高溫荷載下高速鐵路無砟軌道線間封閉層檢算與分析

阮慶伍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 無砟軌道線間封閉層研究

我國高速鐵路無砟軌道正線一般為雙線結構，無砟軌道線間需要用C25素混凝土進行填充封閉并做防水處理。近年來，在高溫季節無砟軌道線路特別是路基地段線間及路肩封閉層發生多次拱起，分析原因主要是封閉層伸縮縫間距過大或存在假伸縮縫，在夏季高溫季節發生失穩所致。

調研表明，對無砟軌道高溫病害研究較多，但尚未發現對無砟軌道線間封閉層相關研究的報道，為了從源頭上控制封閉層發生病害，防止其對行車安全造成影響，需對封閉層厚度、伸縮縫間距設置等進行深入研究分析，以期為設計、施工和運營維護提供參考。

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

2 有限元模型和計算工況

基于無砟軌道通用圖：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。為簡化計算，截取橫截面為0.3 m×0.3 m的連續底座作為分析邊界，其與封閉層界面處僅存在摩擦作用，摩擦系數取0.3。基本工況取3塊封閉層分析，模型總長度14.98 m，封閉層長寬厚分別為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，底座截斷處采用固定約束。計算工況包括升溫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，僅對封閉層施加不同升溫荷載，計算結果如表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，其最大縱向拉壓應力分別達1.077 MPa、11.2 MPa，均小于其材料強度[2]設計值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，封閉層下底面最大縱向位移小于0.62 mm，封閉層未脫粘，層間無離縫產生。封閉層寬厚分別為1.9 m、0.1 m，伸縮縫間距5 m可以滿足設計要求。

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，計算結果如表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力總體變化不大，最大縱向壓應力和位移隨之增大。當封閉層長度超過5.6 m時，封閉層最大縱向壓應力超過其材料抗壓強度設計值11.9 MPa。

由圖2可知，當伸縮縫間距超過5 m時，封閉層兩端下底面由于縱向位移超過0.62 mm將與級配碎石層發生脫粘，當封閉層長度達到6.5 m時，單塊封閉層一側脫粘長度0.11 m，當封閉層長度達到8 m時，單塊封閉層一側脫粘長度0.13 m；升溫45 ℃，伸縮縫間距不應超過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，計算結果如表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，最大壓應力達11.83 MPa，接近其材料抗壓強度設計值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，當封閉層厚度超過0.12 m時，縱向位移超過0.62 mm，分析原因主要是因為封閉層變厚時，垂向變形增大，考慮泊松比，縱向位移也會隨之增大。在實際工程設計中，若封閉層縱向位移檢算結果的富裕度較大時，可以考慮通過增大封閉層厚度，以改善其受力狀態。

圖3 不同封閉層厚度下封閉層縱向位移

6 結論與建議

(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，封閉層受力變形基本滿足設計要求，伸縮縫間距設置基本合理。

(2)升溫45 ℃，為防止封閉層與級配碎石脫粘，封閉層長度不宜超過5 m，當封閉層設置長度超過5 m時，應結合當地實際氣溫和施工時氣溫條件，另外進行檢算。

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

(4)封閉層施工溫度決定其初始應力狀態，施工人員應控制施工溫度和時機，以減小溫度荷載的最大升幅；同時對級配碎石層進行一定的處理，以防止級配碎石層對封閉層約束作用進一步減弱。