CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的影響研究

朱 浩,徐 浩,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道以其高平順性、高平穩性和少維修性等優點在京津、京滬等高速鐵路上廣泛應用，水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)作為CRTSⅡ型板式無砟軌道關鍵結構層之一，起著支撐、調整、傳力、承力以及隔振和減振的作用[1-3]。CA砂漿的工作性能直接影響到軌道結構的平順性，列車運行的舒適性和安全性，由于無砟軌道是一種長期直接暴露于大氣中的混凝土結構，除了承受列車荷載外，還承受日照、突然降溫等溫度荷載的作用，因此極易造成軌道板與CA砂漿層產生離縫[4]，即CA砂漿離縫。圖1為某線路上CRTSⅡ型板式軌道的CA砂漿離縫現象。

圖1 水泥乳化瀝青砂漿層離縫

國內外研究者針對完好的CRTSⅡ型板式無砟軌道進行了大量的理論和試驗研究，文獻[5]專門對7塊CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板進行了靜載和疲勞試驗研究，文獻[6]建立了路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道計算模型，分別研究了車輛荷載、溫度荷載和路基不均勻沉降對板式軌道的影響，文獻[7]針對橋上縱連板式軌道結構進行了相關參數研究，還有學者對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道的動力特性及基礎結構動應力分布規律進行了探索[8，9]，但關于CA砂漿劣化后CRTSII型板式軌道的受力研究相對較少，僅有少量關于單元板式砂漿劣化對板式軌道的影響研究[10]以及CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫的原因初探[11]。

本文以路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道為研究對象，研究列車靜載和溫度荷載共同作用下CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式無砟軌道力學性能的影響，從而為CA砂漿離縫的養護維修提供一定的理論依據。

1 路基上CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫有限元模型

1.1 數值分析模型及參數

路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件系統、預制軌道板、水泥乳化瀝青調整層(CA砂漿)和支承層等部分組成[9]。根據彈性地基梁體理論與有限元方法，建立的路基上CRTSⅡ型板式軌道計算模型如圖2所示。

圖2 CRTSⅡ型板式無砟軌道計算模型

砂漿脫空區域非線性彈簧剛度

鋼軌直接承受列車傳來的壓力、沖擊和振動，將鋼軌看作無限長點支承梁，采用鐵木辛柯梁單元BEAM188模擬，鋼軌采用CHN60新軌，軌距1.435 m，鋼軌支點間距根據實際情況取0.65 m；鋼軌與軌道板之間的扣件系統忽略其非線性因素，等效為線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，動剛度取為50 kN/mm；預制軌道板式軌道系統的主要承力構件，混凝土強度等級為C55，標準軌道板寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，長度為6.45 m，由于軌道板縱向配置6根φ20 mm的精軋螺紋鋼筋，保證軌道板的縱向連接，因此軌道板可看作是縱連結構；CA砂漿層考慮其線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，對于離縫區的水泥乳化瀝青砂漿由于不再具有粘結力，將其模擬成單方向受力的非線性彈簧，如圖3所示，圖中u0為軌道板與砂漿層的離縫高度，u為CA砂漿的壓縮量，f為作用于砂漿上的力，采用非線性彈簧-阻尼單元COMBIN39模擬，其剛度按CA砂漿的彈性模量7 GPa進行換算；路基地段的CRTSⅡ型板式軌道混凝土支承層按底面寬為3.25 m考慮，厚度0.3 m，其彈性模量也為7 GPa?；炷恋木€膨脹系數為1×10-5/℃，彈性地基等效為線性彈簧，其剛度按支承面剛度75 MPa/m計算[12，13]，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬。

圖3 離縫區域非線性彈簧的力與位移關系

1.2 計算假定及荷載條件

計算過程中假定一旦CRTSⅡ型板式軌道軌道板與水泥乳化瀝青砂漿之間產生離縫，即認為此處沿軌道板的寬度方向上均產生離縫，因此在計算過程中軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫面積大小通過沿軌道板縱向的離縫長度表示。

計算中考慮列車和溫度荷載的共同作用，軌道板與混凝土支承層的板邊為自由邊界，鋼軌、軌道板、混凝土支承層的端部均約束縱、橫向位移，模擬彈性地基的彈簧底部約束其3個方向的自由度，這樣的邊界條件下，模型無剛體位移，無多余約束，符合CRTSⅡ型板式無砟軌道的實際邊界情況。列車荷載按單軸雙輪300 kN考慮，溫度荷載考慮上熱下冷的正溫度梯度和上冷下熱的負溫度梯度，其中正溫度梯度90 ℃/m，負溫度梯度取-45 ℃/m，并考慮軌道板的板厚修正系數[13]，取為1.05。

2 數值模擬結果及分析

研究表明在正溫度梯度作用下軌道板發生板中部上拱變形，與CA砂漿脫離，而在負溫度梯度作用下，板角發生上翹變形[13]，這都將造成軌道板與CA砂漿離縫加劇。著重探討溫度和列車荷載共同作用下CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的變形和受力的影響。

考慮到CA砂漿離縫對軌道結構的主要影響因素是CA砂漿離縫長度及離縫高度，因此，分析離縫高度為1 mm時，不同離縫長度(無離縫、離縫0.325、0.65、0.975、1.3、1.625、1.95、2.275 m和2.6 m)以及CA砂漿離縫長度1.95 m(3個扣件間距)時，不同離縫高度(無離縫、離縫0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mm和2 mm)對軌道結構受力和變形的影響。

2.1 有無離縫對比分析

計算中假定CA砂漿的離縫高度為1 mm、離縫長度為1.3 m時，在列車荷載和正溫度梯度荷載共同作用下鋼軌、軌道板、混凝土支承層的垂向位移曲線如圖4所示(x為距模型左端的距離)。

圖4 軌道結構各部件位移曲線

在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道結構的變形和受力最大值如表1所示。

表1 軌道系統各部件受力和變形最大值

從圖4可以看出，當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層產生離縫后，在列車荷載與正溫度梯度的共同作用下鋼軌和軌道板的位移均加劇，這是由于CA砂漿離縫的存在使軌道板下部支承作用減弱，從而造成鋼軌、軌道板垂向位移增大；CA砂漿離縫同時也削弱了CA砂漿層的傳力作用，從而使混凝土支承層的垂向位移減小，最終導致了軌道板與混凝土支承層的垂向相對位移增大。從表1可知，CA砂漿支承能力減弱也使得軌道板的縱向拉應力增大，當CA砂漿離縫長度達到1.3 m時，軌道板的縱向拉應力增加了41.33%，而軌道板橫向上的拉應力稍有減小。另外，離縫區域附近的CA砂漿壓應力從30.33 kPa增大到74.01 kPa，增大了2.44倍。

從表1還可以看出，當軌道板與CA砂漿產生離縫以后，由于負溫度梯度荷載使軌道板產生向下的翹曲變形，列車荷載與負溫度梯度作用下軌道系統各部件的垂向位移較列車荷載與正溫度梯度共同作用下的大，但軌道板內的拉應力則較小，CA砂漿離縫對軌道結構的變形和受力均不利。

2.2 CA砂漿離縫長度的影響

不同離縫長度下，CA砂漿離縫區域正上方軌道結構的垂向位移和軌道結構受力最大值隨離縫長度的變化情況分別如圖5、圖6所示。

從圖5可知，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，鋼軌和軌道板的垂向位移隨著離縫長度的增大不斷增大，由于CA砂漿離縫削弱了其傳力作用，因此混凝土支承層的垂向位移隨著離縫長度的增大而不斷減小。在列車荷載和正溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，增大了2.36倍，而在列車荷載和負溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.571 mm增大到1.095 mm，增大了1.92倍。隨CA砂漿離縫長度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下軌道結構的變形與列車荷載和負溫度梯度共同作用下軌道結構的變形差值逐漸變小，這說明當離縫長度增大到一定值以后，離縫長度相對荷載作用而言對軌道結構變形的影響程度較大。

圖5 不同離縫長度下軌道各部件的垂向位移

圖6 不同離縫長度下軌道結構的應力

從圖6可知，列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道內縱向拉應力隨離縫長度不斷增大，由于CA砂漿離縫的存在使軌道板的垂向位移不斷加劇，軌道板的縱向應變也隨之增大，從而軌道板底部的拉應力不斷增大。軌道板橫向拉應力則隨著離縫長度的增大而減小，但CA砂漿層本身的壓應力也隨著離縫長度的增大不斷增加，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，增大了3.68倍；在列車荷載和負溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應力從19.9 kPa增大到69.71 kPa，增大了3.50倍；從CA砂漿層的受力情況可知，CA砂漿離縫對其附近的CA砂漿層受力有較大影響，因此當CA砂漿離縫長度較大時，有可能造成水泥乳化瀝青砂漿層損傷，甚至產生破壞，從而造成CA砂漿離縫長度進一步加大。

2.3 CA砂漿離縫高度的影響

假定軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長度為1.95 m(3個扣件間距)時，列車荷載和溫度梯度共同作用下，不同離縫高度對應的軌道結構變形和受力最大值如表2所示。

從表2可知，由于CA砂漿離縫的存在，削弱了水泥乳化瀝青砂漿層的承載和傳力能力，因此在列車和溫度荷載共同作用下，鋼軌的垂向位移、軌道板的垂向位移和軌道板縱向拉應力均隨著CA砂漿離縫高度先增大后趨于定值，而混凝土支承層的垂向位移和軌道板橫向拉應力則隨著CA砂漿離縫高度先降低最后趨于定值。CRTSⅡ型板式軌道屬于縱連結構，離縫區域兩側的軌道結構自身對離縫區的軌道結構就有一個約束作用，因此盡管CA砂漿離縫高度不斷增大，由于軌道結構自身約束作用的存在，使得軌道結構的變形和受力最終都趨于一個定值，盡管對一定長度的CA砂漿離縫下，離縫高度對軌道結構的變形影響不大，但隨著離縫高度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層本身的壓應力從30.33 kPa增大到97.33 kPa，增大了3.2倍；而在列車荷載和負溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應力從19.9 kPa增大到52.71 kPa，增大了2.65倍。由此可見，CA砂漿離縫高度對CA砂漿層的受力不利，隨著離縫高度的增大，有可能造成離縫區域附近的水泥乳化瀝青砂漿層進一步傷損甚至破碎，從而增大離縫的長度。

表2 軌道系統各部件受力和變形的最大值

2.4 討論與分析

(1)在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫將加劇軌道結構的變形，同時增大軌道板的縱向拉應力和CA砂漿層本身的壓應力，且列車荷載和負溫度梯度作用下的結構變形較列車荷載和正溫度梯度下大。例如在列車荷載和正溫度梯度作用下，當CRTSⅡ型板式軌道完好時，軌道板的變形、縱向拉應力和CA砂漿層壓應力分別為0.397 mm、2.277 MPa和30.33 kPa，而當離縫長度達到1.3 m時則分別為0.623 mm、3.218 MPa和74.01 kPa；而在列車荷載和負溫度梯度作用下，軌道結構完好時軌道板的變形、縱向拉應力和CA砂漿層壓應力分別為0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，而離縫長度達到1.3 m時則分別為0.628 mm、2.987 MPa和39.24 kPa。因此CA砂漿離縫對軌道結構的變形和受力均不利。

(2)隨著離縫長度的增大，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應力及CA砂漿層壓應力均隨之增大。例如，在列車荷載和負溫度梯度荷載作用下，對于完好的軌道結構，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應力及CA砂漿層壓應力最大值分別為1.864、0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，當CA砂漿離縫長度達到2.6 m時，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應力及CA砂漿層壓應力最大值增大為2.220、1.095 mm、4.731 MPa和69.71 kPa?？梢婋S著離縫長度的增大，軌道結構變形和受力過大，會造成軌道幾何形位劣化，甚至影響高速行車的安全性、舒適性和平穩性。

(3)CA砂漿離縫長度和高度增大，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，CA砂漿層的壓應力隨之增大，可能出現“CA砂漿離縫-應力增大-砂漿破損”的惡性循環，建議CRTSⅡ型板式無砟軌道在養護維修過程中應嚴格控制軌道板與CA砂漿離縫，并及時進行養護維修。

3 結論

基于彈性地基梁體理論，采用有限元方法分析了列車荷載和溫度共同作用下CA砂漿離縫對軌道結構的影響，得到如下結論：

(1)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫將加劇軌道結構的變形和受力，如在列車荷載和正溫度梯度共同作用下，當離縫長度達到2.6 m時，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，CA砂漿層的壓應力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，且隨著CA砂漿離縫長度和高度的增加，軌道結構的變形和受力進一步加劇，且可能會形成“砂漿離縫—應力增大—砂漿破損”的惡性循環，最終導致軌道結構部件破壞，因此對于CA砂漿離縫應及時進行養護維修，以免軌道結構進一步損傷；

(2)當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿產生離縫后，在列車荷載作用下，軌道板不斷拍打CA砂漿層，軌道結構變形過大有可能影響軌道的幾何形位，從而降低高速列車運行的安全性、平穩性和舒適性，在今后的工作中將進一步研究CA砂漿離縫對列車運行舒適度的影響；

(3)考慮軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫對軌道結構的影響，建議在分析CA砂漿層離縫原因的基礎上，對CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿的劣化機理及劣化發展過程進行深入研究，以確定最佳的養護維修時機，并研發新的水泥乳化瀝青砂漿材料，從而能快速修復傷損后的水泥乳化瀝青砂漿層，同時能滿足我國CRTSⅡ型板式軌道使用壽命要求的高質量、高耐久性的水泥乳化瀝青砂漿。

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