CRTS I 型雙塊式無(wú)砟軌道裂縫產(chǎn)生的原因與防治技術(shù)

陳其強(qiáng)

作為鐵路軌道的重要結(jié)構(gòu)形式之一，雙塊式無(wú)砟軌道以其整體性良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和便于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于鐵道線路。大量工程實(shí)踐表明，雙塊式無(wú)砟軌道裂縫的存在對(duì)軌道穩(wěn)定性、線路平順性和混凝土耐久性造成了較大威脅，有必要對(duì)其成因和控制措施進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文從軌道開裂形態(tài)、軌道混凝土開裂機(jī)理和典型軌道防裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等方面，深入剖析雙塊式無(wú)砟軌道開裂機(jī)理和軌道防裂措施的研究發(fā)展現(xiàn)狀。為優(yōu)化雙塊式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)與施工工藝提供理論依據(jù)，進(jìn)而為高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更為優(yōu)良的基礎(chǔ)條件。

伴隨著國(guó)民生活水平逐步邁上新臺(tái)階，我國(guó)的高鐵建設(shè)技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，且不斷朝著綠色智能、安全高效的目標(biāo)邁進(jìn)。雙塊式無(wú)砟軌道以其整體性良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和便于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)高速鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)斷面圖

由于溫度梯度、列車荷載作用及新舊混凝土粘結(jié)不良等原因，雙塊式無(wú)砟軌道常處于帶裂縫工作狀態(tài)。且當(dāng)軌道表面裂縫寬度水平較高時(shí)，裂縫將由混凝土保護(hù)層表面不斷發(fā)展至板內(nèi)鋼筋周圍，并形成貫穿裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕和軌道結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性能的退化。

雙塊式無(wú)砟軌道的裂縫成因和控制措施一直是工程界十分關(guān)注的問(wèn)題。本文基于文獻(xiàn)調(diào)研，從軌道開裂形態(tài)及開裂機(jī)理和典型軌道防裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等方面，深入分析國(guó)內(nèi)外軌道抗裂研究相關(guān)理論與技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，為今后雙塊式無(wú)砟軌道抗裂性能研究提供理論參考。

一、裂縫的種類及特征

雙塊式無(wú)砟軌道開裂示意如圖2所示。主要有以下類型：

圖2 雙塊式無(wú)砟軌道典型開裂形態(tài)

1.道床板裂縫

（1）道床板上軌枕四周的角裂縫。道床板上軌枕塊四周的角裂縫是雙塊式無(wú)砟軌道的主要開裂形態(tài)。八字裂縫多出現(xiàn)于軌枕與道床板四角道床板一側(cè)，呈八字形。道床板與軌枕四角處主拉應(yīng)力值超越混凝土的抗拉強(qiáng)度后，道床板表面即開裂，并逐漸向外擴(kuò)展，產(chǎn)生“八字形”裂縫。另一方面，運(yùn)營(yíng)條件下，在列車荷載等局部應(yīng)力作用下，軌枕塊四周的道床板混凝土的微裂縫進(jìn)一步加速發(fā)展。

（2）道床板表面呈龜裂狀或樹枝狀的裂縫。由于澆筑初期混凝土布料不均勻、灑水壓光或養(yǎng)護(hù)條件不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致道床板表面缺水，內(nèi)外體積變形不均勻，產(chǎn)生呈龜裂狀或樹枝狀的裂縫。龜裂一般在澆筑后3d左右出現(xiàn)，此類開裂形態(tài)主要出現(xiàn)于道床板混凝土表面，裂縫寬度較小且分布規(guī)律較差。

（3）現(xiàn)澆道床混凝土與軌枕界面離縫。此類裂縫多于道床板混凝土澆筑后10d左右出現(xiàn)，主要分布于軌枕與道床板界面處且裂縫寬度較大。

2.支承層裂縫

（1）支承層橫向貫通裂縫。由于支承層澆筑完成后未及時(shí)設(shè)置伸縮縫假縫，支承層每隔5～15m會(huì)出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)即貫通整個(gè)支承層。這種橫向貫通裂縫出現(xiàn)在各種類型的無(wú)砟軌道的支承層，會(huì)降低無(wú)砟軌道的絕緣性能，使軌道的局部承載力減弱，危害較大。該型裂縫寬度較大且貫穿道床板，常分布于與鐵道線路垂直的方向。

（2）支承層假縫處的反射裂縫。反射裂縫一般出現(xiàn)在支承層假縫處所對(duì)應(yīng)的道床板表面，相對(duì)較寬且易貫通。

二、裂縫成因分析

結(jié)合雙塊式無(wú)砟軌道工程實(shí)例及相關(guān)研究結(jié)果分析，導(dǎo)致雙塊式無(wú)砟軌道開裂的原由主要有以下六部分：無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土溫度變形、混凝土早期收縮、混凝土配合比設(shè)計(jì)與制備技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、混凝土早期養(yǎng)護(hù)方法和鋼軌變形等原因。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因

在軌枕-道床體系中，軌枕表面與道床混凝土為新舊混凝土相互聯(lián)結(jié)，同時(shí)，聯(lián)結(jié)界面處并無(wú)相關(guān)附加增強(qiáng)措施，導(dǎo)致道床混凝土與軌枕之間變形并非完全協(xié)調(diào)。另一方面，道床板混凝土澆筑后，混凝土由于內(nèi)部水分散失易產(chǎn)生塑性收縮變形，收縮變形傳遞至軌枕-道床板聯(lián)結(jié)界面區(qū)，并進(jìn)一步導(dǎo)致軌枕四周新舊混凝土界面處出現(xiàn)環(huán)向離縫；同時(shí)，工程實(shí)際中，軌枕與道床板四角常近似設(shè)計(jì)為直角，軌枕塊的四角與道床板混凝土界面處會(huì)由于新混凝土的早期變形而呈現(xiàn)應(yīng)力集中特征，并出現(xiàn)八字形裂縫。

支承層產(chǎn)生貫通裂縫的主要原因是伸縮縫間距設(shè)置過(guò)大，不能很好地起到調(diào)節(jié)長(zhǎng)大混凝土板收縮變形的作用。此外，當(dāng)?shù)来不炷僚浣盥瘦^低時(shí)，也會(huì)間接擴(kuò)大裂縫寬度。

2.溫度收縮及混凝土收縮

（1）溫度收縮。溫度變化會(huì)使混凝土道床板發(fā)生伸長(zhǎng)、收縮、翹曲等變形。而雙塊式無(wú)砟軌道內(nèi)部配筋會(huì)約束混凝土的變形，并導(dǎo)致道床混凝土內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)，伴隨著內(nèi)應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，道床板混凝土出現(xiàn)裂縫并進(jìn)一步發(fā)展。道床板溫差來(lái)源一般有以下兩種：①混凝土內(nèi)水泥水化放熱而引起的內(nèi)外溫差；②溫度季節(jié)性變化、日照循環(huán)交替引起的道床板整體溫度升降差與不同位置處的溫度梯度。

（2）混凝土收縮。包括塑性收縮和干燥收縮：①塑性收縮：混凝土在澆筑后至凝結(jié)前處于塑性狀態(tài)時(shí)的收縮變形，主要是由于混凝土表面水分散失過(guò)快導(dǎo)致的；②干燥收縮：指混凝土凝結(jié)后內(nèi)外相對(duì)濕度差異所導(dǎo)致的收縮變形，內(nèi)部水分蒸發(fā)慢，變形較小，表面水分蒸發(fā)快，變形較大。

3.混凝土制備方法

粗、細(xì)骨料中有害雜質(zhì)含量較多、運(yùn)輸過(guò)程中新拌漿體加水、外加劑與膠凝材料不相容等原因，都會(huì)增大混凝土坍落度，易造成混凝土材料分布不均勻且變形差異的現(xiàn)象，并進(jìn)一步導(dǎo)致道床板混凝土的開裂。

4.施工工藝不當(dāng)原因

施工工藝對(duì)工程質(zhì)量的影響至關(guān)重要，導(dǎo)致雙塊式無(wú)砟軌道產(chǎn)生裂縫的不當(dāng)施工工藝包括但不限于以下幾個(gè)方面：（1）混凝土布料工藝不當(dāng)，骨料分布不均勻；（2）模板、鋼筋網(wǎng)對(duì)骨料塑性沉落的抑制作用，產(chǎn)生沿鋼筋走向的裂紋；（3）抹面時(shí)間掌握不準(zhǔn)；（4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降；（5）道床板與支承層施工間隔過(guò)短，支承層變形未停止，導(dǎo)致道床板變形開裂。

5.混凝土養(yǎng)護(hù)原因

對(duì)于雙塊式無(wú)砟軌道，養(yǎng)護(hù)不良是軌道開裂的最重要原因。混凝土初凝后，未及時(shí)覆蓋、覆蓋不嚴(yán)密或養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，導(dǎo)致水分散失過(guò)快，進(jìn)一步致使混凝土產(chǎn)生干縮裂縫。

6.鋼軌變形原因

當(dāng)溫度出現(xiàn)較大突變時(shí)，鋼軌與混凝土溫度變形不再協(xié)調(diào)。此時(shí)，為約束鋼軌伸長(zhǎng)，道床板混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力高于混凝土抗拉強(qiáng)度后，道床板混凝土出現(xiàn)脆性開裂現(xiàn)象。

三、防裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前，針對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道開裂模式、開裂機(jī)理和各因素對(duì)軌道抗裂性能影響規(guī)律的相關(guān)研究已取得大量豐碩成果。同時(shí)，如何有效提升其抗裂性能也成為其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞雙塊式無(wú)砟軌道防裂設(shè)計(jì)方案展開了系列研究，并提出多種不同優(yōu)化方案。其中，較為典型的有：優(yōu)選混凝土配合比、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置方案、改善施工工藝、適當(dāng)增大道床板鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)和適時(shí)拆除工裝等。

1.優(yōu)選混凝土配合比

既有研究表明，雙塊式無(wú)砟軌道的抗裂性能與其所用混凝土配比相關(guān)性較大。其中，選用低膠凝材料用量或摻入防裂材料的混凝土作為軌道板混凝土后，構(gòu)件開裂性能有明顯改善。另一方面，低坍落度混凝土作為道床混凝土后，結(jié)構(gòu)抗裂性能亦有所改善。故對(duì)于實(shí)際工程，宜基于施工場(chǎng)地氣候條件適當(dāng)選擇混凝土配合比，且應(yīng)遵循“低膠材用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”的“三低一高”原則。

2.優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置方案

有關(guān)道床板對(duì)無(wú)砟軌道抗裂性能影響分析表明：隨著雙塊式無(wú)砟軌道板尺寸的增加，由于混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力亦有所增大，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件的抗裂性能退化。其中，當(dāng)?shù)来舶彘L(zhǎng)度由3.9m增大至19.5m后，道床板表面最大裂縫寬度約由0.075mm增大至0.28mm，增長(zhǎng)了達(dá)2.73倍。因此，宜優(yōu)先選用單元式軌道板或在軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)收縮縫以減少由于混凝土收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.改善施工工藝

施工工藝對(duì)成型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及抗裂性能影響較大。因此，為有效改善雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的抗裂性能，需改善其施工工藝。具體措施有：嚴(yán)格控制工程所需材料的各項(xiàng)指標(biāo)；澆筑道床板混凝土前預(yù)先對(duì)軌枕表面進(jìn)行界面處理并灑水保濕以改善新舊混凝土間的界面粘結(jié)性能；澆筑混凝土?xí)r應(yīng)加強(qiáng)振搗以保證結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)度；混凝土澆筑完成后，對(duì)軌道板表面應(yīng)進(jìn)行多次抹面收光；避免陰雨天、大風(fēng)天等惡劣氣候環(huán)境下施工。

4.適當(dāng)增大道床板鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋

有關(guān)配筋率及鋼筋直徑對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道抗裂性能影響分析表明：伴隨著配筋率的增大，軌道開裂風(fēng)險(xiǎn)降低，其中，當(dāng)?shù)来舶邃摻钆浣盥始s由0.7%升至0.8%后，道床板表面平均裂縫寬度由1.17mm降至0.91mm。此外，當(dāng)鋼筋直徑更小時(shí)軌道抗裂性能更優(yōu)。其中，當(dāng)鋼筋配筋率均為0.8%時(shí)，鋼筋直徑由20mm增大至25mm后，道床板表面平均裂縫間距約由110.53mm增至135.79mm。綜上，軌道板內(nèi)配筋率及配筋直徑對(duì)軌道開裂性能影響較大，宜合理設(shè)置配筋率，同時(shí)優(yōu)選直徑較小的鋼筋作為配筋。

5.加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)

為避免澆筑后混凝土表面濕度的降低，延緩無(wú)砟軌道混凝土內(nèi)部濕度擴(kuò)散，道床板混凝土澆筑完成后應(yīng)及時(shí)覆蓋塑料薄膜、稻草板或土工布并加強(qiáng)灑水養(yǎng)護(hù)。

6.適時(shí)拆除工裝

對(duì)于雙塊式無(wú)砟軌道，應(yīng)確定恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)軌道應(yīng)力進(jìn)行釋放，以避免由于鋼軌的熱脹冷縮引起的軌道板裂縫。

四、結(jié)語(yǔ)

總體而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已圍繞雙塊式無(wú)砟軌道的抗裂性能展開了大量研究。然而，軌道線路所處的環(huán)境條件也不斷趨于復(fù)雜，仍需進(jìn)一步提升無(wú)砟軌道抗裂性能研究的基礎(chǔ)理論與技術(shù)水平，從而為高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更為優(yōu)良的基礎(chǔ)條件?；谖墨I(xiàn)調(diào)研與分析，本文主要得出以下結(jié)論與建議：

1.雙塊式無(wú)砟軌道開裂模式主要有軌枕四周角裂縫、道床板表面龜裂、支承層橫向貫通裂縫、支承層反射裂縫和界面離縫等。引發(fā)軌道板開裂的原因主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度變形及混凝土收縮、混凝土品質(zhì)及混凝土制備技術(shù)、施工與養(yǎng)護(hù)工藝不當(dāng)和鋼軌變形等。

2.雙塊式無(wú)砟軌道主要防裂方案有優(yōu)選混凝土配合比、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、改善施工工藝、適當(dāng)增大鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)和適時(shí)拆除工裝等。

3.雙塊式無(wú)砟軌道復(fù)雜環(huán)境下的抗裂性能研究仍不夠充分，有關(guān)嚴(yán)寒、海洋環(huán)境下無(wú)砟軌道抗裂性能研究少有報(bào)道。因此，仍需對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的軌道抗裂性能展開深入研究。