CRTSⅡ型板砂漿層的常見(jiàn)劣化現(xiàn)象及其對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

汪 力，王 平，吳仁義

(西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［1］CA砂漿調(diào)整層是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組成部分，起到支撐和調(diào)整、承力和傳力以及隔振和減震等作用［2］。然而，由于施工質(zhì)量的不易控制以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的多種荷載效應(yīng)等原因，許多地段的CA砂漿調(diào)整層均遭遇到不同程度的劣化甚至破損。在考察石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)及部分遂渝線(xiàn)沿線(xiàn)砂漿層劣化情況的基礎(chǔ)上，以有限元分析軟件為工具，來(lái)分析預(yù)測(cè)CA砂漿調(diào)整層的劣化傷損對(duì)軌道板的影響，并提出了合理的建議。

1 CA砂漿調(diào)整層的3種常見(jiàn)劣化現(xiàn)象

前期的不良施工質(zhì)量加上后期的列車(chē)荷載，CA砂漿層的壽命將大幅下降，過(guò)早出現(xiàn)各種劣化現(xiàn)象，其中常見(jiàn)的劣化現(xiàn)象主要有以下3種。

1.1 砂漿層邊緣碎裂，甚至嚴(yán)重開(kāi)裂與脫落

如圖1所示，CRTSⅡ型板的砂漿層與CRTSⅠ型板不同，它不是裝入砂漿袋中，而是直接暴露在空氣中。在各種因素的耦合作用下，線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)久了以后，便出現(xiàn)了邊緣碎裂脫落的劣化現(xiàn)象。目前認(rèn)為產(chǎn)生這種劣化現(xiàn)象的原因是，砂漿凝固后其與底座板的黏結(jié)力大于與軌道板的黏結(jié)力，而且軌道板在荷載作用下易發(fā)生翹曲等變形，使得砂漿層與軌道板在邊緣處易產(chǎn)生初期的脫粘［3］。砂漿層在與軌道板初期脫粘以后，在雨水的侵入以及列車(chē)荷載等等因素的耦合作用下，砂漿層從邊緣往里繼續(xù)劣化，便出現(xiàn)如圖1所示的邊緣碎裂，甚至嚴(yán)重開(kāi)裂與脫落現(xiàn)象。本文后續(xù)將采用有限單元法，并用計(jì)算機(jī)仿真模擬這種劣化現(xiàn)象，并揭示其危害性。

圖1 砂漿層邊緣碎裂脫落

1.2 砂漿層局部甚至大面積碎裂，導(dǎo)致軌道板支撐不均

砂漿在灌注時(shí)，如果底座板沒(méi)有潤(rùn)濕或者潤(rùn)濕不充分，都會(huì)產(chǎn)生如圖2所示的貫穿孔，這樣的貫穿孔雖然不大，但是它將是砂漿層局部甚至大面積碎裂的原因和開(kāi)始。另外，砂漿在灌注時(shí)，如果灌注速度太快，導(dǎo)致排氣不及時(shí)，將在砂漿表層產(chǎn)生較大的氣泡，這樣的氣泡在砂漿凝固后將是砂漿層與軌道板間的巨大空洞。

圖2 砂漿灌注孔和砂漿凝固后其上表面大氣泡狀空洞

1.3 整個(gè)砂漿層與軌道板界面脫離，界面黏結(jié)力幾乎完全喪失，形成軌道板脫空

如圖3所示，砂漿層外表看去并沒(méi)有明顯的劣化現(xiàn)象，但是實(shí)際上砂漿層已經(jīng)與軌道板在兩者的界面處出現(xiàn)了離縫，即兩者脫粘開(kāi)來(lái)，界面黏結(jié)力幾乎完全喪失，形成軌道板脫空。目前認(rèn)為這種劣化現(xiàn)象是因?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)存在溫度梯度和升降溫循環(huán)作用以及路基不均勻沉降等原因［4］引起。即使砂漿層強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且整體性保持較好，但是如果出現(xiàn)路基不均勻沉降以及溫度力使得軌道板產(chǎn)生翹曲等變形，砂漿層與軌道板也可能出現(xiàn)脫粘，形成軌道板脫空。

圖3 軌道板與砂漿層間界面脫離形成軌道板脫空

2 CA砂漿層劣化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

2.1 計(jì)算模型及工況說(shuō)明

本文主要分析上述劣化現(xiàn)象中的CA砂漿層邊緣碎裂脫落及CA砂漿層沿線(xiàn)路縱向長(zhǎng)距離脫空兩種劣化現(xiàn)象分別對(duì)軌道板的受力和變形情況以及對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的影響。

其中軌道板的受力和變形情況分析時(shí)采用的“梁－板－板”模型，因?yàn)檐壍腊搴偷鬃逶诔叽缟细咏诎澹蕛烧呔捎冒鍤卧６谲壍澜Y(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析時(shí)，則采用的是3D有限元實(shí)體模型，鋼軌、軌道板、底座板均采用實(shí)體單元［5］。在縱向長(zhǎng)度方面，為了盡可能消除邊緣效應(yīng)，梁板模型采用的是3塊板長(zhǎng)，而模態(tài)分析的實(shí)體模型長(zhǎng)度則采用了8塊板長(zhǎng)，并且線(xiàn)路兩端路基上，鋼軌各延伸50 m長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算［6］。

圖4 分析軌道板受力和變形時(shí)的“梁－板－板”模型和分析模態(tài)時(shí)的實(shí)體模型

由于需要充分考慮砂漿層劣化的危害，故計(jì)算時(shí)采取了較不利的荷載工況。分析砂漿層邊緣碎裂脫落的危害時(shí)，采用的是ZK活載靜載，而軌道板模態(tài)分析時(shí)，認(rèn)為軌道板脫空距離是軌道板連續(xù)脫空，即軌道板與砂漿層在脫空距離內(nèi)沒(méi)有任何接觸，兩者的離縫是連續(xù)的。其他相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2.2 砂漿層邊緣碎裂脫落對(duì)軌道板的靜態(tài)影響分析

砂漿層初期裂紋的進(jìn)一步發(fā)展將出現(xiàn)砂漿層邊緣碎裂，并逐漸脫落。砂漿層脫落后，將使內(nèi)部砂漿層逐步暴露，砂漿層與軌道板的粘黏面積開(kāi)始減小。砂漿層對(duì)軌道板的約束作用將隨著砂漿層劣化面積的增大而逐步減弱。

圖5是模擬砂漿層邊緣從0 cm劣化到20 cm過(guò)程中，軌道板所承受的橫向彎矩的變化情況。

從圖5可以看出，隨著砂漿層邊緣劣化程度的加劇，軌道板所承受的橫向彎矩越來(lái)越不利。盡管最大彎矩值并沒(méi)有太大變化，但是可以清晰地看到，軌道板邊緣所受的彎矩值在逐步增大，且不利彎矩范圍在逐步擴(kuò)大。

圖5 砂漿層邊緣劣化后軌道板的橫向彎矩云圖

圖6是砂漿層邊緣劣化后的最大主應(yīng)力值，通過(guò)研究最大主應(yīng)力值可以判斷材料的使用狀態(tài)。

從圖6可以看出，劣化后的砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了近1 MPa。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，CRTSⅡ型板CA砂漿在常溫下的抗壓強(qiáng)度為10～20 MPa［7］。實(shí)際工程中的不良施工往往造成CA砂漿強(qiáng)度的下降，甚至不到10 MPa［8］。可想而知，一旦砂漿層邊緣開(kāi)始劣化，那么砂漿層的劣化將更加容易，劣化速度不斷加快，進(jìn)而導(dǎo)致軌道板的受力不均，出現(xiàn)開(kāi)裂，甚至導(dǎo)致整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的損壞。

圖6 各種劣化程度下砂漿層劣化后邊緣的最大主應(yīng)力

圖7顯示的是各種劣化程度下軌道板兩側(cè)邊緣豎向位移，從圖7可以看出，總體上軌道板邊緣并沒(méi)有太大位移，不過(guò)隨著砂漿層邊緣劣化程度的加劇，軌道板邊緣的豎向位移還是在不斷擴(kuò)大，這對(duì)軌道不平順狀態(tài)會(huì)有不利影響。

圖7 軌道板兩側(cè)邊緣豎向位移

綜上，砂漿層邊緣劣化對(duì)軌道板的靜態(tài)影響不容樂(lè)觀(guān)。邊緣劣化碎裂脫落后，軌道板的彎矩分布越來(lái)越不利，進(jìn)而導(dǎo)致砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力值增大，這樣一來(lái)，砂漿層邊緣會(huì)更加容易劣化，大大加快砂漿層劣化的速度。此外，砂漿層邊緣劣化還會(huì)對(duì)軌道板的豎向位移造成一定影響，進(jìn)而影響到軌道的平順性和行車(chē)的安全性。所以應(yīng)該及時(shí)對(duì)劣化的砂漿層邊緣進(jìn)行修補(bǔ)。

2.3 砂漿層與軌道板界面脫離，形成軌道板脫空

砂漿層與軌道板界面脫離形成軌道板脫空后，砂漿層對(duì)軌道板的黏聚力將不復(fù)存在，軌道板將在縱向、橫向以及豎向上均失去重要約束。這對(duì)軌道板的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)是十分不利的，在正溫度梯度下，軌道板中部會(huì)上拱，而在負(fù)溫度梯度下，軌道板會(huì)發(fā)生翹曲變形［9］，本文則主要關(guān)心軌道板的振動(dòng)模態(tài)會(huì)有什么樣的變化。

有關(guān)研究表明，結(jié)構(gòu)的基頻對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響相對(duì)高頻較大，一般而言取其前20階模態(tài)作為分析目標(biāo)較為普遍［10］。本文針對(duì)性地提取軌道結(jié)構(gòu)的前25階自振頻率進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)體模型計(jì)算出的軌道結(jié)構(gòu)在不同脫空程度下的自振頻率如圖8所示。

圖8 各種脫空長(zhǎng)度下的軌道結(jié)構(gòu)自振頻率

從圖8可以看出，砂漿層與軌道板的脫空對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率影響很明顯。隨著脫空長(zhǎng)度的增加，軌道結(jié)構(gòu)每一階的自振頻率都在逐漸下降，尤其是當(dāng)脫空長(zhǎng)度大于12 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的低階頻率突然下降很多。這是很不利的，因?yàn)闃蛄旱冉Y(jié)構(gòu)的自振頻率一般較軌道結(jié)構(gòu)低，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)頻率下降時(shí)，就增大了與橋梁等結(jié)構(gòu)的共振可能［11］。

值得一提的是，當(dāng)脫空長(zhǎng)度大于12 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的低階頻率尤其是前兩階頻率下降很多，已經(jīng)有些失真。出現(xiàn)這種情況，一方面跟計(jì)算軟件的算法有一定關(guān)系，另一方面主要是因?yàn)楫?dāng)軌道板與砂漿層界面脫空達(dá)到一定程度后，軌道板與砂漿層各自均失去了較大的重要約束，軌道結(jié)構(gòu)的整體剛度已經(jīng)大幅下降，出現(xiàn)了質(zhì)的變化。而軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率與其剛度有很大關(guān)系，于是其自振頻率發(fā)生了較大變化。

圖9和圖10是未脫空和脫空20 m兩種情況下軌道板的典型振動(dòng)形態(tài)。因篇幅所限，本文只列舉出這未脫空和脫空20 m這兩種情況下軌道板的6階和7階的振動(dòng)形態(tài)。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂漿層與軌道板間界面發(fā)生脫離后，軌道板的低階振動(dòng)形態(tài)已經(jīng)由正常情況變?yōu)榛局皇Ｆ絼?dòng)了，這是因?yàn)槊摽蘸螅皾{層對(duì)軌道板的黏結(jié)力幾乎喪失，軌道板的約束已經(jīng)大大減弱。

圖9 未脫空時(shí)軌道板的典型振動(dòng)形態(tài)

圖10 脫空長(zhǎng)度20 m時(shí)軌道板的典型振動(dòng)形態(tài)

3 結(jié)論和建議

(1)總體上看，CA砂漿調(diào)整層的劣化對(duì)軌道板乃至整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的危害不可小視，應(yīng)嚴(yán)格控制CA砂漿調(diào)整層的施工質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中CA砂漿層狀態(tài)的監(jiān)視，并采取有效措施及時(shí)對(duì)劣化的CA砂漿層進(jìn)行修補(bǔ)。

(2)CA砂漿層邊緣劣化越深，軌道板邊緣所受的橫向彎矩越大，不利彎矩的范圍越來(lái)越大，彎矩分布越來(lái)越不利，軌道板邊緣的豎向位移也有所增大。而且劣化越深，砂漿層邊緣的最大主應(yīng)力值越大，使得砂漿層劣化速度將加快。建議對(duì)邊緣劣化較淺的地段采用水泥砂漿等進(jìn)行涂抹，起到一定的保護(hù)作用，防止進(jìn)一步劣化。而對(duì)于劣化較深的地段則要采取其他諸如樹(shù)脂類(lèi)的材料進(jìn)行填補(bǔ)與修復(fù)，不僅要防止進(jìn)一步劣化，而且還要起到一定的承載作用。

(3)隨著CA砂漿層與軌道板界面脫空長(zhǎng)度的增大，軌道結(jié)構(gòu)的自振頻率將逐步降低，尤其是低階頻率在脫空長(zhǎng)度大于12 m后會(huì)突然下降，與橋梁等結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能大大增加。而且，脫空后，軌道板縱向和橫向以及豎向均已失去重要約束，其振動(dòng)形態(tài)已經(jīng)完全不正常了。建議向砂漿層與軌道板脫空界面縫中注射諸如樹(shù)脂類(lèi)的材料，使砂漿層與軌道板間恢復(fù)一定的黏結(jié)力，有效減小脫空長(zhǎng)度，增加安全性。

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