無(wú)砟軌道層間凍脹特性研究

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

截至2017年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)2.5萬(wàn)km，占全球高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的65%以上。高速鐵路正在以高速、高效、準(zhǔn)時(shí)、便捷等特點(diǎn)改變著人們的出行方式。無(wú)砟軌道因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、殘余變形小、平順性高及維修量少的特點(diǎn)成為我國(guó)高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)高速鐵路線路中得到大量應(yīng)用。無(wú)砟軌道作為一種層狀線性結(jié)構(gòu)物，層間成為軌道結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，病害也多發(fā)于此。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，CRTS系列軌道結(jié)構(gòu)在雨水豐富、線路排水不暢、地下水較發(fā)育地區(qū)，軌道層間易出現(xiàn)離縫，產(chǎn)生翻漿冒泥、層間脫空等現(xiàn)象，影響行車平順性及安全性。

在嚴(yán)寒、富水地區(qū)，凍脹問(wèn)題在高速鐵路修建及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中日益凸顯。針對(duì)此問(wèn)題，目前研究?jī)?nèi)容主要集中在高速鐵路無(wú)砟軌道路基凍脹規(guī)律、路基凍脹對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)變形影響、路基凍脹管理標(biāo)準(zhǔn)及維修措施等方面[1-6]，而對(duì)于富水地段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹鮮有研究。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹是否影響軌道結(jié)構(gòu)的變形、受力、層間傷損以及行車平順性，目前尚沒(méi)有明確結(jié)論。因此，本文開展無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹研究是對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性及層間傷損分析的進(jìn)一步完善，為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹的研究及層間傷損的養(yǎng)護(hù)維修提供一定參考。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文采用ANSYS有限元軟件，利用升溫方法對(duì)離縫區(qū)域材料施加溫度荷載使其體積膨脹來(lái)模擬凍脹。通常情況下液態(tài)水密度為1.000 g/cm3，純冰密度為0.917 g/cm3[7]，-30 ℃ 冰的彈性模量為0.739 GPa[8]。但凍脹是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，在低溫條件下液態(tài)水變成固態(tài)冰的過(guò)程中，凍脹區(qū)域體積膨脹，產(chǎn)生大變形，且材料發(fā)生了相變。由于此問(wèn)題難以模擬，因此需對(duì)凍脹區(qū)域材料的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。離縫凍脹區(qū)域材料的彈性模量介于水與冰之間，參考橡膠材料(彈性模量為7.84 MPa)可發(fā)生大變形，因此，本文取凍脹區(qū)域材料的彈性模量接近橡膠材料。

在計(jì)算過(guò)程中，凍脹區(qū)域材料的體積膨脹滿足以下要求：

(1)

即

(1+αΔt)3=1.091

(2)

式中：V水,V冰分別為水和冰的體積；ρ水,ρ冰分別為水和冰的密度；l,k,h分別為離縫的長(zhǎng)度、深度和開口量,其中離縫深度是指離縫從軌道板邊緣向內(nèi)延伸的距離;α為材料的線膨脹系數(shù)；Δt為升溫幅度。

從式(2)可看出，使材料體積膨脹為原體積的1.091倍與材料的線膨脹系數(shù)α和升溫幅度Δt有關(guān)。本文取升溫幅度為30 ℃，根據(jù)式(2)，計(jì)算出材料的線膨脹系數(shù)為9.77×10-4/℃。

建立凍脹材料充滿層間離縫的隧道地段雙塊式無(wú)砟軌道有限元模型，其中鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，扣件采用線性彈簧單元模擬，道床板、隧道仰拱回填層和離縫凍脹區(qū)域采用實(shí)體單元模擬，仰拱底面采用表面效應(yīng)單元模擬彈性約束。由于實(shí)際情況中凍脹區(qū)域與軌道部件之間邊界條件的復(fù)雜性及不明確性，本文采用接觸模擬，道床板與隧道仰拱回填層之間采用黏結(jié)處理，且模型離縫區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。計(jì)算模型如圖1所示，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算模型(單位:mm)

部件參數(shù)取值鋼軌型號(hào)/(kg·m-1)60扣件扣件間距/m0.65垂向剛度/(kN·mm-1)50彈性模量/MPa32 500道床板泊松比0.2長(zhǎng)度/m19.5彈性模量/MPa25 500仰拱回填層泊松比0.2厚度/m1.0基礎(chǔ)面剛度/(MPa·m-1)1 200彈性模量/MPa7.84～30.00離縫凍脹材料泊松比0.3線膨脹系數(shù)/℃-19.77×10-4

2 結(jié)果分析

2.1 彈性模量及接觸摩擦系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

當(dāng)離縫深度為0.65 m、長(zhǎng)度為1.00 m時(shí)，凍脹材料不同彈性模量及接觸摩擦系數(shù)對(duì)道床板與隧道仰拱回填層層間拉應(yīng)力的影響見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 層間拉應(yīng)力隨彈性模量的變化曲線圖3 層間拉應(yīng)力隨接觸摩擦系數(shù)的變化曲線

由圖2可知，道床板與隧道仰拱回填層層間拉應(yīng)力隨凍脹材料彈性模量的增加呈線性增加關(guān)系，且凍脹材料彈性模量對(duì)層間拉應(yīng)力影響較大。若當(dāng)彈性模量為0.739 GPa時(shí)，層間拉應(yīng)力為2.358 MPa。由圖3可看出，道床板與仰拱回填層層間拉應(yīng)力隨接觸摩擦系數(shù)的增加在接觸摩擦系數(shù)小于0.3時(shí)增加較快，在大于0.3之后增加趨勢(shì)變緩，但接觸摩擦系數(shù)對(duì)層間拉應(yīng)力影響較小。為減小計(jì)算量，后續(xù)計(jì)算中凍脹材料彈性模量取為30.0 MPa，接觸摩擦系數(shù)取為0.3。

2.2 離縫深度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形及受力的影響

在鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，離縫深度通常會(huì)隨著列車動(dòng)荷載的反復(fù)作用及運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而進(jìn)一步擴(kuò)展。本文研究了不同離縫深度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)部件變形及層間受力的影響，圖4、圖5 分別為層間凍脹情況下，離縫深度2.8 m、長(zhǎng)度1.0 m、開口量2.0 mm時(shí)，鋼軌和道床板上表面中心線的垂向位移沿線路縱向的分布曲線。

圖4 鋼軌垂向位移沿縱向分布曲線圖5 道床板垂向位移沿縱向分布曲線

由圖4、圖5可知，道床板與仰拱回填層間發(fā)生凍脹時(shí)，當(dāng)離縫深度貫穿軌道橫截面且離縫長(zhǎng)度為1.00 m 時(shí)，鋼軌和道床板產(chǎn)生了類似半波正弦分布的上拱變形，鋼軌、道床板上拱位移幅值分別為0.005，0.010 mm，數(shù)值較小，且鋼軌和道床板的上拱波長(zhǎng)分別為4.55，1.95 m，大于離縫長(zhǎng)度1.00 m。綜上所述，無(wú)砟軌道層間凍脹對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形及行車平順性影響較小。

因?qū)娱g凍脹會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)上拱，為探明層間凍脹是否會(huì)導(dǎo)致較大的層間拉應(yīng)力，從而引起道床板混凝土開裂，本文研究了離縫長(zhǎng)度為1.0 m、開口量為2.0 mm時(shí)，離縫深度對(duì)道床板上表面縱向拉應(yīng)力的影響，見(jiàn)圖6。

圖6 道床板上表面縱向拉應(yīng)力隨離縫深度的變化曲線

由圖6可知，因軌道結(jié)構(gòu)上拱導(dǎo)致道床板上表面縱向拉應(yīng)力隨離縫深度的增加而增加，在離縫深度為1.25 m 前增加較快，在1.25 m以后趨于穩(wěn)定，道床板上表面縱向拉應(yīng)力最大值為0.359 MPa，遠(yuǎn)小于道床板混凝土抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明層間凍脹導(dǎo)致的軌道結(jié)構(gòu)上拱對(duì)軌道部件的受力影響較小。

圖7為凍脹區(qū)域最大層間拉應(yīng)力隨離縫深度的變化曲線?？芍?，平行于軌道橫截面的凍脹區(qū)域最大層間拉應(yīng)力大于垂直于軌道橫截面的凍脹區(qū)域最大層間拉應(yīng)力，但都隨離縫深度的增加而增加，離縫深度為1.25 m之前增加較快,而在1.25 m之后趨于穩(wěn)定；平行于軌道橫截面的凍脹區(qū)域最大層間拉應(yīng)力為0.285 MPa，垂直于軌道橫截面的凍脹區(qū)域最大層間拉應(yīng)力為0.128 MPa。雖然離縫深度大于1.25 m時(shí)層間最大拉應(yīng)力趨于穩(wěn)定，但隨離縫深度不斷增大，層間拉應(yīng)力較大值范圍不斷擴(kuò)大，如圖8所示。

圖7 最大層間拉應(yīng)力隨離縫深度的變化曲線

圖8 層間拉應(yīng)力擴(kuò)展示意(單位：Pa)

在層間反復(fù)發(fā)生凍脹的區(qū)域，道床板和仰拱回填層混凝土長(zhǎng)時(shí)間與水接觸。眾多研究表明，水會(huì)降低混凝土強(qiáng)度[9-14]。Cadoni等[9]對(duì)干燥混凝土與飽和混凝土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，混凝土抗拉強(qiáng)度從干燥時(shí)的3.28 MPa下降到飽和時(shí)的3.02 MPa，下降了7.62%；王海龍等[12]研究了飽和混凝土與干燥混凝土在不同加載速率下劈拉強(qiáng)度的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，干燥混凝土的劈拉強(qiáng)度為1.49 MPa，隨著自由水的不斷進(jìn)入，劈拉強(qiáng)度下降到1.32 MPa，降低了11.41%。閆東明等[13]將300 d齡期的試件浸泡在水中60 d后取出進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)混凝土含水量從0.31%增加到4.80%時(shí)，強(qiáng)度降低了41.2%。另外，混凝土受到純水、雨水等含鈣較少的軟水侵襲時(shí)，混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2,CaO 等物質(zhì)會(huì)被不斷地溶出帶走，使混凝土中形成較大的空隙，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度不斷地降低。李金玉等[14]研究了混凝土中CaO的溶出與混凝土的強(qiáng)度和孔隙的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)CaO的溶出量分別為6%，16%和25%時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別下降44.7%，59.6%和66.4%。

綜上所述，水對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響不一，本文暫定混凝土抗拉強(qiáng)度在水環(huán)境作用下降低40%。C40與C20混凝土層間拉應(yīng)力沒(méi)有明確數(shù)值，但應(yīng)小于C20混凝土抗拉強(qiáng)度。隧道仰拱回填層C20混凝土疲勞拉應(yīng)力取為0.66 MPa[15]，再考慮水對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響，本文層間疲勞拉應(yīng)力為0.6×0.66 MPa=0.396 MPa。

通過(guò)上述對(duì)層間凍脹情況下不同離縫深度對(duì)層間拉應(yīng)力的影響分析可知，在離縫長(zhǎng)度、深度一定的條件下，離縫深度引起的層間拉應(yīng)力小于0.396 MPa。為避免層間拉應(yīng)力水平接近限值，建議離縫深度應(yīng)小于1.25 m。

2.3 離縫長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形及受力影響

實(shí)際情況中，軌道結(jié)構(gòu)層間離縫長(zhǎng)度通常不一樣，因此，本文開展了不同離縫長(zhǎng)度下軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形及受力影響。圖9為不同離縫長(zhǎng)度情況下層間凍脹對(duì)道床板垂向位移縱向分布的影響，圖10 為離縫深度2.8 m、開口量2.0 mm時(shí)道床板上拱位移隨離縫長(zhǎng)度的變化曲線。

圖9 不同離縫長(zhǎng)度下道床板垂向位移縱向分布曲線

圖10 道床板上拱位移隨離縫長(zhǎng)度變化曲線

由圖9可知，層間凍脹情況下，道床板發(fā)生了類似半波正弦分布的上拱變形，且隨離縫長(zhǎng)度的增加上拱位移和波長(zhǎng)不斷增大。由圖10可知，道床軌道板上拱位移在離縫長(zhǎng)度大于1.2 m以后增加趨勢(shì)較明顯，當(dāng)離縫長(zhǎng)度達(dá)到2.0 m，層間凍脹引起的道床板上拱位移為0.048 mm，可以看出，離縫長(zhǎng)度對(duì)道床板上拱位移的影響大于離縫深度對(duì)道床板上拱位移的影響。

圖11、圖12分別為凍脹情況下，離縫深度2.8 m、開口量2.0 mm時(shí)，離縫長(zhǎng)度對(duì)道床板上表面縱向拉應(yīng)力及道床板與隧道仰拱回填層層間拉應(yīng)力的影響?？芍?dāng)離縫深度和開口量一定時(shí)，道床板上表面縱向拉應(yīng)力及道床板與隧道仰拱回填層層間拉應(yīng)力隨離縫長(zhǎng)度的變化規(guī)律基本一致，離縫長(zhǎng)度小于1.0 m時(shí)基本呈線性增加關(guān)系，離縫長(zhǎng)度大于1.0 m后隨離縫長(zhǎng)度的增加而增加，但增加趨勢(shì)變緩。當(dāng)離縫長(zhǎng)度為2.0 m時(shí)，道床板上表面縱向拉應(yīng)力為0.590 MPa，小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度2.45 MPa，也小于混凝土承受拉壓疲勞應(yīng)力時(shí)的抗疲勞強(qiáng)度1.026 MPa，說(shuō)明離縫長(zhǎng)度小于2.0 m時(shí)，層間發(fā)生凍脹不會(huì)導(dǎo)致道床板上表面拉力較大引起開裂。當(dāng)離縫長(zhǎng)度分別為1.6，2.0 m 時(shí)，道床板與仰拱回填層層間拉應(yīng)力達(dá)到0.432，0.498 MPa，大于0.396 MPa，說(shuō)明當(dāng)離縫長(zhǎng)度大于1.4 m 時(shí)，層間反復(fù)凍脹會(huì)導(dǎo)致道床板與隧道仰拱回填層層間開裂，使離縫長(zhǎng)度進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)層間傷損及病害加劇。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)因排水不暢易出現(xiàn)層間病害，建議加強(qiáng)富水地段排水措施，且對(duì)開口量為 2.0 mm 且長(zhǎng)度大于 1.4 m 的離縫及時(shí)進(jìn)行注漿修復(fù)，避免在嚴(yán)寒冬季因?qū)娱g凍脹引起層間離縫擴(kuò)展及層間破壞。

圖11 道床板上表面縱向拉應(yīng)力隨離縫長(zhǎng)度的變化曲線圖12 層間拉應(yīng)力隨離縫長(zhǎng)度的變化曲線

2.4 離縫開口量對(duì)層間拉應(yīng)力影響

通過(guò)上述分析可知，離縫深度和長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形影響較小，因離縫開口量遠(yuǎn)小于離縫長(zhǎng)度與深度，因此下面僅研究離縫開口量對(duì)層間拉應(yīng)力的影響。離縫長(zhǎng)度2.0 m、深度2.8 m時(shí)層間拉應(yīng)力隨離縫開口量的變化曲線見(jiàn)圖13?？芍?，層間凍脹情況下，當(dāng)離縫長(zhǎng)度與深度一定時(shí)，層間拉應(yīng)力隨離縫開口量的增加而線性增加。建議離縫開口量應(yīng)小于1.60 mm，有利于減小層間傷損的進(jìn)一步發(fā)展。

圖13 層間拉應(yīng)力隨離縫開口量的變化曲線

3 結(jié)論

本文采用有限元軟件，利用升溫方法對(duì)離縫區(qū)域材料施加溫度荷載使其體積膨脹來(lái)模擬軌道結(jié)構(gòu)層間凍脹問(wèn)題，研究了離縫深度、長(zhǎng)度及開口量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形和受力的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

1)因離縫產(chǎn)生的軌道層間凍脹使鋼軌、道床板產(chǎn)生了類似半波正弦分布的上拱變形，但變形對(duì)軌道部件受力及對(duì)行車平順性影響較小。

2)層間拉應(yīng)力隨離縫深度的增加在離縫深度小于1.25 m時(shí)增加較快，在大于1.25 m之后趨于穩(wěn)定，且層間拉應(yīng)力較大值范圍不斷擴(kuò)大；層間拉應(yīng)力隨離縫長(zhǎng)度的增加在離縫長(zhǎng)度小于1.0 m時(shí)基本呈線性增加關(guān)系，在大于1.0 m之后增加趨勢(shì)變緩；層間拉應(yīng)力隨離縫開口量增加成線性增加關(guān)系。

3)為減小嚴(yán)寒、富水地區(qū)軌道層間凍脹導(dǎo)致層間離縫的進(jìn)一步擴(kuò)展及層間傷損，建議加強(qiáng)完善富水地段的排水措施，且對(duì)離縫長(zhǎng)度大于1.4 m、深度大于1.25 m 和開口量大于1.6 mm的離縫及時(shí)進(jìn)行注漿修復(fù)。