路基凍脹對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道受力和變形的影響研究

徐新玉,崔建榮

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州建設(shè)交通分院,江蘇蘇州 215104； 2.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院,江蘇蘇州 215131)

引言

無(wú)砟軌道以其少維修、高舒適度和強(qiáng)耐久性等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)高速鐵路中應(yīng)用廣泛[1-6]，我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)的高速鐵路里程已達(dá)5 500 km[7]，然而嚴(yán)寒地區(qū)的路基凍脹問(wèn)題不可避免[8-9]，一旦發(fā)生路基凍脹必然影響無(wú)砟軌道的受力和耐久性。作為自主研發(fā)的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道已在我國(guó)盤營(yíng)等嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用，另外我國(guó)正承擔(dān)設(shè)計(jì)的莫斯科至喀山高速鐵路擬采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。因此，研究路基凍脹對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力的影響具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了路基凍脹對(duì)無(wú)砟軌道的影響研究[10-19]，Ma Fuxun等利用GPS分析了溫度變化下路基凍脹的變化規(guī)律[10]；趙國(guó)堂研究了嚴(yán)寒地區(qū)的路基凍脹特征，建立了路基凍脹變形與CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道不平順的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了路基凍脹對(duì)無(wú)砟軌道受力的影響，提出了嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道路基凍脹管理標(biāo)準(zhǔn)的確定方法[11-12]；王功博等基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了路基凍脹的變形特征及過(guò)程[13]；蔡小培等通過(guò)建立CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道-路基空間耦合有限元模型，分析了不同路基凍脹條件下軌道結(jié)構(gòu)的變形和層間離縫特征[14]；李娟[15]、郭毅[16]和趙文博[17]分別研究了高速鐵路路基凍脹對(duì)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)的影響，并提出了軌道結(jié)構(gòu)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的路基凍脹限值；向俊等研究了路基凍脹-融化-沉降循環(huán)作用對(duì)板式無(wú)砟軌道變形和受力的影響[18]；楊國(guó)濤等基于動(dòng)力分析，確定了CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道路基凍脹的控制標(biāo)準(zhǔn)[19]。現(xiàn)有研究成果主要針對(duì)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道開(kāi)展研究，但是關(guān)于路基凍脹對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道受力和變形的影響缺乏研究。

本文基于有限元方法，以我國(guó)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，建立CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道-路基空間耦合有限元模型，分析了路基凍脹位置、凍脹幅值和凍脹波長(zhǎng)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，從而為嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道路基凍脹變形控制提供理論支撐。

1 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道路基凍脹計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 有限元模型

路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土調(diào)整層、隔離層和混凝土底座板組成[20]。建立有限元模型時(shí)，鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，扣件系統(tǒng)采用線性彈簧單元模擬，軌道板、自密實(shí)混凝土、隔離層、底座板和路基基床表層均采用實(shí)體單元模擬，由于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的軌道板與自密實(shí)混凝土層采用門型鋼筋連接，故模型中軌道板與自密實(shí)混凝土層間采用共用節(jié)點(diǎn)處理?？紤]路基凍脹時(shí)自密實(shí)混凝土層與隔離層、隔離層與底座板、底座板與路基基床表層間可能產(chǎn)生離縫，模型中自密實(shí)混凝土層與隔離層、隔離層與底座板、底座板與路基基床表層間采用接觸單元來(lái)模擬兩者之間的黏結(jié)作用，建立的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道有限元模型如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道-路基空間耦合有限元模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

有限元模型中，鋼軌采用CH60N鋼軌，扣件采用WJ-8B型扣件，扣件間距取為0.63 m，扣件系統(tǒng)的縱向、橫向和垂向的剛度分別取為30，30 kN/mm和50 kN/mm。軌道板為C60混凝土，寬度為2.5 m，厚度0.2 m，長(zhǎng)度為5.6 m，彈性模量為36.0 GPa；自密實(shí)混凝土層為C40混凝土，寬度為2.5 m，厚度為0.09 m，長(zhǎng)度為5.6 m，彈性模量為32.5 GPa；底座板為C40混凝土，寬度為3.1 m，厚度為0.3 m，長(zhǎng)度為16.99 m，彈性模量為32.5 GPa，路基基床表層彈性模量取120 MPa，寬度為3.1 m，厚度取為0.5 m。

路基凍脹采用余弦形式[14]，分別作用在底座板接縫附近(工況A)、軌道板板縫附近(工況B)和底座板中間附近(工況C)，路基凍脹作用位置如圖2所示。

圖2 凍脹作用位置

2 路基凍脹對(duì)軌道變形和受力的影響

2.1 路基凍脹位置的影響

當(dāng)路基凍脹曲線波長(zhǎng)為20 m，凍脹幅值為10 mm時(shí)，不同路基凍脹位置下軌道結(jié)構(gòu)各層的變形如圖3所示。

從圖3可見(jiàn)，當(dāng)路基發(fā)生凍脹時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)各層變形具有一定的跟隨性，鋼軌、自密實(shí)混凝土層、底座板的垂向變形逐漸減小。當(dāng)路基凍脹作用在不同位置時(shí)，自密實(shí)混凝土層與底座板、底座板與路基基床表層的層間離縫主要發(fā)生在路基凍脹波峰和波底。工況A下，自密實(shí)混凝土層與底座板、底座板與路基基床表層的最大離縫值分別為0.133 mm和0.741 mm。工況B下自密實(shí)混凝土層與底座板、底座板與路基基床表層的最大離縫值分別為0.180 mm和0.750 mm。工況C下自密實(shí)混凝土層與底座板、底座板與路基基床表層的最大離縫值分別為0.229 mm和0.976 mm?？梢?jiàn)，路基凍脹作用下，底座板與路基基床表層的離縫值遠(yuǎn)大于自密實(shí)混凝土層與底座板的離縫值。

圖3 不同凍脹位置下軌道結(jié)構(gòu)位移曲線

不同路基凍脹位置下，軌道結(jié)構(gòu)各層的應(yīng)力如表1所示。

表1 不同凍脹位置下軌道結(jié)構(gòu)各層的最大應(yīng)力 MPa

從表1可見(jiàn)，軌道結(jié)構(gòu)受力與路基凍脹作用位置有關(guān)，路基凍脹發(fā)生在位置A和位置B時(shí)，軌道板和自密實(shí)混凝土層所受應(yīng)力大于凍脹作用于位置C。路基凍脹發(fā)生在位置B和位置C時(shí)，底座板所受拉應(yīng)力大于凍脹發(fā)生在位置A處，說(shuō)明路基凍脹發(fā)生在底座板下部時(shí)對(duì)底座板受力更加不利。

由于當(dāng)路基凍脹發(fā)生在底座板板中時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)層間離縫和底座板受力均最大，故下文均以路基凍脹發(fā)生在底座板板中進(jìn)行分析。

2.2 路基凍脹幅值的影響

當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)為20 m，凍脹幅值分別取為2，5，8，10，15 mm和20 mm時(shí)，不同路基凍脹幅值下軌道結(jié)構(gòu)各層的位移和應(yīng)力分別如表2、表3所示。

表2 不同凍脹幅值下軌道結(jié)構(gòu)各層的位移 mm

從表2可知，軌道結(jié)構(gòu)各層位移、層間離縫值均隨路基凍脹幅值的增大而增大。根據(jù)工程實(shí)踐，當(dāng)離縫值大于1.0 mm時(shí)，認(rèn)為軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，會(huì)對(duì)行車產(chǎn)生不利影響[12]。當(dāng)路基凍脹幅值為20 mm時(shí)，自密實(shí)混凝土層與底座板的離縫值為0.66 mm，可認(rèn)為不存在脫空現(xiàn)象。當(dāng)路基凍脹幅值為10 mm時(shí)，底座板與路基基床表層的層間離縫達(dá)到0.98 mm，接近層間離縫限值1 mm?？紤]軌道結(jié)構(gòu)的層間離縫，認(rèn)為路基凍脹波長(zhǎng)為20 m，凍脹幅值不應(yīng)超過(guò)10 mm。

表3 不同凍脹幅值下軌道結(jié)構(gòu)各層的最大應(yīng)力 MPa

從表3可知，軌道結(jié)構(gòu)各層的受力均隨路基凍脹幅值的增大而增大，且相同條件下，底座板所受拉應(yīng)力最大，因此路基凍脹幅值受底座板所受拉應(yīng)力控制。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，底座板和自密實(shí)混凝土的拉應(yīng)力允許值為2.7 MPa，軌道板混凝土的拉應(yīng)力允許值為3.5 MPa。當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)為20 m，凍脹幅值為10 mm時(shí)，底座板所受拉應(yīng)力為2.64 MPa，接近底座板混凝土拉應(yīng)力允許值，因此從底座板受力的角度考慮，當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)為20 m時(shí)，凍脹幅值不應(yīng)大于10 mm。

2.3 路基凍脹波長(zhǎng)的影響

當(dāng)路基凍脹幅值為10 mm時(shí)，凍脹波長(zhǎng)從5 m變化至30 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的層間離縫變化如圖4所示。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)各層的層間離縫

從圖4可知，軌道結(jié)構(gòu)各層的層間離縫值隨路基凍脹波長(zhǎng)的增大而減小，且底座板與路基基床表層的層間離縫值遠(yuǎn)大于自密實(shí)混凝土與底座板的層間離縫，因此，應(yīng)根據(jù)底座板與路基基床表層的層間離縫值來(lái)確定路基凍脹波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的凍脹幅值限值。

由于在路基凍脹作用下軌道結(jié)構(gòu)各層的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，路基凍脹幅值主要受拉應(yīng)力控制，因此僅列出軌道結(jié)構(gòu)各層拉應(yīng)力隨路基凍脹波長(zhǎng)的變化，如圖5所示。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)各層拉應(yīng)力

從圖5可知，軌道結(jié)構(gòu)各層拉應(yīng)力隨路基凍脹波長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)路基凍脹幅值為10 mm時(shí)，路基凍脹波長(zhǎng)小于20 m時(shí)，底座板所受拉應(yīng)力將大于底座板拉應(yīng)力允許值，當(dāng)路基凍脹幅值為10 mm時(shí)，路基凍脹波長(zhǎng)應(yīng)≮20 m。

2.4 路基凍脹幅值限值

路基凍脹幅值主要由底座板與路基基床表層的離縫值、底座板拉應(yīng)力控制，路基凍脹作用于底座板板中時(shí)，不同路基凍脹波長(zhǎng)和凍脹幅值下底座板與路基基床表層的離縫值、底座板拉應(yīng)力變化如圖6所示。

圖6 路基凍脹幅值限值

從圖6可知，當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)一定時(shí)，底座板與路基基床表層的層間離縫和底座板拉應(yīng)力均隨路基凍脹幅值的增大而增大；當(dāng)凍脹幅值一定時(shí)，底座板與路基基床表層的層間離縫和底座板拉應(yīng)力均隨路基凍脹波長(zhǎng)的增大而增大。綜合考慮底座板與路基基床表層的離縫限值和底座板混凝土允許拉應(yīng)力限值，當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)為5 m時(shí)，路基凍脹幅值應(yīng)≯2 mm；當(dāng)路基凍脹波長(zhǎng)為10～15 m時(shí)，凍脹幅值應(yīng)<5 mm；路基凍脹波長(zhǎng)為20 m時(shí)，凍脹幅值≯10 mm；路基凍脹波長(zhǎng)為30 m時(shí)，路基凍脹幅值≯15 mm。從靜力角度考慮，路基凍脹幅值限值隨凍脹波長(zhǎng)的增大而增大。從軌道平順性的角度，路基凍脹幅值越大，產(chǎn)生的不平順?lè)翟酱?，此時(shí)應(yīng)綜合考慮行車安全性和平穩(wěn)性來(lái)確定長(zhǎng)波下的凍脹幅值。

3 結(jié)論

通過(guò)建立CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道-路基空間耦合模型，研究了路基凍脹位置、凍脹幅值和凍脹波長(zhǎng)對(duì)無(wú)砟軌道受力和變形的影響，得到如下結(jié)論。

(1)路基凍脹作用位置對(duì)軌道結(jié)構(gòu)各層的變形和受力影響較大；當(dāng)路基凍脹發(fā)生在底座板板中時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)層間離縫和底座板受力均最大。

(2)隨著路基凍脹幅值的增大，軌道結(jié)構(gòu)各層的變形和應(yīng)力均增大；當(dāng)凍脹波長(zhǎng)為20 m，凍脹幅值超過(guò)10 mm時(shí)，底座板與路基基床表層的層間離縫值、底座板拉應(yīng)力接近限值，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行凍脹防治。

(3)隨著路基凍脹波長(zhǎng)的增加，軌道結(jié)構(gòu)的層間離縫和拉應(yīng)力隨之減?。宦坊鶅雒洸ㄩL(zhǎng)增大對(duì)減小層間離縫和軌道受力有利。

(4)從軌道靜力分析可知，路基凍脹幅值限值隨路基凍脹波長(zhǎng)的增大而增大。