为
所有PD试验均在总加载次数为500，000次的条件下进行。结果表明，在施加的应力条件下，试样的总变形超过了2.0 mm，显示出显著的塑性响应。通过将本研究中探坑样品的PD测试结果与文献中的参考数据库进行比较发现，在低、中、高三种应力状态下，本研究测试的土样均表现出最高的累积PD值。特别是在高应力状态下，某些样品的总PD值接近10%，意味着对于厚度为200 mm的层，将产生约20 mm的累积塑性变形。这些结果表明，即使是中等应力水平，在含水率敏感的热带土中也可能导致在重复重载下产生渐进性沉降。

数值模拟结果
首先，模型校准与验证。通过反演分析，将现场LVDT测得的轨枕端竖向位移与数值模拟结果进行对比校准，最终确定的等效道床回弹模量为1500 MPa。此值高于典型新道砟的模量（通常低于700 MPa），但代表了该在役道床层在有效约束和服务条件下的等效现场刚度参数，而非固有的实验室材料属性。这表明道床刚度是控制分析条件下整体轨道响应的关键因素。

其次，结构组件的应力与位移结果。数值模拟显示，在参考荷载条件下，钢轨最大竖向位移较低，量级与现场轨枕层测量值相当。道床层内的竖向应力（S_zz）最大值约为185.7 kPa。传递到下部结构层（路基面、加固层和路基）的竖向应力（S_zz）均保持在100 kPa以下，范围为81至92 kPa。然而，尽管这些应力水平看似适中，但结合实验室PD试验结果可知，在相当的应力比（σ₁/σ₃≈4）下，测试的土壤表现出显著的永久变形累积。因此，即使竖向应力低于100 kPa，在重复重载下仍可能导致长期的累积塑性变形，尤其是在水分敏感的热带土中。基于实验室PD参数，在10⁷次加载循环的估算下，总PD为4.32 mm，低于AREMA推荐的6.35 mm限值，表明累积变形处于中等水平。但需注意，实验室PD参数是在最优含水率条件下获得的，现场含水率的变化可能使实际PD超过估算值。

本文讨论部分指出，所提出的集成方法（结合现场原位测试、实验室试验和基于FEM的数值模拟）已被证明是评估在役铁路轨道结构状态的有效工具。道床层的高刚度（由反演分析得出）有助于限制整体变形，但可能将应力集中到上部结构组件。下部土层对PD的高度敏感性，尤其是在水分变化条件下，构成了长期性能的潜在风险。研究强调了在结构评估和维护规划中同时考虑材料循环刚度（RM）和永久变形（PD）的重要性，并证实了通过反演分析校准数值模型能够提供对轨道系统力学行为更现实的表征。

研究结论部分总结如下：该研究通过整合现场原位测试、实验室试验和基于有限元法的数值模拟（使用SysTrain软件），评估了一个铁路轨道段的结构行为。利用现场测量的挠度数据对数值模型进行校准后，研究人员得以分析轨道结构的力学响应并识别其性能的关键方面。对现场测量挠度的反演分析表明，道床回弹模量约为1500 MPa。尽管该值与道砟的典型报告值相比偏高，但与该层在运营下逐渐密实和骨料重排所形成的硬化服务条件一致。这种高刚度有助于降低挠度水平，但可能在上部结构组件中引发应力集中。数值模拟显示，传递至下部各层的竖向应力保持在100 kPa以下，在分析荷载条件下导致了中等程度的累积永久变形（PD）。然而，实验室试验揭示了路基面层、路基加固层和路基土对PD的高度敏感性，尤其是在考虑现场含水率潜在变化的情况下。总之，所分析铁路路面的结构诊断表明：道床层具有高刚度（由现场挠度反演分析证实）；下部土层对PD具有高敏感性。研究结果证实，现场原位测试与数值建模的结合使用是对在役铁路轨道进行结构评估的有效工具，为性能诊断和维修规划提供了相关支持。