高溫荷載下高速鐵路無(wú)砟軌道線間封閉層檢算與分析

阮慶伍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 無(wú)砟軌道線間封閉層研究

我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道正線一般為雙線結(jié)構(gòu)，無(wú)砟軌道線間需要用C25素混凝土進(jìn)行填充封閉并做防水處理。近年來(lái)，在高溫季節(jié)無(wú)砟軌道線路特別是路基地段線間及路肩封閉層發(fā)生多次拱起，分析原因主要是封閉層伸縮縫間距過(guò)大或存在假伸縮縫，在夏季高溫季節(jié)發(fā)生失穩(wěn)所致。

調(diào)研表明，對(duì)無(wú)砟軌道高溫病害研究較多，但尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)無(wú)砟軌道線間封閉層相關(guān)研究的報(bào)道，為了從源頭上控制封閉層發(fā)生病害，防止其對(duì)行車(chē)安全造成影響，需對(duì)封閉層厚度、伸縮縫間距設(shè)置等進(jìn)行深入研究分析，以期為設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

考慮線間封閉層與下層級(jí)配碎石離縫先于拱起發(fā)生，參考北京交通大學(xué)趙磊博士論文《高速鐵路無(wú)砟軌道空間精細(xì)化分析方法及其應(yīng)用研究》[1]中混凝土與級(jí)配碎石基床間粘結(jié)性能試驗(yàn)，采用路基彈簧模擬級(jí)配碎石層，取單位面積路基彈簧縱橫向剛度為1 000 kN/mm，當(dāng)封閉層底面與級(jí)配碎石層錯(cuò)移超過(guò)0.62 mm時(shí)，視為二者發(fā)生脫粘，即產(chǎn)生離縫。

2 有限元模型和計(jì)算工況

基于無(wú)砟軌道通用圖：通線[2018]2331和通線[2018]2351-II，建立路基上封閉層有限元分析模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，截取橫截面為0.3 m×0.3 m的連續(xù)底座作為分析邊界，其與封閉層界面處僅存在摩擦作用，摩擦系數(shù)取0.3?；竟r取3塊封閉層分析，模型總長(zhǎng)度14.98 m，封閉層長(zhǎng)寬厚分別為4.98 m、1.9 m，0.1 m，伸縮縫寬度20 mm。封閉層和底座下表面均采用路基彈簧連接，垂向剛度取76 MPa/m，底座截?cái)嗵幉捎霉潭s束。計(jì)算工況包括升溫10 ℃、20 ℃、30 ℃、45 ℃，伸縮縫間距2 m、3.0 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、6.5 m、8.0 m，封閉層厚度0.08 m、0.10 m、0.12 m、0.15 m。

3 不同升溫幅度下的分析

基本工況下，僅對(duì)封閉層施加不同升溫荷載，計(jì)算結(jié)果如表1、圖1所示。

圖1 不同升溫幅度下封閉層縱向位移

表1 不同升溫幅度下封閉層縱向受力、變形

由表1可知，隨著升溫幅度增大，封閉層縱向受力和變形隨之增大，其最大縱向拉壓應(yīng)力分別達(dá)1.077 MPa、11.2 MPa，均小于其材料強(qiáng)度[2]設(shè)計(jì)值1.27 MPa、11.9 MPa，封閉層上表面最大位移小于伸縮縫寬度20 mm。

由圖1可知，隨著升溫幅度增大，封閉層下底面最大縱向變形隨之增大，升溫45 ℃時(shí)，封閉層下底面最大縱向位移小于0.62 mm，封閉層未脫粘，層間無(wú)離縫產(chǎn)生。封閉層寬厚分別為1.9 m、0.1 m，伸縮縫間距5 m可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 不同伸縮縫間距下的分析

基本工況下，升溫45 ℃，不同伸縮縫間距下，計(jì)算結(jié)果如表2、圖2所示。

表2 不同伸縮縫間距下封閉層縱向受力、變形

圖2 不同伸縮縫間距下封閉層縱向位移

由表2可知，隨著伸縮縫間距增大，封閉層最大縱向拉應(yīng)力總體變化不大，最大縱向壓應(yīng)力和位移隨之增大。當(dāng)封閉層長(zhǎng)度超過(guò)5.6 m時(shí)，封閉層最大縱向壓應(yīng)力超過(guò)其材料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa。

由圖2可知，當(dāng)伸縮縫間距超過(guò)5 m時(shí)，封閉層兩端下底面由于縱向位移超過(guò)0.62 mm將與級(jí)配碎石層發(fā)生脫粘，當(dāng)封閉層長(zhǎng)度達(dá)到6.5 m時(shí)，單塊封閉層一側(cè)脫粘長(zhǎng)度0.11 m，當(dāng)封閉層長(zhǎng)度達(dá)到8 m時(shí)，單塊封閉層一側(cè)脫粘長(zhǎng)度0.13 m；升溫45 ℃，伸縮縫間距不應(yīng)超過(guò)5 m。

5 不同封閉層厚度下的分析

基本工況下，升溫45 ℃，不同封閉層厚度下，計(jì)算結(jié)果如表3、圖3所示。

由表3可知，隨著封閉層厚度增大，封閉層最大縱向受力隨之減小，縱向變形隨之增大；封閉層厚度0.08 m時(shí)，最大壓應(yīng)力達(dá)11.83 MPa，接近其材料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa，封閉層厚度不宜小于0.08 m。

表3 不同封閉層厚度下封閉層縱向受力、變形

由圖3可知，當(dāng)封閉層厚度超過(guò)0.12 m時(shí)，縱向位移超過(guò)0.62 mm，分析原因主要是因?yàn)榉忾]層變厚時(shí)，垂向變形增大，考慮泊松比，縱向位移也會(huì)隨之增大。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若封閉層縱向位移檢算結(jié)果的富裕度較大時(shí)，可以考慮通過(guò)增大封閉層厚度，以改善其受力狀態(tài)。

圖3 不同封閉層厚度下封閉層縱向位移

6 結(jié)論與建議

(1)升溫45 ℃，伸縮縫間距為5 m，封閉層寬厚分別為1.9 m、0.1 m時(shí)，封閉層受力變形基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，伸縮縫間距設(shè)置基本合理。

(2)升溫45 ℃，為防止封閉層與級(jí)配碎石脫粘，封閉層長(zhǎng)度不宜超過(guò)5 m，當(dāng)封閉層設(shè)置長(zhǎng)度超過(guò)5 m時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際氣溫和施工時(shí)氣溫條件，另外進(jìn)行檢算。

(3)升溫45 ℃，伸縮縫間距為5 m，封閉層寬度1.9 m時(shí)，封閉層厚度不宜小于0.08 m；在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若封閉層下底面縱向位移檢算結(jié)果的富裕度較大時(shí)，可以考慮通過(guò)增大封閉層厚度，以改善其受力狀態(tài)。

(4)封閉層施工溫度決定其初始應(yīng)力狀態(tài)，施工人員應(yīng)控制施工溫度和時(shí)機(jī)，以減小溫度荷載的最大升幅；同時(shí)對(duì)級(jí)配碎石層進(jìn)行一定的處理，以防止級(jí)配碎石層對(duì)封閉層約束作用進(jìn)一步減弱。