單元雙塊式無砟軌道土工布設(shè)置研究＊

韋有信，楊斌，亓偉，鄭愛國

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

為解決高溫、嚴(yán)寒和大溫差環(huán)境下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力較高等問題，蘭新鐵路第二雙線路基段擬采用單元雙塊式無砟軌道［1－3］。單元式無砟軌道的優(yōu)點(diǎn)在于單元板可以通過縱向伸縮釋放內(nèi)部應(yīng)力，常見的結(jié)構(gòu)形式有日本板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道橋梁段等［4－5］，此類結(jié)構(gòu)常通過層間設(shè)置土工布或砂漿袋等措施將單元板與下部基礎(chǔ)相隔離，減小下部結(jié)構(gòu)對單元板縱向伸縮的約束作用。然而，目前路基段單元雙塊式無砟軌道是將單元道床板直接鋪設(shè)在上表面拉毛的支承層上［6－7］，線路運(yùn)營初期，軌道結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)良好，單元道床板縱向伸縮受到連續(xù)支承層的制約，在低溫情況下易引起道床板開裂，在嚴(yán)重情況下易引起鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)破壞。為保證單元道床板工作性能，需要對道床板與支承層層間是否需要鋪設(shè)土工布進(jìn)行研究。本文首先對土工布鋪設(shè)前后軌道各結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能進(jìn)行分析，再進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，全面探討路基段單元雙塊式無砟軌道層間鋪設(shè)土工布的必要性。

1 結(jié)構(gòu)模型

路基段單元雙塊式無砟軌道從下至上依次為基床表層級配碎石、支承層、道床板、扣件、鋼軌見圖1。

圖1 單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of unit double －block ballastless track

支承層采用C15混凝土，寬3.4 m，高0.3 m，縱向連續(xù)鋪設(shè);道床板采用 C40混凝土，板寬2.8 m，板高0.26 m，板長11.7 m，單元板伸縮縫寬20 mm;鋼軌扣件采用WJ－8B型扣件，扣件間距0.65 m;鋼軌采用 60 kg/m 級［8－10］。路基段單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型見圖2。

土工布鋪設(shè)前，道床板與支承層初期層間粘結(jié)良好，二者作為結(jié)合板共同承受外部荷載作用，計(jì)算中將結(jié)構(gòu)作為粘結(jié)工況進(jìn)行計(jì)算。土工布鋪設(shè)后，道床板與支承層層間分離，計(jì)算中將結(jié)構(gòu)作為分層工況進(jìn)行計(jì)算。

2 層間粘結(jié)工況下結(jié)構(gòu)性能分析

層間粘結(jié)工況中，道床板與支承層作為結(jié)合板共同承受外部荷載作用，單元板伸縮縫位置處，支承層作為結(jié)合板薄弱面，在溫降過程中將首先開裂，由于支承層未配置鋼筋，伸縮縫位置處支承層開裂后，結(jié)合板縱向成為單元結(jié)合板承受外部荷載作用。蘭新(蘭州—新疆)二線烏魯木齊無砟軌道試驗(yàn)段則很好的驗(yàn)證了這一點(diǎn)。由于道床板與支承層初期層間粘結(jié)強(qiáng)度較支承層與下部基床表層粘結(jié)強(qiáng)度大，凍融循環(huán)作用下，支承層與下部基床表層首先出現(xiàn)分層滑動(dòng)現(xiàn)象。單元結(jié)合板滑動(dòng)伸縮對外表現(xiàn)為板間伸縮縫寬度變化，通過對試驗(yàn)段為期1年的觀測，記錄了6.5 m單元板伸縮縫寬度在1個(gè)凍融循環(huán)作用下的變化，見圖2。通過對單元板在溫度升降過程中的位移量的分析，可以推算出軌道結(jié)構(gòu)初期支承層與基床表層的摩擦阻力，從而進(jìn)一步計(jì)算各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力水平。

從2010年12月至2011年1月份，伸縮縫寬度改變量達(dá)到最大值3.0 mm左右，該區(qū)段平均氣溫為－24℃。2011年7月至8月，伸縮縫寬度改變量達(dá)到最小值0.3 mm左右，該區(qū)段平均氣溫為20℃。忽略混凝土收縮徐變，6.5 m單元板在溫升44℃時(shí)，伸縮縫寬度縮小了2.7 mm。而6.5 m單元板在溫降44℃時(shí)板端自由伸縮量為2.86 mm，基床表層抑制了結(jié)合板0.16 mm的伸縮。6.5 m單元板在較大溫降幅度作用下全長范圍內(nèi)均處于滑動(dòng)分層狀態(tài)，假設(shè)支承層與基床表層為均勻分布的摩擦均布力，則通過摩擦均布力對單元板板端伸縮抑制可以建立如下方程:

圖2 6.5 m道床板伸縮縫寬度變化Fig.2 the width variation of expansion joint of the 6.5 m track concrete layer

式中，γ為摩擦均布力;x為計(jì)算截面距離板端距離;l為單元板長度;E為結(jié)合板彈性模量;A為結(jié)合板截面面積。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可知γ=2.86 kN/mm。溫降幅度足夠大時(shí)，6.5 m單元板板中道床板縱向拉應(yīng)力約為6 MPa，單元板越長，板中應(yīng)力越高，由此可見，粘結(jié)工況中板中道床板存在拉裂等問題。

夏季高溫環(huán)境中，貫通裂縫閉合，結(jié)合板作為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)承受荷載，支承層內(nèi)部縱向應(yīng)力:

式中，σ支為支承層縱向壓應(yīng)力;a為混凝土材料變形系數(shù);△T為溫升幅度;E支為支承層混凝土彈性模量。溫升40℃ 時(shí)，支承層縱向壓應(yīng)力為10.2 MPa，同樣可以計(jì)算出道床板縱向壓應(yīng)力為13.0 MPa，均小于材料的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，不會出現(xiàn)混凝土壓潰等問題。但是，此時(shí)結(jié)合板層間剪切應(yīng)力:

式中:τ為層間剪切應(yīng)力;b道為道床板寬度。通過式(3)可知，單元板板端承受較大剪切應(yīng)力。板端道床板與支承層易產(chǎn)生剪切破壞，層間分離滑動(dòng)。溫升幅度越大，分層滑動(dòng)范圍越大。由此可見，道床板與單元板層間分離滑動(dòng)是軌道結(jié)構(gòu)在多次凍融循環(huán)作用下的必然趨勢。

通過對粘結(jié)工況中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn):溫降情況下，伸縮縫位置下支承層將首先開裂，道床板中部承受較大拉應(yīng)力，溫降幅度較大情況下道床板板中將產(chǎn)生裂縫。溫升情況中，道床板與支承層層間承受較大剪切應(yīng)力，板端將首先分層滑動(dòng)，分層滑動(dòng)區(qū)長度隨溫升幅度升高而增加。由此可見:道床板與支承層層間分離是軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢，且從減小結(jié)構(gòu)開裂的紀(jì)律的角度也必須采用相關(guān)措施減小支承層對道床板的約束作用;此外，道床板與支承層粘結(jié)工況中，滑動(dòng)層出現(xiàn)在支承層與基床表層間，還帶來了單元結(jié)合板整體的穩(wěn)定性問題。

3 層間分離工況下結(jié)構(gòu)性能分析

鋪設(shè)土工布后，層間完全分離。單元道床板縱向應(yīng)力得到釋放，但是卻帶來了單元道床板縱橫向限位等問題。鐵一院提出在單元板板中位置設(shè)置多排銷釘或鋼管樁加強(qiáng)板中位置軌道結(jié)構(gòu)的整體性，從而實(shí)現(xiàn)對單元板整體的縱橫向限位。但單元板在列車橫向荷載作用下依舊存在板端橫向位移過大，板中道床板承受橫向彎矩過大等問題，由此可知，道床板與支承層層間還需要保證一定的摩擦阻力?，F(xiàn)就不同層間摩擦系數(shù)下結(jié)構(gòu)在列車橫向荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。

列車選用國產(chǎn) SS8型列車，軸重為220 kN。按照高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，橫向設(shè)計(jì)荷載根據(jù)靜輪重及允許的最大脫軌系數(shù)0.8確定［11］，本文取值88 kN。列車軸間距2.5 m，計(jì)算中列車橫向荷載取1個(gè)轉(zhuǎn)向架對結(jié)構(gòu)施加的2個(gè)同向橫向力進(jìn)行計(jì)算，荷載作用在同一塊單元板上。11.7 m單元板板端橫向位移及道床板縱向拉應(yīng)力分別見圖3和圖4。

圖3 板端橫向位移量Fig.3 the horizontal displacement of end－plate

圖4 道床板縱向拉應(yīng)力Fig.4 the longitudinal tensile stress of the concrete layer

按照《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程施工技術(shù)指南》(TZ216—2007)中對雙塊式無砟軌道靜態(tài)平順度允許偏差作了規(guī)定:對于350≥v＞200 km/h的設(shè)計(jì)速度，水平向允許偏差為1 mm。通過圖3可知，層間摩擦因數(shù)取0.1～0.7均能滿足11.7 m單元板板端橫向位移限值要求。道床板縱向拉應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增加而降低，道床板C40混凝土對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 MPa，對照圖4可知，道床板層間摩擦因數(shù)應(yīng)該不小于0.6。一般土工布提供的摩擦因數(shù)為0.25～0.45之間，若層間鋪設(shè)土工布，需要采用特制高摩擦因數(shù)土工布。

為避免道床板橫向彎矩過大，鐵一院提出在支承層上設(shè)置縱向鋸齒槽，見圖5。鋸齒槽的設(shè)置極大的增強(qiáng)了支承層對單元道床板的橫向限位，此時(shí)，在支承層上鋪設(shè)土工布將不會存在道床板縱向彎曲應(yīng)力過大等問題。

圖5 支承層鋸齒槽方案Fig.5 the longitudinal cogging project of the supporting layer

土工布的設(shè)計(jì)不僅降低了支承層制約道床板應(yīng)力釋放的負(fù)面作用，也降低了道床板伸縮對支承層的附加應(yīng)力，進(jìn)一步降低支承層開裂的概率，也避免了滑動(dòng)層出現(xiàn)在支承層與基床表層之間，充分保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，土工布的設(shè)置也可以再一定程度上阻止單元道床板與連續(xù)支承層之間的裂縫映射。

4 試驗(yàn)段推板試驗(yàn)研究

針對板中銷釘+支承層鋸齒槽+層間土工布方案和層間直接粘結(jié)方案，中鐵十一局在蘭新二線玉門試驗(yàn)段中分別進(jìn)行了現(xiàn)場鋪設(shè)。相關(guān)科研單位對試驗(yàn)段進(jìn)行了橫向推板試驗(yàn)，分別在單元道床板板端和板中施加0～1000 kN循環(huán)荷載。

對層間直接粘結(jié)試驗(yàn)段施加橫向荷載:道床板與支承層在板端施加1000 kN橫向荷載時(shí)層間依舊粘結(jié)良好，層間無任何裂縫產(chǎn)生。但此時(shí)支承層與基床表層已發(fā)生了層間相對滑動(dòng)，最大滑移量為0.6 mm。由此可見，層間不鋪設(shè)土工布的情況下，道床板與支承層將在長期范圍內(nèi)作為結(jié)合板工作。溫度和列車荷載作用下支承層與基床表層滑動(dòng)現(xiàn)象將逐漸嚴(yán)重，從而破壞軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

對板中銷釘+支承層鋸齒槽+層間土工布試驗(yàn)段施加橫向荷載:對單元板板中位置施加1000 kN橫向荷載時(shí)，道床板與支承層層間未分離，層間無任何裂紋產(chǎn)生。對單元板板端施加橫向荷載，道床板與支承層層間產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)現(xiàn)象，道床板相對支承層層間滑移量見圖6。

圖6 道床板與支承層相對滑移量Fig.6 the relative slipping quantity between the track concrete layer and the supporting layer

觀測圖6和圖7發(fā)現(xiàn):土工布的設(shè)置明顯的降低了單元板與支承層間的相互作用，列車橫向荷載作用下，單元板板端橫向位移滿足1 mm限值要求。荷載作用在板中位置時(shí)，層間未分離說明板中多排銷釘?shù)脑O(shè)置能夠有效對單元板進(jìn)行縱橫向整體限位。針對2種設(shè)計(jì)方案在推板試驗(yàn)中的表現(xiàn)，推薦單元雙塊式無砟軌道層間鋪設(shè)土工布。

圖7 道床板與支承層層間滑動(dòng)Fig.7 the slip between the track concrete layer and the supporting layer

5 結(jié)論

(1)層間不鋪設(shè)土工布時(shí)，道床板與支承層將長期保持層間粘結(jié)良好狀態(tài)。伸縮縫位置支承層易出現(xiàn)貫通裂縫，支承層與基床表層將首先分層滑動(dòng)，破壞軌道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和安全性。

(2)層間直接粘結(jié)時(shí)，溫降過程中，道床板板中位置內(nèi)部拉應(yīng)力較大，易產(chǎn)生溫度裂縫。溫升情況中道床板與支承層易在板端位置產(chǎn)生層間分離。溫升幅值越大，分層長度越長。溫度和列車荷載作用下，道床板與支承層層間分離是軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。

(3)不鋪設(shè)土工布時(shí)，道床板與支承層層間分離后層間在凍融循環(huán)和列車荷載作用下，層間摩擦系數(shù)逐漸降低，支承層對單元道床板的限位能力隨著降低。

(4)土工布的鋪設(shè)能夠有效減低道床板與支承層間的相互約束，降低道床板與支承層內(nèi)部應(yīng)力幅值，避免道床板開裂的同時(shí)降低支承層開裂的幾率。此外，還能在一定程度上阻止道床板與支承層間裂縫相互映射。

(5)板中設(shè)置銷釘/鋼管樁時(shí)，道床板與支承層層間鋪設(shè)的土工布為層間提供的摩擦系數(shù)不能小于0.6。支承層設(shè)置縱向鋸齒槽時(shí)，層間可以選用一般的土工布材料。

綜合各方因素，推薦單元雙塊式無砟軌道層間鋪設(shè)土工布，土工布鋪設(shè)后，單元板的縱橫向限位推薦選用板中銷釘/鋼管樁+支承層鋸齒槽方案。

［1］何華武.無碴軌道技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.HE Huawu.Ballastless track technology［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.

［2］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.ZHAO Guotang.Structure mechanics of ballastless track in high－speed railway［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2006.

［3］韋合導(dǎo)，王森榮.高速鐵路雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008，2:44 －48.WEI Hedao，WANG Senrong.The structure design and construction technology of bi－block slab track in high speed railway［J］.Railway Consruction Technology，2008，2:44－48.

［4］劉學(xué)毅，趙坪銳.客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2010.LIU Xueyi，ZHAO Pingrui.The design theory and method of ballastless track on passenger dedicated line［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Publishing House，2005.

［5］Bachmann H，Mohr W，Kowalski M.The Rheda 2000 ballastless track system［J］.European Railway Review，2003，8(1):44 －51.

［6］顏華，翟婉明.土質(zhì)路基雙塊式無砟軌道混凝土支承層設(shè)計(jì)分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007，12:30 －34.YAN Hua，ZHAI Wanming.Analysis of designing concrete supporting layer of bi－block sleeper track in soil foundation［J］.Journal of Railway Engineering Society，2007，12:30 －34.

［7］趙坪銳，劉學(xué)毅.雙塊式無砟軌道開裂支承層的折減彈性模量［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(4):459－464.ZHAO Pingrui，LIU Xueyi.Reduced elastic modulus of cracked support layer in twin－block ballastless track［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2008，43(4):459－464.

［8］崔國慶.雙塊式無砟軌道道床板裂縫控制研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010，1:66 －68.CUI Guoqing.The research on crack control of ballastless track slab［J］.Railway Standard Design，2010，1:66 －68.

［9］王森榮.雙塊式無砟軌道及配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，6:18 －22.WANG Senrong，Study on structural design of doubleblock blab ballastless track and continuous reinforced concrete pavement［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010，6:18 －22.

［10］王森榮，孫立.無砟軌道軌道板溫度測量與溫度應(yīng)力分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，2:52 －55.WANG Senrong，SUN Li.Temperature measurement and temperature stress analysis of ballastless track slab［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009，2:52－55.

［11］TB 10621—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.TB 10621—2009，High－speed railway design standard(on trail)［S］.