无砟轨道由于其可靠性高、耐久性长以及平稳性好的特点在高速铁路的大规模建设、运营中得到了广泛的使用,然而在其施工、运营过程中会出现裂纹,若未及时处理,裂纹将会不断扩展,对轨道结构及行车产生巨大的影响。因此,针对轨道板裂纹,研究无砟轨道板裂纹扩展特点,为轨道板的养护维修提供理论支撑显得极为重要。为解决上述问题,本课题提出一种列车荷载作用下轨道板裂纹扩展有限元模型。本文在已有研究的基础上,引入分形理论和断裂力学理论,分析轨道板裂纹扩展的分形效应;建立轨道板裂纹扩展有限元模型,分析轨道板裂临界开裂应力、断裂能等参数的变化规律。主要研究内容如下:(1)对高铁现场轨道板裂纹情况进行调研,从现场裂纹位置以及轨道板结构对裂纹产生的原因进行初步分析。分析得到影响裂纹扩展及产生的位置与轨道板预应力钢筋的布设位置及腐蚀程度有关,其扩展方向与预应力钢筋的布设方向基本一致。(2)对现场拍摄的轨道板裂纹图像进行图像处理,提取轨道板裂纹,对提取后的裂纹进行分维数计算,从分形理论研究轨道板裂纹的扩展规律,研究表明:随着裂纹扩展,其分形维数越来越大,轨道板裂纹的断裂程度越粗糙。(3)利用扩展有限元法,建立轨道板裂纹开裂模型,分析裂纹位置与裂纹长度对裂纹扩展的影响,研究表明:在相同列车荷载作用下,不同位置的裂纹的张开量不同,轨道板中部支撑块边角处裂纹张开量较大,随着裂纹位置向轨道板侧面偏移,张开量逐渐减小,同时,裂纹张开量越大,裂纹出所受拉应力也越大;对于相同位置的裂纹,本文考虑轨道板中部支撑块边角处,裂纹长度越长,裂纹出收到的拉应力越大。(4)结合分形断裂力学理论,从轨道板裂纹轨道板裂纹扩展断裂能与临界开裂等参数的变化规律,研究轨道板裂纹扩展过程中各参数与分形维数的变化规律。结果表明:随着裂纹的扩展,裂纹断裂能受裂纹长度影响较小,主要受到裂纹分形维数的影响,分形维数越大,裂纹开裂产生的断裂能越大;现场测试得到轨道板裂纹分形维数变化范围为1.0~1.2之间,在此区间,裂纹的临界开裂应力与轨道板裂纹的分形维数的增大而增大。本研究成果主要为轨道板裂纹的扩展机理研究提供理论支撑。