整體道床混凝土施工階段裂縫控制試驗(yàn)研究

唐先習(xí)，卓海金，胡進(jìn)森，尹月酉

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

整體道床混凝土施工階段裂縫控制試驗(yàn)研究

唐先習(xí)，卓海金，胡進(jìn)森，尹月酉

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

為研究不同施工工藝和結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)鐵路整體道床混凝土在施工階段抗裂性能的影響，進(jìn)行了整體道床抗裂性能試驗(yàn)研究。研究時(shí)考慮的因素包括：軌枕端部的整體道床抹面方式、采用圓端形軌枕、增加軌枕端部整體道床內(nèi)U型鋼筋、增加軌枕端部整體道床內(nèi)縱向鋼筋。研究結(jié)果表明：僅沿整體道床縱向（近似垂直于八字形裂縫開(kāi)展的方向）進(jìn)行混凝土抹面，會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的幾率增加；采用圓端形軌枕可以有效地降低裂縫開(kāi)展的幾率；增加軌枕端部整體道床內(nèi)的U型筋和縱向鋼筋，對(duì)控制裂縫最初的產(chǎn)生作用不大，但當(dāng)裂縫發(fā)展到鋼筋部位后，則對(duì)控制裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展具有重要的作用。研究成果對(duì)控制整體道床混凝土在凝結(jié)硬化階段的收縮裂縫，具有重要的指導(dǎo)意義。

整體道床；裂縫控制；沿道床縱向抹面；圓端形軌枕；U型筋；縱向鋼筋

高速鐵路是當(dāng)今世界鐵路發(fā)展的主要方向，在我國(guó)新建的高速鐵路中，主要采用無(wú)砟的整體式道床。整體式道床采用鋼筋混凝土道床取代了碎石道床，是一種高穩(wěn)定性、高平順性和少維修的軌道結(jié)構(gòu)，具有混凝土結(jié)構(gòu)的特征。然而在我國(guó)的西北地區(qū)，由于干旱、大風(fēng)的氣候條件，加上整體道床本身相當(dāng)于體表比相對(duì)較小的鋼筋混凝土板，使得整體道床在混凝土施工階段的收縮量大大增加，從而導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生的概率也極大地提高，甚至出現(xiàn)了由于混凝土開(kāi)裂較嚴(yán)重而導(dǎo)致整體道床拆除重新返工的現(xiàn)象。

在整體道床的裂縫研究方面，吳斌、尹華拓等［1-3］通過(guò)采用數(shù)值分析的方法，研究了路基上雙塊式無(wú)砟軌道在溫度、收縮荷載及車(chē)輛荷載作用下的混凝土開(kāi)裂特性及其對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。陳小平等［4］則分析了軌道板全面開(kāi)裂對(duì)鋼軌和底座板縱向受力影響的范圍。王青等［5］通過(guò)計(jì)算，研究了高速鐵路整體道床在恒載、溫度和列車(chē)往復(fù)荷載作用下的疲勞力學(xué)性能，并對(duì)這種綜合作用下的開(kāi)裂部位及最終各斷面開(kāi)裂面積比進(jìn)行了分析。朱長(zhǎng)華等［6］通過(guò)調(diào)查分析，指出CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道道床板混凝土的各種裂紋形式及其成因。陸達(dá)飛等［7］通過(guò)分析裂縫產(chǎn)生機(jī)理，并在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，給出了雙塊式無(wú)砟軌道裂縫寬度限值。方樹(shù)薇［8］則總結(jié)了地鐵無(wú)砟軌道混凝土裂紋的主要特征和規(guī)律，并對(duì)無(wú)砟軌道主體結(jié)構(gòu)裂紋損傷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了初步分析。王樞等［9-11］從水灰比、施工工藝等方面對(duì)整體道床混凝土裂縫控制等進(jìn)行了研究。翟超等［12］則研究了混凝土早期養(yǎng)護(hù)方式對(duì)高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響。陳伯靖等［13］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，大單元雙塊式無(wú)砟軌道上假縫的設(shè)置可有效地引導(dǎo)裂縫發(fā)展，降低道床板內(nèi)的溫度應(yīng)力。徐浩等［14］通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)不同寬度、深度的裂縫以及不同彈性模量的修補(bǔ)材料對(duì)軌道板的影響進(jìn)行了分析。滕德?。?5］研究了整體道床軌道板的裂縫等損傷的修補(bǔ)工作。而在混凝土裂縫監(jiān)測(cè)方面，曾紅等［16］研究了分布式光纖遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在混凝土裂縫監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用效果，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

以上關(guān)于整體道床裂縫的研究，大多數(shù)未涉及到整體道床在混凝土凝結(jié)硬化階段由于收縮造成的裂縫的分布規(guī)律，特別是未結(jié)合西北地區(qū)大風(fēng)、干旱的氣候條件研究這一問(wèn)題。進(jìn)行整體道床裂縫研究時(shí)，涉及的主要內(nèi)容為裂縫開(kāi)展規(guī)律，而對(duì)造成裂縫開(kāi)展的整體道床及軌枕的結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式研究較少，特別是相關(guān)的試驗(yàn)研究則更少。因此，結(jié)合西北地區(qū)的具體情況，研究整體道床混凝土裂縫的控制措施，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)確定的措施進(jìn)行驗(yàn)證，是非常關(guān)鍵和必要的。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)前期的研究可知，整體道床混凝土施工工藝、軌枕的端部構(gòu)造、整體道床的配筋構(gòu)造等是導(dǎo)致整體道床混凝土八字形開(kāi)裂的主要因素。因此，試驗(yàn)擬從改變軌枕端部抹面方式、采用圓端形軌枕、增加軌枕端部U型筋和軌枕端部縱向鋼筋等方面，對(duì)導(dǎo)致整體道床開(kāi)裂的主要原因、以及改進(jìn)構(gòu)造后整體道床的抗裂效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)概況

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，對(duì)于雙塊式無(wú)砟軌道，八字形裂縫主要出現(xiàn)在軌枕塊與整體道床邊緣的區(qū)域內(nèi)，而在同一整體道床橫斷面上的兩塊軌枕塊之間的區(qū)域則極少出現(xiàn)。因此，試驗(yàn)主要模擬軌枕塊與整體道床邊緣區(qū)域的情況。在這種情況下，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就將同一整體道床橫斷面上兩塊軌枕塊之間的區(qū)域去掉，直接用一個(gè)軌枕塊的兩端部模擬軌枕塊與整體道床邊緣的區(qū)域。

試驗(yàn)采用的軌枕塊為去掉橡膠套靴的彈性支承塊。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)整體道床的結(jié)構(gòu)尺寸，試驗(yàn)采用的混凝土整體道床尺寸為：寬度1.30 m，厚度0.31 m，長(zhǎng)度6.00 m，其中沿長(zhǎng)度方向上每隔1.2 m設(shè)一道伸縮縫，將整體道床在長(zhǎng)度上分成5段。軌枕間距按60 cm布置，共需軌枕塊10個(gè)，不同區(qū)域的試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)圖1，現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖2。

圖1 不同區(qū)段試驗(yàn)內(nèi)容（單位：mm）

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，整體道床混凝土施工完畢后，不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直接暴露在外界自然環(huán)境條件下，對(duì)比不同構(gòu)造的整體道床八字形裂縫的開(kāi)裂規(guī)律，用于對(duì)比分析其抗裂性能。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.3.1 軌枕端部抹面方式

這部分試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在整體道床施工時(shí)混凝土表面不同的抹面方向，特別是僅沿整體道床縱向（近似垂直于裂縫方向）抹面對(duì)裂縫的影響。試驗(yàn)選定第一幅整體道床進(jìn)行垂直于裂縫方向的抹面試驗(yàn)（見(jiàn)圖1），并結(jié)合普通對(duì)比部分的試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證不同方向的抹面對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響。

1.3.2 普通對(duì)比部分

試驗(yàn)選定這一部分的目的，就是為了和沿道床縱向抹面、采用圓端軌枕、增加U型筋、增加軌枕端部縱向鋼筋的整體道床部分進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證改進(jìn)構(gòu)造和抹面方式的抗裂效果。試驗(yàn)選定第二幅整體道床進(jìn)行普通對(duì)比試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。

1.3.3 圓端軌枕

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在軌枕端部為圓形的情況下，八字形裂縫的開(kāi)裂情況。試驗(yàn)選定第三幅軌枕外整體道床進(jìn)行圓端軌枕試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圓端軌枕圖

1.3.4 增加U型鋼筋

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在增加軌枕端部整體道床內(nèi)U型鋼筋的情況下，八字形裂縫的開(kāi)裂情況。試驗(yàn)選用第四幅軌枕外整體道床進(jìn)行增加U型鋼筋的試驗(yàn)（見(jiàn)圖1），在保證混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋間距要求的基礎(chǔ)上，增加U型鋼筋N6；U型鋼筋采用φ16螺紋鋼筋，U型筋具體尺寸見(jiàn)圖4；試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)U型鋼筋布置圖見(jiàn)圖5。 1.3.5 增加縱向鋼筋

圖4 N6鋼筋尺寸圖（單位：mm）

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)U型鋼筋布置圖

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在增加軌枕端部鋼筋的情況下，八字形裂縫的開(kāi)裂情況。

試驗(yàn)選用第五幅整體道床進(jìn)行增加軌枕外側(cè)鋼筋的試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。在保證混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋間距要求的基礎(chǔ)上，將軌枕端部鋼筋作適當(dāng)調(diào)整，鋼筋由2根調(diào)整為3根，相應(yīng)的鋼筋間距及保護(hù)層厚度進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。其中N1為直徑14 mm的螺紋鋼，N2為直徑16 mm的螺紋鋼。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)2根軌枕端部鋼筋布置圖

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3根軌枕端部鋼筋布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2015年7月31日中午12∶10分，開(kāi)始澆筑混凝土，下午1∶30分混凝土抹面結(jié)束，下午2∶50分整體道床開(kāi)始有裂縫出現(xiàn)，通過(guò)對(duì)裂縫的開(kāi)展情況進(jìn)行了一個(gè)月的觀察，將得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析如下（部分裂縫圖片見(jiàn)圖8～圖11）。

圖8 裂縫圖片1

圖9 裂縫圖片2

（1）裂縫出現(xiàn)的主要時(shí)間為1.5 h到48 h左右，在這一階段主要是混凝土的凝結(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮。超過(guò)這一時(shí)間段后，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展則較為緩慢。

（2）對(duì)于圖1中第一幅沿軌枕端部整體道床縱向抹面的道床板，兩個(gè)軌枕端部的8個(gè)角，總共有8條裂縫產(chǎn)生，其中一條裂縫還產(chǎn)生了分叉，裂縫長(zhǎng)度從2 cm到18 cm不等，裂縫最大寬度為0.4 mm。通過(guò)與第二幅作為普通對(duì)比的整體道床塊對(duì)比分析可知，沿整體道床縱向抹面時(shí)八字形裂縫出現(xiàn)的概率較大。

圖10 裂縫圖片3

圖11 裂縫圖片4

（3）對(duì)于圖1中第二幅普通對(duì)比的整體道床塊而言，兩個(gè)軌枕端部的8個(gè)角，總共有4條裂縫出現(xiàn)，最長(zhǎng)的裂縫有3 cm長(zhǎng)，最短的為1 cm，裂縫最大寬度為0.08 mm。4條裂縫均為從軌枕角部產(chǎn)生的八字形裂縫。

（4）對(duì)于圖1中第三幅采用圓端型軌枕的整體道床，總共出現(xiàn)了1條裂縫，長(zhǎng)度為6 cm，最大寬度為0.3 mm。通過(guò)對(duì)圓端形軌枕的整體道床混凝土開(kāi)裂情況與其他整體道床塊進(jìn)行對(duì)比分析可知，圓端形軌枕端部產(chǎn)生八字形裂縫的概率遠(yuǎn)小于其他情況下整體道床產(chǎn)生裂縫的概率。

（5）對(duì)于圖1中第四幅增加U型筋的整體道床，總共出現(xiàn)了6條裂縫，裂縫長(zhǎng)度從1.9 cm到12.0 cm不等，裂縫最大寬度為0.08 mm。通過(guò)與第二幅作為普通對(duì)比的整體道床塊的混凝土開(kāi)裂情況進(jìn)行對(duì)比分析可知，在整體道床產(chǎn)生八字形裂縫的初期，裂縫尚未開(kāi)展到U型筋部位時(shí)，增加U型筋對(duì)控制裂縫產(chǎn)生的作用不大。

（6）對(duì)于圖1中第五幅增加縱向鋼筋的整體道床，則進(jìn)行分開(kāi)分析，對(duì)于里面的第9號(hào)軌枕，端部共出現(xiàn)2條裂縫，均出現(xiàn)于靠近第10號(hào)軌枕的一側(cè)，長(zhǎng)度分別為10 cm、4 cm，裂縫根端的最大寬度為0.8 mm。而對(duì)于第10號(hào)軌枕，則其端部整體道床內(nèi)出現(xiàn)的裂縫則較多，共有6根之多，主要原因是在施工過(guò)程中，整體道床的端模出現(xiàn)了跑模現(xiàn)象，對(duì)第10號(hào)軌枕端部的混凝土裂縫的產(chǎn)生影響較大。通過(guò)與第二幅作為普通對(duì)比的整體道床塊的混凝土開(kāi)裂情況進(jìn)行對(duì)比分析可知，在整體道床產(chǎn)生八字形裂縫的初期，裂縫尚未開(kāi)展到縱向鋼筋部位時(shí)，增加縱向鋼筋對(duì)控制裂縫產(chǎn)生的作用不大。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上對(duì)整體道床試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）整體道床施工階段混凝土產(chǎn)生的裂縫，往往會(huì)在混凝土初凝階段就開(kāi)始，大約48 h內(nèi)大部分裂縫就會(huì)出現(xiàn)，因此，這一階段是裂縫控制的主要階段。在整體道床施工過(guò)程中，應(yīng)注意沿裂縫開(kāi)展方向和垂直于裂縫開(kāi)展方向均勻抹面，以消除由于抹面方向造成的整體道床八字形裂縫開(kāi)展的影響。

（2）現(xiàn)階段應(yīng)用的軌枕角部會(huì)導(dǎo)致整體道床混凝土在這一部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，這是造成整體道床產(chǎn)生八字形裂縫的主要因素。因此，在今后的軌枕設(shè)計(jì)時(shí)，希望對(duì)這一構(gòu)造進(jìn)行改善，增設(shè)倒角或直接設(shè)計(jì)成圓端形軌枕。

（3）在軌枕端部的整體道床內(nèi)增設(shè)U型筋或縱向鋼筋，主要作用是當(dāng)裂縫達(dá)到鋼筋部位后，對(duì)裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展產(chǎn)生控制作用。而對(duì)于裂縫尚未到達(dá)鋼筋部位時(shí)作用則不大。

（4）由于試驗(yàn)的數(shù)量有限，雖然驗(yàn)證了導(dǎo)致整體道床裂縫出現(xiàn)的一些原因和控制裂縫發(fā)展的一些改進(jìn)措施，但對(duì)于整體道床裂縫的進(jìn)一步研究還是不夠的，今后應(yīng)該結(jié)合具體情況，開(kāi)展更多的研究工作。

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［3］ 張 勇.路基上雙塊式無(wú)砟軌道空間力學(xué)及裂縫特性研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

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Experimental Study on Crack Control at Concrete Construction Phase of Monolithic Track Bed

TANG Xianxi，ZHUO Haijin，HU Jinsen，YIN Yueyou
（School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China）

To study the crack resistance effect of concrete railway monolithic track bed at construction phase by different construction process and structures，an experimental study on crack resistance of monolithic track bed was conducted. The factors considered in the study are the concrete coating way of monolithic track bed at sleeper ends，rounded shape sleepers，adding U type reinforcements in monolithic track bed at sleeper ends，increasing the longitudinal reinforcements in monolithic track bed at sleeper ends.The results are：the concrete coating along the longitudinal monolithic track bed（perpendicular approximately to the direction of the splay crack development）could lead to an increase in the probability of crack；the round shaped sleepers could effectively reduce the probability of crack effectively；adding the U reinforcement and increasing the longitudinal reinforcement in monolithic track bed has little effect of crack control initial，but when the crack develops to the reinforced part，they are very important to control the crack’s further development.The research results has an important significance of concrete shrinkage crack control of monolithic track bed at concrete hardening stage.

monolithic track bed；crack control；concrete coating along the longitudinal monolithic track bed；round shaped sleeper；U type reinforcement；longitudinal reinforcement

U213.2

A

1672—1144（2016）05—0001—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.001

2016－05－10

2016－06－09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51168030）

唐先習(xí)（1972—），男，山東濟(jì)寧人，副教授，博士，主要從事大跨度橋梁施工與橋梁耐久性等方面的研究。E－mail：695913483@qq.com。