西北嚴(yán)寒地區(qū)雙塊式無砟軌道初期力學(xué)性能分析

韋有信，楊 斌，黃 誠，趙振航

(1.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，南京 211167； 2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844；3.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)

我國西北嚴(yán)寒地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，冬季嚴(yán)寒、年溫差大，且伴有晝夜溫差大等急劇變化的短期溫度行為[1-2]，傳統(tǒng)雙塊式無砟軌道的連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于該類地區(qū)將出現(xiàn)嚴(yán)重的混凝土開裂現(xiàn)象[3-4]。鑒于單元式軌道結(jié)構(gòu)對溫度環(huán)境的良好適應(yīng)能力，應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)的雙塊式無砟軌道宜采用單元式道床板結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了專家學(xué)者的普遍認(rèn)可[5-7]，然而5～7 m單元道床板的自身穩(wěn)定性較差，須采用限位凹槽、凸臺或側(cè)向擋塊等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)限位，軌道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[8-10]，為此專家學(xué)者針對雙塊式無砟軌道提出大單元設(shè)計(jì)理念，以期能夠利用板端伸縮充分釋放溫度應(yīng)力的同時(shí)，可以利用板中部分各結(jié)構(gòu)層的層間粘結(jié)實(shí)現(xiàn)對大單元道床板的整體限位[11-12]。蘭新高鐵路基段雙塊式無砟軌道即采用了19.5 m大單元道床板結(jié)構(gòu)，為明確該型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和行為特性，指導(dǎo)嚴(yán)寒地區(qū)雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化，在達(dá)坂城地區(qū)鋪設(shè)了20 m雙塊式無砟軌道試驗(yàn)段，并對其20 m單元道床板的板內(nèi)鋼筋混凝土應(yīng)力、板端伸縮變形等展開了長期監(jiān)測。本文的研究成果可為嚴(yán)寒地區(qū)的雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，進(jìn)而可更好的拓展雙塊式無砟軌道的適用范圍。

1 20 m雙塊式無砟軌道試驗(yàn)段

路基段雙塊式無砟軌道的大單元道床板結(jié)構(gòu)基本形式如圖1所示[13-15]，達(dá)坂城試驗(yàn)段中20 m單元道床板寬度2 800 mm、厚度265 mm。道床板選用C40混凝土，直接澆筑在上表面拉毛的支承層上[16，17]；支承層選用C15混凝土，寬度3 400 mm，厚度300 mm，直接澆筑在路基表層級配碎石層上。

圖1 采用單元道床板的雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意

20 m單元道床板的配筋設(shè)計(jì)參照了傳統(tǒng)連續(xù)式道床板的鋼筋配置方案，如圖2所示?？v向設(shè)置上層9φ20 mm、下層12φ20 mm鋼筋，橫向每兩根軌枕間上下層分別設(shè)置2φ14 mm鋼筋。

圖2 20 m單元道床板配筋設(shè)計(jì)(單位：mm)

2 應(yīng)力監(jiān)測及分析

自道床板混凝土澆筑開始，即對20 m單元道床板關(guān)鍵點(diǎn)位的鋼筋、混凝土應(yīng)力開展了持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為2010年10月8日至次年3月10日。應(yīng)力測試采用了鋼筋計(jì)、混凝土計(jì)、光纖光柵解調(diào)儀以及相關(guān)配套設(shè)備等，其中光纖光柵解調(diào)儀測試結(jié)果是鋼筋計(jì)和混凝土計(jì)的波長，通過公式轉(zhuǎn)換將波長轉(zhuǎn)化為鋼筋軸力或混凝土應(yīng)力。試驗(yàn)段安裝的部分鋼筋計(jì)和混凝土計(jì)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)段現(xiàn)場鋼筋計(jì)、混凝土計(jì)安裝

2.1 板內(nèi)鋼筋應(yīng)力

在20 m單元道床板的板中位置設(shè)置了6根鋼筋計(jì)，如圖4所示。1、2、3號鋼筋計(jì)布置在上層鋼筋網(wǎng)位置，4、5、6號鋼筋計(jì)布置在下層鋼筋網(wǎng)位置。

圖4 鋼筋計(jì)設(shè)置點(diǎn)位示意(單位：m)

由光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行鋼筋計(jì)應(yīng)力的采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測試點(diǎn)鋼筋計(jì)軸力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 鋼筋計(jì)軸力監(jiān)測曲線

受混凝土泌水收縮效應(yīng)影響，板中鋼筋計(jì)在道床板混凝土澆筑后承受壓力作用，隨后在水泥水化熱作用下混凝土材料膨脹，鋼筋計(jì)由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)?；炷翝仓s50 h后，鋼筋軸力呈現(xiàn)出以24 h為周期的循環(huán)波動現(xiàn)象，各測點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力變化趨勢相同，且與統(tǒng)計(jì)的大氣溫度變化趨勢相似。通過對道床板溫度場的同步監(jiān)測可知，鋼筋應(yīng)力監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)道床板整體溫度最高值為25 ℃，最低值為-20 ℃；平均日溫差幅值約為12 ℃，最大日溫差幅值約為21 ℃。統(tǒng)計(jì)鋼筋軸力數(shù)據(jù)可知，鋼筋軸力平均日變化幅值約為3 kN，上層鋼筋承受的最大壓力為6 kN，最大拉力約為11 kN，下層鋼筋承受的最大壓力為3 kN，最大拉力約為14 kN。

道床板與支承層層間粘結(jié)良好，二者作為復(fù)合單元板共同承載，溫度作用下復(fù)合單元板與基床表層產(chǎn)生分層滑動。受層間摩阻力影響，板中部分存在一定長度的固定區(qū)，固定區(qū)長度與溫度作用的大小成反比。復(fù)合單元板在溫降作用下的受力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 溫降作用下復(fù)合單元板受力狀態(tài)示意

滑動區(qū)長度L1受溫差幅值和層間摩阻力大小影響，滑動區(qū)內(nèi)各截面力學(xué)狀態(tài)則與溫差幅值無關(guān)，僅與板底摩阻力和所處位置相關(guān)；固定區(qū)各截面受力狀態(tài)與傳統(tǒng)連續(xù)式結(jié)構(gòu)相同，與層間摩阻力和所處位置無關(guān)，僅與溫差幅值相關(guān)[18-19]。溫降作用下復(fù)合單元板各橫截面承受的溫度力F：

(1)

式中，x為各計(jì)算截面距離板端的長度，m；γ為單位長度的復(fù)合單元板板底摩阻力，N/m；α為熱伸縮系數(shù)；ΔT為溫度改變值，℃；L1為伸縮區(qū)長度，m；L為單元道床板長度，m；E、A分別為復(fù)合單元板橫截面彈性模量和截面面積。測試時(shí)間段內(nèi)道床板溫差變化幅值為45 ℃，對應(yīng)的未開裂道床板固定區(qū)鋼筋應(yīng)力變化幅值為108 MPa，遠(yuǎn)大于板中實(shí)測值54.14 MPa，說明板中的鋼筋應(yīng)力得到了有效的釋放。若道床板混凝土未開裂，則20 m單元道床板全長范圍內(nèi)均處于滑動區(qū)，與板中鋼筋最大拉應(yīng)力實(shí)測值44.59 MPa對應(yīng)的混凝土拉應(yīng)力為7.25 MPa，遠(yuǎn)高于C40混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.71 MPa，由此可認(rèn)為道床板混凝土將必然產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫[20-21]。

在經(jīng)歷了一個完整的溫降作用后，課題組于次年3月份對試驗(yàn)段進(jìn)行了一次道床板混凝土開裂現(xiàn)場觀測，其中20 m單元道床板的結(jié)構(gòu)性混凝土裂縫情況如表1所示。

表1 20 m單元道床板裂縫匯總

表1中開裂位置是指裂縫距離單元道床板右側(cè)板端的平均距離，裂縫高度是指道床板側(cè)面直觀測得的實(shí)際深度，裂縫長度是指裂縫在道床板頂面表現(xiàn)出來的實(shí)際長度?？拷来舶鍍蓚?cè)的裂縫1、裂縫5僅在道床板兩側(cè)表面產(chǎn)生了豎向裂紋，并未深入道床板內(nèi)部；靠近道床板中部的裂縫2、裂縫3、裂縫4則開裂嚴(yán)重，多次溫降循環(huán)作用下將形成貫通裂縫。嚴(yán)寒時(shí)段，20 m單元道床板在溫降作用下形成4塊小單元道床板縱向串聯(lián)設(shè)置的工作狀態(tài)，相鄰小單元道床板依靠受力鋼筋實(shí)現(xiàn)縱向連接；高溫時(shí)段，小單元道床板間裂縫將閉合，道床板以20 m大單元道床板的形式傳遞縱向溫度壓力。嚴(yán)寒地區(qū)的年溫差循環(huán)作用下，大單元雙塊式無砟軌道將在很長一段時(shí)間內(nèi)保持“低溫小單元組合、高溫閉合大單元”的循環(huán)工作狀態(tài)。

2.2 板內(nèi)混凝土應(yīng)力

道床板混凝土應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)位如圖7所示，測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2均布置在道床板中性層位置。

圖7 混凝土計(jì)設(shè)置點(diǎn)位示意(單位：m)

由光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行混凝土計(jì)應(yīng)力的采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測點(diǎn)混凝土應(yīng)力變化曲線如圖8所示。

圖8 板中混凝土計(jì)應(yīng)力監(jiān)測曲線

在監(jiān)測初期的兩天時(shí)間內(nèi)，混凝土計(jì)受早期混凝土泌水和水化熱影響，先后呈現(xiàn)出受壓和受拉狀態(tài)，隨后進(jìn)入周期為24 h的循環(huán)波動狀態(tài)，其整體發(fā)展趨勢與統(tǒng)計(jì)的大氣溫度環(huán)境變化基本一致，且處于同一橫截面的不同測點(diǎn)處混凝土縱向應(yīng)力幅值基本相同。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)測試點(diǎn)的道床板混凝土最大拉應(yīng)力約為1.3 MPa，小于其混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大壓應(yīng)力約為1.2 MPa。通過現(xiàn)場觀測，測試點(diǎn)至板端的5 m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有影響結(jié)構(gòu)受力的裂縫現(xiàn)象，且混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)板端5 m范圍內(nèi)均處于層間分離滑動狀態(tài)，依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)處橫截面受力平衡，參照公式(1)可推算出支承層與基床表層間的單元長度摩阻力γ約為372 kN/m。

3 位移監(jiān)測及分析

在20 m單元道床板的左右兩側(cè)板端位置處分別設(shè)置了位移監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2，監(jiān)測點(diǎn)位于道床板中性層位置，位移測試試驗(yàn)使用了高精度位移計(jì)、電子槍、低溫溫度計(jì)、靜態(tài)應(yīng)變儀以及相關(guān)配套設(shè)備等。試驗(yàn)中為避免位移傳感器自身的漂移造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，將位移傳感器固定于試驗(yàn)段一側(cè)的路基表層的底座上，該底座通過下部鋼筋與路基牢固連接在一起。鑒于板端部分路基表層與軌道結(jié)構(gòu)層間分離，可認(rèn)為位移傳感器設(shè)置處路基無縱向變形。

冬季嚴(yán)寒時(shí)段1月18日至2月21日(共33天)，板端縱向伸縮變形量記錄如圖9所示。

圖9 20 m單元道床板板端伸縮位移觀測曲線

道床板兩側(cè)的伸縮變形均以24h為周期循環(huán)波動，測試時(shí)間段內(nèi)左端部的最大伸長位移為3.147 mm，最大收縮位移為2.248 mm；右端部的最大伸長位移為1.124 mm，最大收縮位移為1.574 mm。左右兩側(cè)較大的位移變化幅值釋放了大單元道床板內(nèi)部溫度應(yīng)力，但其左右兩側(cè)伸縮變形量不一致，說明兩側(cè)的溫度應(yīng)力釋放效果不同，主要是受軌道結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)的層間接觸性能分布不均勻所致，在長期的年溫差循環(huán)作用后，兩側(cè)的伸縮變形幅值將逐漸趨于一致。

觀察圖9可知，20 m大單元道床板的日伸縮變形存在其獨(dú)特的行為規(guī)律，其板端日伸縮位移均值呈階梯型跳躍式發(fā)展規(guī)律，且跳躍時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的日伸縮變化幅值存在顯著放大現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)段周邊大氣溫度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)大單元道床板板端伸縮的特殊行為規(guī)律與嚴(yán)寒地區(qū)極端日氣溫差的出現(xiàn)密切相關(guān)，日伸縮位移產(chǎn)生放大突變的相對時(shí)間480～528 h對應(yīng)的日氣溫差達(dá)到21 ℃左右。極端日氣溫差的出現(xiàn)，導(dǎo)致了道床板內(nèi)部極大溫度梯度的出現(xiàn)，引起單元道床板板端分離翹曲部分長度的放大，同時(shí)板端翹曲段與下部結(jié)構(gòu)層層間摩阻力消除，極端日氣溫差引起的板端伸縮變形幅值進(jìn)一步增大，從而表現(xiàn)出顯著的板端伸縮變形，板端伸縮變形幅值的放大使得大單元道床板內(nèi)部的溫度應(yīng)力得以釋放和調(diào)節(jié)。極大溫度梯度消失后對應(yīng)的道床板整體溫度幅值不同，則后期的板端日伸縮位移均值將產(chǎn)生改變。此外，傳統(tǒng)5～7 m小單元道床板由于板內(nèi)溫度應(yīng)力釋放較完全，故未有大單元道床板特有的板端伸縮變形行為特性。

4 結(jié)論

基于對達(dá)坂城地區(qū)20 m雙塊式無砟軌道試驗(yàn)段的試驗(yàn)研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)大單元道床板板端伸縮變形幅值較大，板端部分的道床板溫度應(yīng)力可得到有效釋放，但板中部分的道床板受基床表層摩阻作用影響，溫度應(yīng)力難以釋放，嚴(yán)寒時(shí)段其混凝土開裂嚴(yán)重。

(2)板端部分軌道結(jié)構(gòu)與基床表層層間分離滑動現(xiàn)象明顯，試驗(yàn)段中基床表層單元長度摩阻力約為372 kN/m。

(3)年溫度循環(huán)作用下，大單元道床板呈現(xiàn)出“低溫小單元組合、高溫閉合大單元”的循環(huán)工作狀態(tài)。低溫環(huán)境下大單元道床板開裂為數(shù)個小單元道床板，各小單元道床板依靠受力鋼筋實(shí)現(xiàn)縱向連接，高溫環(huán)境下各小單元道床板間裂縫重新閉合。

(4)嚴(yán)寒地區(qū)極端日氣溫差的出現(xiàn)，引起了大單元道床板板端日伸縮位移均值的階梯型跳躍式發(fā)展行為，且跳躍時(shí)間點(diǎn)的日伸縮變化幅值顯著放大。

受板中裂縫開裂位置的隨機(jī)性、層間粘結(jié)效果的不均勻性等多因素影響，大單元道床板的裂縫控制和引導(dǎo)是該型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用關(guān)鍵。蘭新高鐵19.5 m單元道床板上每隔3.9 m設(shè)置1道橫向假縫，低溫時(shí)段形成5個3.9 m小單元板，有效釋放板內(nèi)溫度應(yīng)力，高溫時(shí)段裂縫閉合，減少單元道床板板端翹曲、錯臺等變形影響。