CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土裂縫原因分析與防治措施

章健華，吳維洲

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司，四川成都 610072)

CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土是軌道結構的基礎部分，在軌道板及CA水泥乳化瀝青砂漿與基礎結構之間起到傳力作用。路基地段CRTSⅠ型無砟軌道底座一般設計為鋼筋混凝土結構，其一旦形成裂縫，特別是形成貫通裂縫后會降低混凝土結構的耐久性，削弱軌道結構的承載能力，甚至可能會危害到無砟軌道的使用安全。本文結合成綿樂客運專線施工實例，分析引起路基段CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土開裂的原因，并提出預防措施。

1 工程概況

1.1 路基段底座混凝土設計要求

為貫徹“樣板引路、試驗先行、總結經驗、全線推廣”的理念，成綿樂鐵路客運專線CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土全線施工前，選取了D3K61+447.714—D3K61+738.614及 D3K61+849.386—D3K62+251.614兩段路基地段作為無砟軌道底座混凝土試驗段。其中包含直線和曲線地段，最小曲線半徑5 km。

底座采用C40鋼筋混凝土結構，如圖1所示。路基底座混凝土寬3 m，高300 mm，曲線超高通過底座混凝土超高實現，左線最大超高125 mm，右線最大超高105 mm。每隔3～4塊標準板長度為一個底座單元，設置橫向伸縮縫。伸縮縫對應凸臺中心位置，在凸臺處按行車前進方向繞過凸臺，伸縮縫寬20 mm，采用彈性板填縫，30 mm深范圍內采用聚氨脂密封。

圖1 曲線段路基地段底座混凝土結構示意(單位:mm)

底座混凝土采用CRB550級冷軋帶肋鋼筋焊接網，鋼筋焊接網片分片搭接，網片長度一般為2 m左右，網片之間采用平搭法，搭接長度一般為450 mm，且上下兩層網片錯開搭接。

路基基床表層級配碎石摻5%水泥。設計指標要求:地基系數 K30≥190 MPa/m，動態變形模量 Evd≥55 MPa，壓實度 K≥0.97。

1.2 底座混凝土施工方法

1)根據路基段實測長度與設計單位提供的布板設計對比確定底座混凝土單元長度。

2)利用CPⅢ控制網自由設站，在路基基床表面標識模板及凸形擋臺中心控制點，標出側模及端模定位線。

3)在工廠制作底座鋼筋網片及其余鋼筋，運至現場安裝。鋼筋綁扎完畢后，嚴禁踩踏。鋼筋間距偏差＜±20 mm，保護層厚度5～10 mm。

4)根據彈出的邊線安裝側模及端模。根據水準測量調整頂面高程。

5)混凝土集中攪拌運至現場振搗密實，及時收漿。在混凝土初凝前進行二次收面，防止龜裂?；炷翝仓瓿沙跄蟛捎猛凉げ几采w灑水養護14 d。

6)底座混凝土伸縮縫填充:清理伸縮縫，伸縮縫寬度為20 mm，采用彈性板填充，30 mm深范圍采用聚氨酯密封。

2 路基底座混凝土開裂現狀

路基底座混凝土試驗段2011年5月開始施工，混凝土澆注完成一段時間后，發現底座混凝土陸續出現裂縫，如表1、表2所示。

表1 試驗段底座混凝土開裂單元與裂縫數量

表2 混凝土澆筑完成后至裂縫出現的時間

截止2011年10月底，試驗段左右線共施工78塊底座混凝土單元，其中出現裂縫的有54塊底座單元，共計116條裂縫，其中貫通底座裂縫72條，占裂縫總數的62%，典型貫通裂縫如圖2所示。裂縫寬度普遍超過0.2 mm，最大裂縫寬度0.5 mm;最多的一個底座單元貫穿裂縫數量達到4條;另有24個底座單元沒有出現裂縫，但底座單元間伸縮縫位置處級配碎石層出現被拉裂的現象。

圖2 典型混凝土貫通裂縫

裂縫分布具有如下特征:

1)裂縫出現的方向基本與線路方向垂直，位于底座單元長度方向約1/2，1/3(2/3)，1/4(3/4)處;其中1/2處66條，1/3(2/3)處36條，1/4(3/4)處14條。

2)裂縫最初出現在混凝土頂面，然后向混凝土底面逐步發展直至貫通。在曲線超高地段裂縫首先出現在混凝土超高一側，然后向線路內側方向逐步發展直至貫通。

3)裂縫均在混凝土澆注完成一段時間后出現，最早在混凝土澆注完成后14 d，最晚在混凝土澆注完成后94 d。氣溫較高時段(8月份)出現的裂縫較多。

3 路基底座混凝土裂縫產生原因分析

混凝土裂縫對混凝土結構而言是質量通病，產生裂縫的原因可能是多方面的，以下采用排除法對可能產生路基底座混凝土裂縫的主要原因進行分析，并提出相應的防治措施。

3.1 地基沉降變形

地基沉降變形會引起混凝土結構受力破壞，出現開裂現象，特別是局部不均勻沉降或整體沉降較大造成底座混凝土受力不均勻，易產生裂縫。

試驗段路基共埋設了13個測點，均按照《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》要求進行沉降觀測，2011年2月底通過了第三方的沉降評估。在通過評估后，繼續對各測點進行了沉降觀測，以檢驗評估結果。所有測點自通過評估至裂縫統計時間內共進行了66期沉降觀測，累計沉降量在0～±1 mm，沉降觀測數據顯示試驗段路基沉降穩定，未發現有差異沉降。

若由于路基不均勻沉降引起底座混凝土裂縫，則應在裂縫相對應的級配碎石層也應產生裂縫，但現場未發現此現象。若由于路基不均勻沉降原因引起混凝土開裂，其產生的裂縫不會呈現垂直線路方向的規律性。由此推斷地基不均勻沉降不是導致路基底座混凝土產生裂縫的主要原因。

3.2 外荷載作用

外荷載作用產生的裂縫一般出現在構件受力后的應力較大或構件承載力相對薄弱的部位。施工期間只有施工荷載，如底座混凝土的強度尚沒有達到圖紙規定設計強度的75%(即30 MPa)，有重型車輛行走，會引起混凝土產生裂縫。

在試驗段施工過程中，底座混凝土是在達到設計強度要求后才作為施工運輸通道的。若由于外荷載作用，混凝土首先出現拉應力的部位應在混凝土結構的底面，裂縫的產生應自下往上、從線路內側向線路超高外側發展，而現場觀測及調查情況卻與之相反，裂縫從混凝土表面往底面、從線路超高側向線路內側發展，兩者不相符。由此推斷施工外荷載作用不是導致路基底座混凝土產生裂縫的主要原因。

3.3 混凝土養生

在混凝土初凝直到強度上升過程中的養生期間，由于養生不足，混凝土表面水分蒸發，引起表面收縮，混凝土體內、外部產生約束，表面產生拉應力，造成表面開裂。

養生不足會導致混凝土表面開裂，并在混凝土養生期間急劇增加。主要表現為不規則的裂縫，成龜裂狀，縱橫交錯，分布范圍廣，但其大部分在混凝土表面，很少貫通。試驗段底座混凝土初凝后采用土工布灑水養護，施工單位建立了較完善的混凝土養護管理制度，特別是出現混凝土裂縫后，相關單位加強了管理仍沒有減少裂縫的產生。路基底座混凝土裂縫多為貫穿裂縫，且產生于混凝土澆筑14 d以后，與養生不足導致的混凝土表層開裂情況不同。由此推斷養生不足不是路基底座混凝土產生貫通裂縫的主要原因，但加強養生對減少混凝土表層裂縫是有利的。

3.4 溫度因素

1)混凝土水化熱過大

混凝土澆筑初期，水泥水化過程中產生大量的水化熱，產生的熱量積聚在混凝土內部，使混凝土內部與混凝土表面形成溫度差異，當產生的拉應力超過混凝土凝固初期抗拉強度時，就會產生混凝土裂縫。

混凝土水化熱引起裂縫多為不規則裂縫，且出現裂縫的時間較早，多在3 d以內。底座混凝土的裂縫最早出現時間是混凝土澆筑完14 d。由此推斷水化熱過大不是底座混凝土產生裂縫的主要原因。

2)結構溫度梯度

底座混凝土結構是板狀結構，在太陽照射下，底座混凝土上表面溫度高，下表面溫度低，由于混凝土的熱傳導性能差使底座混凝土在高度方向上存在溫度遞度。溫度遞度可能導致底座混凝土發生翹曲和表面出現橫向裂縫。

2011年7月份施工單位連續對代表性底座混凝土結構上下表面溫度進行了監測，選取一周記錄(相對溫差較大)數據如表3所示。

表3 2011年7月11—17日混凝土溫度記錄 ℃

由于底座混凝土裂縫產生的規律為混凝土上表面首先出現裂縫，即頂面首先出現拉應力，說明存在“下熱上冷”的溫度梯度。為進一步分析溫度梯度是否是造成混凝土開裂的原因，設計單位根據測量結果及相關規范進行了檢算分析。參照溫暖地區最大負溫度梯度40～43℃/m，考慮板厚修正系數后最大負溫度梯度為33.97℃/m，計算的裂縫寬度為0.198 mm。由此推斷溫度梯度是引起底座混凝土開裂的原因之一。

3)底座混凝土與路基基床表層結構整體溫度升降差

混凝土結構在隨季節性變化和日照的循環變化下，結構整體發生均勻的溫度升降變化，從而使混凝土結構發生伸縮。這種伸縮在沒有縱向約束或約束很小時，產生的溫度力可以不考慮。

但由于底座混凝土結構基礎采用摻5%水泥級配碎石層，基層表面較粗糙，且澆筑底座后，基層與底座底部連接，對底座的伸縮具有較強的約束作用，在溫度變化時，縱向變形不協調，底座混凝土結構底部約束過大，可能導致混凝土產生貫通裂縫。

試驗段路基底座混凝土夏季施工，裂縫產生時間主要在6—8月份，且8月份比例最高。無砟軌道混凝土結構在一個日照的循環下，結構的整體溫差在炎熱的夏季可以達到35℃～50℃。在隨季節性變化的年溫度周期性變化中，混凝土溫度最高與最低時的溫度差可達50℃～70℃。在底座混凝土沒有出現裂縫的地段，級配碎石層出現了開裂。由此推斷底座混凝土與基床表層級配碎石層不同結構整體溫度升降差造成兩種結構變形不協調，級配碎石層對底座混凝土約束力較強是引起混凝土裂縫的主要原因。

4)混凝土配合比設計

混凝土配合比設計不合理，如水膠比過大、膠凝材料用量過高等均會加劇混凝土開裂幾率。

試驗段路基底座混凝土配合比見表4，強度等級為C40，其中水泥用量稍偏高。因而，路基底座混凝土配合比設計不盡合理是路基底座混凝土產生裂縫的原因之一。

表4 路基底座混凝土配合比 kg/m3

4 裂縫防治措施

針對上述底座混凝土產生裂縫的原因，采取了以下措施:

1)優化了混凝土配合比，盡量降低底座混凝土水泥用量，增加粉煤灰摻量以降低混凝土自身收縮變形，優化調整后的混凝土配合比見表5。

表5 路基底座混凝土優化后配合比 kg/m3

2)在滿足設計單位提出的K30≥190 MPa/m，Evd≥55 MPa，K≥0.97的前提下，減少基床表層級配碎石水泥摻量。

為合理選取級配碎石水泥摻量，建設單位組織3家施工單位，在監理單位的旁站下，對不同來源的級配碎石摻 1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%水泥用量，按現場施工工藝進行鋪設，分別測試K30，Evd及壓實系數指標。3家施工單位測試結果基本相近:當水泥摻量2.0%及以下時部分測試指標達不到要求;當水泥摻量2.5%時，各測試指標基本滿足設計要求，但部分指標與設計要求的指標值非常接近，考慮實際施工中材料的差異性，建議不予采用水泥摻量2.5%的方案;當水泥摻量3.0%及以上時，3家施工單位現場測試值均滿足設計要求，測試值與設計要求的指標有一定的富裕度。為減少基床表層級配碎石層對底座混凝土在溫度變化條件下的約束，滿足設計指標要求的情況下，盡量降低水泥用量，建設單位組織相關單位對全線基床表層級配碎石水泥摻量由5.0%調整為3.0%進行了變更處理。

3)合理安排施工組織，盡量避開夏季太陽輻射較高時段進行混凝土施工，底座混凝土達到強度后盡早進行軌道板鋪設等后續工序施工，以減少底座混凝土溫度梯度。

4)加強混凝土養護，全線大面積施工時，督促施工單位落實專人養護管理制度，混凝土終凝后采用土工布灑水養護。

5 結語

通過對成綿樂鐵路客運專線路基段CRTSⅠ型無砟軌道試驗段底座混凝土開裂情況的分析，確定了底座混凝土開裂的主要原因是混凝土結構溫度梯度變形較大及基床表層水泥級配碎石約束力較強導致兩結構層間變形不協調所致，并據此提出了底座混凝土防裂技術措施。

［1］中鐵五局成綿樂鐵路工程指揮部.底座裂紋成因分析及處理方案匯報材料［R］.成都:中鐵五局成綿樂鐵路工程指揮部，2011.

［2］中鐵二院集團有限公司.CRTSⅠ型板式無砟軌道受力分析及裂紋分析［R］.成都:中鐵二院集團有限公司，2011.

［3］陳伯靖，秦超紅，周建，等.大單元雙塊式無砟軌道溫度特性分析［J］.鐵道建筑，2013(2):88-91.

［4］李立娜.客運專線CRTSⅠ型板式無砟軌道施工工藝研究［J］.鐵道建筑，2012(8):110-112.