CRTSⅡ型板砂漿層的常見劣化現(xiàn)象及其對軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

汪 力，王 平，吳仁義

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)［1］CA砂漿調(diào)整層是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組成部分，起到支撐和調(diào)整、承力和傳力以及隔振和減震等作用［2］。然而，由于施工質(zhì)量的不易控制以及運(yùn)營過程中的多種荷載效應(yīng)等原因，許多地段的CA砂漿調(diào)整層均遭遇到不同程度的劣化甚至破損。在考察石武客運(yùn)專線及部分遂渝線沿線砂漿層劣化情況的基礎(chǔ)上，以有限元分析軟件為工具，來分析預(yù)測CA砂漿調(diào)整層的劣化傷損對軌道板的影響，并提出了合理的建議。

1 CA砂漿調(diào)整層的3種常見劣化現(xiàn)象

前期的不良施工質(zhì)量加上后期的列車荷載，CA砂漿層的壽命將大幅下降，過早出現(xiàn)各種劣化現(xiàn)象，其中常見的劣化現(xiàn)象主要有以下3種。

1.1 砂漿層邊緣碎裂，甚至嚴(yán)重開裂與脫落

如圖1所示，CRTSⅡ型板的砂漿層與CRTSⅠ型板不同，它不是裝入砂漿袋中，而是直接暴露在空氣中。在各種因素的耦合作用下，線路運(yùn)營久了以后，便出現(xiàn)了邊緣碎裂脫落的劣化現(xiàn)象。目前認(rèn)為產(chǎn)生這種劣化現(xiàn)象的原因是，砂漿凝固后其與底座板的黏結(jié)力大于與軌道板的黏結(jié)力，而且軌道板在荷載作用下易發(fā)生翹曲等變形，使得砂漿層與軌道板在邊緣處易產(chǎn)生初期的脫粘［3］。砂漿層在與軌道板初期脫粘以后，在雨水的侵入以及列車荷載等等因素的耦合作用下，砂漿層從邊緣往里繼續(xù)劣化，便出現(xiàn)如圖1所示的邊緣碎裂，甚至嚴(yán)重開裂與脫落現(xiàn)象。本文后續(xù)將采用有限單元法，并用計(jì)算機(jī)仿真模擬這種劣化現(xiàn)象，并揭示其危害性。

圖1 砂漿層邊緣碎裂脫落

1.2 砂漿層局部甚至大面積碎裂，導(dǎo)致軌道板支撐不均

砂漿在灌注時(shí)，如果底座板沒有潤濕或者潤濕不充分，都會產(chǎn)生如圖2所示的貫穿孔，這樣的貫穿孔雖然不大，但是它將是砂漿層局部甚至大面積碎裂的原因和開始。另外，砂漿在灌注時(shí)，如果灌注速度太快，導(dǎo)致排氣不及時(shí)，將在砂漿表層產(chǎn)生較大的氣泡，這樣的氣泡在砂漿凝固后將是砂漿層與軌道板間的巨大空洞。

圖2 砂漿灌注孔和砂漿凝固后其上表面大氣泡狀空洞

1.3 整個(gè)砂漿層與軌道板界面脫離，界面黏結(jié)力幾乎完全喪失，形成軌道板脫空

如圖3所示，砂漿層外表看去并沒有明顯的劣化現(xiàn)象，但是實(shí)際上砂漿層已經(jīng)與軌道板在兩者的界面處出現(xiàn)了離縫，即兩者脫粘開來，界面黏結(jié)力幾乎完全喪失，形成軌道板脫空。目前認(rèn)為這種劣化現(xiàn)象是因?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)存在溫度梯度和升降溫循環(huán)作用以及路基不均勻沉降等原因［4］引起。即使砂漿層強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且整體性保持較好，但是如果出現(xiàn)路基不均勻沉降以及溫度力使得軌道板產(chǎn)生翹曲等變形，砂漿層與軌道板也可能出現(xiàn)脫粘，形成軌道板脫空。

圖3 軌道板與砂漿層間界面脫離形成軌道板脫空

2 CA砂漿層劣化對軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

2.1 計(jì)算模型及工況說明

本文主要分析上述劣化現(xiàn)象中的CA砂漿層邊緣碎裂脫落及CA砂漿層沿線路縱向長距離脫空兩種劣化現(xiàn)象分別對軌道板的受力和變形情況以及對軌道結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的影響。

其中軌道板的受力和變形情況分析時(shí)采用的“梁－板－板”模型，因?yàn)檐壍腊搴偷鬃逶诔叽缟细咏诎?，故兩者均采用板殼單元。而在軌道結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析時(shí)，則采用的是3D有限元實(shí)體模型，鋼軌、軌道板、底座板均采用實(shí)體單元［5］。在縱向長度方面，為了盡可能消除邊緣效應(yīng)，梁板模型采用的是3塊板長，而模態(tài)分析的實(shí)體模型長度則采用了8塊板長，并且線路兩端路基上，鋼軌各延伸50 m長度進(jìn)行計(jì)算［6］。

圖4 分析軌道板受力和變形時(shí)的“梁－板－板”模型和分析模態(tài)時(shí)的實(shí)體模型

由于需要充分考慮砂漿層劣化的危害，故計(jì)算時(shí)采取了較不利的荷載工況。分析砂漿層邊緣碎裂脫落的危害時(shí)，采用的是ZK活載靜載，而軌道板模態(tài)分析時(shí)，認(rèn)為軌道板脫空距離是軌道板連續(xù)脫空，即軌道板與砂漿層在脫空距離內(nèi)沒有任何接觸，兩者的離縫是連續(xù)的。其他相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2.2 砂漿層邊緣碎裂脫落對軌道板的靜態(tài)影響分析

砂漿層初期裂紋的進(jìn)一步發(fā)展將出現(xiàn)砂漿層邊緣碎裂，并逐漸脫落。砂漿層脫落后，將使內(nèi)部砂漿層逐步暴露，砂漿層與軌道板的粘黏面積開始減小。砂漿層對軌道板的約束作用將隨著砂漿層劣化面積的增大而逐步減弱。

圖5是模擬砂漿層邊緣從0 cm劣化到20 cm過程中，軌道板所承受的橫向彎矩的變化情況。

從圖5可以看出，隨著砂漿層邊緣劣化程度的加劇，軌道板所承受的橫向彎矩越來越不利。盡管最大彎矩值并沒有太大變化，但是可以清晰地看到，軌道板邊緣所受的彎矩值在逐步增大，且不利彎矩范圍在逐步擴(kuò)大。

圖5 砂漿層邊緣劣化后軌道板的橫向彎矩云圖

圖6是砂漿層邊緣劣化后的最大主應(yīng)力值，通過研究最大主應(yīng)力值可以判斷材料的使用狀態(tài)。

從圖6可以看出，劣化后的砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了近1 MPa。實(shí)驗(yàn)室測得，CRTSⅡ型板CA砂漿在常溫下的抗壓強(qiáng)度為10～20 MPa［7］。實(shí)際工程中的不良施工往往造成CA砂漿強(qiáng)度的下降，甚至不到10 MPa［8］?？上攵坏┥皾{層邊緣開始劣化，那么砂漿層的劣化將更加容易，劣化速度不斷加快，進(jìn)而導(dǎo)致軌道板的受力不均，出現(xiàn)開裂，甚至導(dǎo)致整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的損壞。

圖6 各種劣化程度下砂漿層劣化后邊緣的最大主應(yīng)力

圖7顯示的是各種劣化程度下軌道板兩側(cè)邊緣豎向位移，從圖7可以看出，總體上軌道板邊緣并沒有太大位移，不過隨著砂漿層邊緣劣化程度的加劇，軌道板邊緣的豎向位移還是在不斷擴(kuò)大，這對軌道不平順狀態(tài)會有不利影響。

圖7 軌道板兩側(cè)邊緣豎向位移

綜上，砂漿層邊緣劣化對軌道板的靜態(tài)影響不容樂觀。邊緣劣化碎裂脫落后，軌道板的彎矩分布越來越不利，進(jìn)而導(dǎo)致砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力值增大，這樣一來，砂漿層邊緣會更加容易劣化，大大加快砂漿層劣化的速度。此外，砂漿層邊緣劣化還會對軌道板的豎向位移造成一定影響，進(jìn)而影響到軌道的平順性和行車的安全性。所以應(yīng)該及時(shí)對劣化的砂漿層邊緣進(jìn)行修補(bǔ)。

2.3 砂漿層與軌道板界面脫離，形成軌道板脫空

砂漿層與軌道板界面脫離形成軌道板脫空后，砂漿層對軌道板的黏聚力將不復(fù)存在，軌道板將在縱向、橫向以及豎向上均失去重要約束。這對軌道板的運(yùn)營狀態(tài)是十分不利的，在正溫度梯度下，軌道板中部會上拱，而在負(fù)溫度梯度下，軌道板會發(fā)生翹曲變形［9］，本文則主要關(guān)心軌道板的振動模態(tài)會有什么樣的變化。

有關(guān)研究表明，結(jié)構(gòu)的基頻對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響相對高頻較大，一般而言取其前20階模態(tài)作為分析目標(biāo)較為普遍［10］。本文針對性地提取軌道結(jié)構(gòu)的前25階自振頻率進(jìn)行對比分析，實(shí)體模型計(jì)算出的軌道結(jié)構(gòu)在不同脫空程度下的自振頻率如圖8所示。

圖8 各種脫空長度下的軌道結(jié)構(gòu)自振頻率

從圖8可以看出，砂漿層與軌道板的脫空對軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率影響很明顯。隨著脫空長度的增加，軌道結(jié)構(gòu)每一階的自振頻率都在逐漸下降，尤其是當(dāng)脫空長度大于12 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的低階頻率突然下降很多。這是很不利的，因?yàn)闃蛄旱冉Y(jié)構(gòu)的自振頻率一般較軌道結(jié)構(gòu)低，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)頻率下降時(shí)，就增大了與橋梁等結(jié)構(gòu)的共振可能［11］。

值得一提的是，當(dāng)脫空長度大于12 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的低階頻率尤其是前兩階頻率下降很多，已經(jīng)有些失真。出現(xiàn)這種情況，一方面跟計(jì)算軟件的算法有一定關(guān)系，另一方面主要是因?yàn)楫?dāng)軌道板與砂漿層界面脫空達(dá)到一定程度后，軌道板與砂漿層各自均失去了較大的重要約束，軌道結(jié)構(gòu)的整體剛度已經(jīng)大幅下降，出現(xiàn)了質(zhì)的變化。而軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率與其剛度有很大關(guān)系，于是其自振頻率發(fā)生了較大變化。

圖9和圖10是未脫空和脫空20 m兩種情況下軌道板的典型振動形態(tài)。因篇幅所限，本文只列舉出這未脫空和脫空20 m這兩種情況下軌道板的6階和7階的振動形態(tài)。對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂漿層與軌道板間界面發(fā)生脫離后，軌道板的低階振動形態(tài)已經(jīng)由正常情況變?yōu)榛局皇Ｆ絼恿?，這是因?yàn)槊摽蘸螅皾{層對軌道板的黏結(jié)力幾乎喪失，軌道板的約束已經(jīng)大大減弱。

圖9 未脫空時(shí)軌道板的典型振動形態(tài)

圖10 脫空長度20 m時(shí)軌道板的典型振動形態(tài)

3 結(jié)論和建議

(1)總體上看，CA砂漿調(diào)整層的劣化對軌道板乃至整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的危害不可小視，應(yīng)嚴(yán)格控制CA砂漿調(diào)整層的施工質(zhì)量，加強(qiáng)對運(yùn)營過程中CA砂漿層狀態(tài)的監(jiān)視，并采取有效措施及時(shí)對劣化的CA砂漿層進(jìn)行修補(bǔ)。

(2)CA砂漿層邊緣劣化越深，軌道板邊緣所受的橫向彎矩越大，不利彎矩的范圍越來越大，彎矩分布越來越不利，軌道板邊緣的豎向位移也有所增大。而且劣化越深，砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力值越大，使得砂漿層劣化速度將加快。建議對邊緣劣化較淺的地段采用水泥砂漿等進(jìn)行涂抹，起到一定的保護(hù)作用，防止進(jìn)一步劣化。而對于劣化較深的地段則要采取其他諸如樹脂類的材料進(jìn)行填補(bǔ)與修復(fù)，不僅要防止進(jìn)一步劣化，而且還要起到一定的承載作用。

(3)隨著CA砂漿層與軌道板界面脫空長度的增大，軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率將逐步降低，尤其是低階頻率在脫空長度大于12 m后會突然下降，與橋梁等結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能大大增加。而且，脫空后，軌道板縱向和橫向以及豎向均已失去重要約束，其振動形態(tài)已經(jīng)完全不正常了。建議向砂漿層與軌道板脫空界面縫中注射諸如樹脂類的材料，使砂漿層與軌道板間恢復(fù)一定的黏結(jié)力，有效減小脫空長度，增加安全性。

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