CRTSⅡ型板式無砟軌道層間摩擦參數及性能影響研究

譚詩宇

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063）

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國高速鐵路無砟軌道的主要結構型式之一，2008 年最先應用于京津城際鐵路后，陸續在京滬、京石、石武、寧杭和滬杭等10 余條高速鐵路上鋪設，延展里程約8858 公里[1-3]。高平順性是CRTSⅡ型板式無砟軌道板的主要技術亮點，在德國取得部分應用經驗，但德國國土面積較小、且氣候條件相對平穩，無論是在宏觀跨區域空間溫度場層面、還是局部地域極端氣候條件層面，與我國都不具有直接可比性，這使得該型軌道在我國應用環境面臨巨大挑戰。

CRTSⅡ型板式無砟軌道板通過6 根精軋螺紋鋼筋縱向張拉連接，板間接縫填充微膨脹混凝土，軌道板下通過3 cm 厚CA 砂漿層與底座板或支承層黏結。軌道結構的安全穩定性和長期耐久性受板間接縫狀態、砂漿層黏結狀態、軌道板張拉鎖定溫度等因素影響。現場調研發現，既有CRTSⅡ型板式無砟軌道在服役過程中出現軌道板裂紋、層間離縫、寬窄接縫破碎、軌道板上拱等病害，其中層間離縫病害（圖1）較為普遍[4-5]。層間離縫病害的出現削弱了軌道板的垂向穩定性，在夏季高溫條件下，易導致軌道板出現上拱病害，直接影響行車安全。

圖1 現場層間離縫病害

目前有學者針對CRTSⅡ型板式無砟軌道的層間病害進行了相關研究。李東昇等[6]、陳龍等[7]、粟淼等[8]研究了CRTSⅡ型板式無砟軌道層間離縫對軌道結構力學性能的影響，趙國堂等[9]、朱永見等[10]、張向民等[11]對層間離縫病害產生的機理進行研究。劉偉斌[12]、王會永等[13]、季杰等[14]對CRTSⅡ型板式無砟軌道層間離縫病害整治技術進行了相關研究。綜上可知，既有針對CRTSⅡ型板式無砟軌道層間離縫的研究主要集中在病害機理、力學性能影響、整治技術研究等方面，尚缺乏針對層間離縫后軌道板與CA 砂漿層之間相互作用關鍵參數基礎研究。

鑒于此，針對軌道板與CA 砂漿層離縫后的相互作用關系，開展了CRTSⅡ型板式無砟軌道運營線及實驗室內推板試驗，建立CRTSⅡ型板式無砟軌道的力學特性分析模型，研究離縫條件下不同層間摩擦狀態對軌道結構力學性能的影響。研究成果可為CRTSⅡ型板式無砟軌道養護維修、病害預防與整治提供一定的參考價值。

1 層間參數試驗概況

當軌道板與CA 砂漿層之間出現脫粘離縫，此時軌道結構層間主要為摩擦作用。為確定離縫后層間摩擦關鍵參數，開展現場運營線和室內推板試驗。推板試驗用到的設備主要包括數據采集儀、動態荷載傳感器、動態位移計、千斤頂、水磨鉆、扭力扳手等。

1.1 運營線試驗

運營線試驗在某高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道區段進行，現場隨機選取左右線各2塊已離縫的軌道板開展推板試驗，試驗板號分別記為Rb01、Lb01、Rb02、Lb02，如圖2 所示。解除試驗軌道板兩端寬窄接縫及張拉鎖件，取出板上既有植筋，松開板上扣件并抬升鋼軌，使試驗軌道板在水平上僅受CA 砂漿層的約束。利用相鄰軌道板作為頂推反力墻，在接縫處安裝千斤頂和測力傳感器，通過千斤頂對試驗軌道板施加縱向推力，使其克服CA 砂漿層粘結力及層間摩擦力發生縱向位移，利用數據采集儀記錄加載過程中的頂推力、位移數據。

圖2 現場推板試驗示意圖（單位：mm）

1.2 實驗室試驗

依托實驗室CRTSⅡ型板式無砟軌道實尺模型，進行推板試驗，如圖3 所示，其中部分砂漿層已破碎，以模擬實際的層間離縫情況。

圖3 實驗室橫向推板試驗示意圖（單位：mm）

圖4 軌道板頂推示意圖（單位：mm）

實驗室試驗分為縱向推板試驗和橫向推板試驗，縱向推板采用既有相鄰的CRTSⅡ型板式無砟軌道作為反力墻，橫向推板通過在一側澆筑2 個反力墩作為反力墻。在反力墩與試驗軌道板間安裝千斤頂及測力傳感器，通過千斤頂對試驗軌道板施加水平推力，使其克服砂漿層的摩擦力發生水平位移，采用數據采集儀記錄加載過程中的頂推力、位移數據。

1.3 試驗方法與步驟

1.3.1 運營線試驗

（1）試驗軌道板解鎖

鑿除試驗軌道板前后的寬窄接縫混凝土，解鎖張拉鎖件，使單塊軌道板處于獨立狀態。縱向推板試驗需利用相鄰軌道板作為頂推反力墻，為保證頂推墻的穩定，相鄰軌道板的另一側寬窄接縫維持原狀不解鎖。

（2）試驗軌道板上既有植筋取出

試驗軌道板存在既有植筋，采用水鉆將既有植筋取出，取筋采用直徑40 mm 的水鉆鉆孔，鉆孔深度400 mm。

（3）拆除試驗軌道板上扣件，抬升鋼軌

松開試驗軌道板上扣件，拆除扣件墊板，抬升鋼軌，保證推板時試驗軌道板不受鋼軌、扣件等約束。

（4）千斤頂及傳感器安裝

在指定位置安裝動態位移計，動態位移計通過特制支架固定。安裝千斤頂，作用位置為軌道板端部1/2 高度位置處，保證試驗過程中軌道板僅受水平推力。

（5）連接傳感器、數據采集儀、筆記本電腦在正式加載試驗前，用20 kN 荷載進行預加載，預加載持續時間1 min 后卸載。在確認測試系統正常后，即可進行正常推板試驗。

（6）加載

推板荷載按每級10 kN 逐級加載，每級荷載靜停60 s，直至軌道板與砂漿層之間發生水平位移。加載過程中，兩臺千斤頂同步加載，并實時監測試驗軌道板橫向及垂向位移，終止加載判定條件為軌道板累計水平位移達3 mm，一旦發生突變位移，停止加載。

（7）卸載

按10 kN 每級逐級卸載，直至空載。檢查采集儀采集到的荷載位移數據。確認無誤后，拆除千斤頂、傳感器等試驗設備。

（8）線路臨時恢復

重新安裝軌道板、鋼軌、扣件，精調線路，使其滿足線路平順性要求。重新安裝試驗軌道板前后張拉鎖件，從中間至兩邊對稱張拉軌道板張拉鎖件。采用特制夾持限位裝置四角夾持軌道板，保證試驗軌道板的穩定性，不影響線路正常運營，在后續天窗點重新灌注CA 砂漿層恢復線路。

1.3.2 實驗室試驗

在室內實驗室場地內，采用部分破碎的CA砂漿層模擬現場離縫最不利情況，具體試驗方法和步驟同運營線試驗步驟（4）～（7），實驗室推板試驗情況如圖5 所示。

圖5 實驗室推板試驗測試

2 試驗結果及分析

2.1 運營線推板試驗結果分析

2.1.1 Rb01 軌道板試驗結果

運營線Rb01 軌道板水平推力與位移變化曲線如圖6（a）所示，可知：當頂推力達160 kN時，軌道板與砂漿層逐漸脫粘，開始發生位移，但位移較小；直至頂推力達到200 kN 前，軌道板的水平位移均在0.2 mm 以下；當頂推力達到200 kN 時，軌道板與砂漿層完全脫粘，發生滑移，位移迅速增大。軌道板發生滑移后，頂推力維持在210 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在2.5 左右。

圖6 運營線軌道板水平推力-位移曲線

2.1.2 Lb01 軌道板試驗結果

運營線Lb01 軌道板水平推力與位移變化曲線如圖6（b）所示，可知：當頂推力達170 kN時，軌道板與砂漿層逐漸脫粘，開始發生位移，但位移較小；直至頂推力達到200 kN 前，軌道板的水平位移均在0.2 mm 以下；當頂推力達到200 kN 時，軌道板與砂漿層完全脫粘，發生滑移，位移迅速增大。軌道板發生滑移后，頂推力維持在210 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在2.5 左右。

2.1.3 Rb02 軌道板試驗結果

運營線Rb02 軌道板水平推力與位移變化曲線如圖6（c）所示，可知：當頂推力達200 kN時，軌道板與砂漿層逐漸脫粘，開始發生位移，但位移較小；直至頂推力達220 kN 前，軌道板的水平位移均在0.2 mm 以下。當頂推力達到220 kN 時，軌道板與砂漿層完全脫粘，發生滑移，位移迅速增大。軌道板發生滑移后，頂推力維持在260 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在3.1 左右。

2.1.4 Lb02 軌道板試驗結果

運營線Lb02 軌道板水平推力與位移變化曲線如圖6（d）所示，可知：當頂推力達180 kN時，軌道板與砂漿層逐漸脫粘，開始發生位移，但位移較小。直至頂推力達到200 kN 前，軌道板的水平位移均在0.2 mm 以下。當頂推力達到200 kN 時，軌道板與砂漿層完全脫粘，發生滑移，位移迅速增大。軌道板發生滑移后，頂推力維持在250 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在2.9 左右。

綜合現場運營線推板測試結果可知，軌道板與CA 砂漿層的摩擦系數在2.5～3.1 范圍。

2.2 實驗室推板試驗結果分析

實驗室縱向推板和橫向推板的水平推力與位移變化曲線如圖7 所示。

圖7 軌道板水平推力-位移曲線

由圖7（a）可知：縱向推板當頂推力達到55 kN 時，軌道板與砂漿層開始發生位移，發生位移后，軌道板近乎勻速滑移。軌道板發生滑移后，頂推力維持在55 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在0.79 左右。

由圖7（b）可知：當頂推力達到30 kN 時，軌道板與砂漿層開始發生位移，但位移較小；當頂推力達到56 kN 時，軌道板與砂漿層發生滑移，位移迅速增大。軌道板發生滑移后，頂推力維持在56 kN 左右，該階段軌道板近乎勻速滑移，可認為軌道板所受摩擦力與頂推力相等，計算得到軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在0.80 左右。

3 層間摩擦系數對軌道結構力學性能影響

由上述現場運營線及室內推板試驗可知，軌道板與CA 砂漿層的層間摩擦系數在0.78～3.1 范圍，在此基礎上建立CRTSⅡ型板式無砟軌道力學特性分析模型，研究層間摩擦參數對軌道結構受力性能的影響。

3.1 計算模型及參數

CRTSⅡ型板式無砟軌道的主體結構包括鋼軌、軌道板、CA 砂漿層、底座板及寬窄接縫均采用實體單元模擬，扣件利用三向非線性彈簧模擬[15-17]。軌道結構模型參數如表1 所示。

表1 無砟軌道結構模型參數

底座板底部采用固定約束，軌道結構兩端采用對稱約束[18-20]，軌道板與CA 砂漿層交界面及寬窄接縫與軌道板端交界面采用摩擦接觸模擬[21-22]。計算模型考慮窄接縫缺損40 mm 的不利條件，施加荷載考慮整體升溫45℃[23]。軌道板與CA 砂漿層之間摩擦系數分別取0.7、1.3、1.9、2.5、3.1，計算分析不同層間摩擦狀態對軌道系統受力性能的影響。無砟軌道整體有限元模型如圖8 所示。

圖8 CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元分析模型

3.2 摩擦系數對軌道板上拱變形的影響

以層間摩擦系數0.7 為例，軌道結構的變形情況如圖9 所示，在考慮窄接縫缺損40 mm的不利條件下，軌道結構整體呈以寬窄接縫為中心的斑狀上拱變形。

圖9 軌道結構變形情況

繪制不同層間摩擦參數條件下軌道板及鋼軌上拱變形峰值變化曲線如圖10～11 所示。可知：軌道板和鋼軌的上拱變形整體隨著層間摩擦系數的增加呈線性減小趨勢。層間界面摩擦系數的變大會一定程度減小軌道結構的上拱變形，但影響程度有限，當摩擦系數由0.7 增加至3.1 時，軌道板最大上拱變形由7.149 mm 減小至6.737 mm，減小了5.7%，鋼軌最大上拱變形由4.01 mm 減小至3.842 mm，減小了4.19%。

圖11 鋼軌上拱變形隨層間摩擦系數變化規律

3.3 摩擦系數對寬窄接縫受力性能的影響

不同層間摩擦參數條件下寬窄接縫所受壓應力峰值變化曲線如圖12 所示，可知：寬窄接縫在整體升溫荷載作用下所受壓應力整體隨著層間摩擦系數的增加呈線性減小趨勢。層間摩擦系數的增加，會一定程度上緩解寬窄接縫所受壓應力，但同樣影響程度有限，當摩擦系數由0.7 增加至3.1 時，寬窄接縫最大壓應力由41.43 MPa 減小至38.694 MPa，最大壓應力減小了6.6%。

圖12 寬窄接縫受力隨層間摩擦系數變化規律

綜上可知，當軌道結構層間已出現離縫時，此時層間摩擦狀態對已離縫CRTSⅡ型板式無砟軌道力學性能影響相對較小，應在前期保證層間粘結完好，預防和避免層間離縫病害發生。

4 結論

針對CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫后的層間相互作用關系，開展了現場運營線及室內推板試驗，同時建立了CRTSⅡ型板式無砟軌道的力學特性分析模型，研究了離縫條件下不同層間摩擦狀態對軌道結構力學性能的影響，得到如下結論。

（1）運營線路軌道板推板試驗中，隨著頂推力不斷增大，軌道板與砂漿層逐漸脫粘，完全脫粘后發生滑移；現場試驗隨機選取的4 塊軌道板，軌道板失穩發生水平位移的推力在160～200 kN；軌道板發生穩定滑移的水平推力在210～250 kN，對應的摩擦系數為2.5～3.1。

（2）室內推板試驗模擬層間最不利狀態下的軌道板與砂漿層之間無粘結力狀態，隨著頂推力不斷增大，軌道板位移后直接發生滑移，對應水平推力在55～56 kN，對應的摩擦系數為0.79～0.80。

（3）隨著層間摩擦系數的增加，會一定改善軌道結構受力變形，但影響程度有限，摩擦系數由0.7 增加至3.1 時，寬窄接縫受力最大減小6.6%，鋼軌和軌道板的最大上拱變形分別減小了4.19%和5.7%。

（4）層間摩擦狀態對已經出現離縫的CRTSⅡ型板式無砟軌道影響相對較小，應在前期保證層間粘結完好，預防和避免層間離縫病害的發生。