雙塊式無(wú)砟軌道糾偏修復(fù)時(shí)道床板結(jié)構(gòu)受力變形行為研究*

劉 競(jìng)，鄭新國(guó)，盧克明，張立彬，王 晨，潘 鋒，田 億

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.山東大萊龍鐵路有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 265401；3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，甘肅 武威 733000； 4.中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司烏魯木齊高鐵維修段，新疆 烏魯木齊 830000； 5.中鐵上海工程局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300450)

0 引言

由于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、列車(chē)長(zhǎng)期作用等原因，個(gè)別路基地段CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的橫移現(xiàn)象[1]，產(chǎn)生較大的軌道橫向不平順，對(duì)正常行車(chē)產(chǎn)生一定影響[2-3]，需利用天窗時(shí)間對(duì)產(chǎn)生偏移的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向頂推糾偏修復(fù)，以恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)平順性[4-7]。

路基段CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道是將預(yù)制的雙塊式軌枕，以現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的方式澆入均勻連續(xù)的鋼筋混凝土道床內(nèi)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式[8-9]，其道床板下方為采用滑模攤鋪或立模澆筑方式施工的連續(xù)的水硬性混凝土料或低塑性混凝土支承層[10]。該形式無(wú)砟軌道縱向連續(xù)的結(jié)構(gòu)特征及橫向?qū)挾却笥谪Q向高度的斷面特征決定了其橫向剛度較大，加上路基基床表層摻水泥級(jí)配碎石層對(duì)其的阻力，橫向頂推糾偏時(shí)所需的糾偏力較大，在進(jìn)行頂推糾偏時(shí)，若控制不良，可能出現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂或壓碎破壞問(wèn)題；同時(shí)，雙塊式無(wú)砟軌道支承層與道床板組合的層狀軌道結(jié)構(gòu)特征也決定了在進(jìn)行頂推糾偏過(guò)程中可能出現(xiàn)層間水平錯(cuò)位損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

為避免上述問(wèn)題出現(xiàn)，依托中國(guó)鐵路總公司科研開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2017G002-D)支持，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司系統(tǒng)研究了采取逐級(jí)加載、支承層與道床板同步橫向頂推糾偏的技術(shù)方案，為系統(tǒng)驗(yàn)證該技術(shù)方案的有效性和可靠性，本文以某線路路基段CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏修復(fù)為工程依托，同時(shí)對(duì)糾偏過(guò)程中雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的道床板進(jìn)行了應(yīng)變規(guī)律測(cè)試，以研究橫向糾偏時(shí)雙塊式無(wú)砟軌道的受力演變行為，確保在滿(mǎn)足一定糾偏量的情況下，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力合理并未受損開(kāi)裂[11-12]，各層同步變形不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)段情況

本試驗(yàn)選取某客運(yùn)專(zhuān)線一段47m長(zhǎng)線路為測(cè)試對(duì)象，其中頂推糾偏段長(zhǎng)27m。該段線路為路基段CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其支承層寬3 400mm、厚265mm，設(shè)計(jì)為C15低塑性素混凝土結(jié)構(gòu)，采用立模澆筑施工，每隔3.9m設(shè)1道橫向假縫，深90mm、寬5mm。其道床板寬2 800mm、厚260mm，設(shè)計(jì)為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每19.5m為1個(gè)單元，單元與單元間設(shè)30mm伸縮縫(真縫)，通過(guò)7根傳力桿連接。道床板單元內(nèi)每隔3.9m設(shè)1道橫向假縫，深65mm、寬10mm。該段線路軌枕間距為650mm。

1.2 軌道橫向頂推方案

在軌道一側(cè)均勻設(shè)置頂推反力結(jié)構(gòu)，在軌道和反力結(jié)構(gòu)之間布置千斤頂，千斤頂間隔為5根軌枕距離。在頂推點(diǎn)處千斤頂與軌道間設(shè)置墊塊，確保道床板基本均勻承受糾偏頂推力。頂推試驗(yàn)按不同頂推力值逐級(jí)加載，直至試驗(yàn)段中間斷面最大糾偏量達(dá)20mm時(shí)停止加載。該段雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)橫向頂推試驗(yàn)橫斷面如圖1a所示、平面如圖1b所示。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)頂推試驗(yàn)橫斷面、平面及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

1.3 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)采用連續(xù)采樣方式，采樣頻率為2Hz，試驗(yàn)時(shí)記錄整個(gè)受力過(guò)程中軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)變。試驗(yàn)采用的應(yīng)變片型號(hào)為BX120-100AA，敏感柵尺寸為100mm(長(zhǎng))×3mm(寬)，電阻值為(120±0.2)Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%。

1.4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

分別在道床板兩側(cè)側(cè)面間隔平均2.5根軌枕間距設(shè)置應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。道床板側(cè)部共布置測(cè)點(diǎn)120個(gè)。測(cè)試范圍為27m頂推糾偏段(21～63枕)及其前后各10m范圍，總長(zhǎng)為47m(06～77枕)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖1b所示。

1.5 測(cè)試內(nèi)容

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)橫向頂推糾偏試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)千斤頂壓強(qiáng)表監(jiān)控各千斤頂?shù)耐椒旨?jí)頂推；通過(guò)全站儀、拉線位移傳感器測(cè)量逐級(jí)加載頂推時(shí)各千斤頂對(duì)應(yīng)位置的橫向糾偏量；通過(guò)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線。

試驗(yàn)時(shí)，從零開(kāi)始逐級(jí)同步加載，同時(shí)連續(xù)采集各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、觀察軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每加載至一級(jí)后穩(wěn)定千斤頂，待所有數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后繼續(xù)加載。開(kāi)始時(shí)按5MPa為公差逐級(jí)加載，當(dāng)加載至>25MPa時(shí)減小公差并繼續(xù)逐級(jí)加載；當(dāng)加載至最大33MPa，試驗(yàn)段中間斷面軌道橫向糾偏量達(dá)20mm，此時(shí)停止加載。頂推糾偏過(guò)程中，連續(xù)測(cè)試并記錄整個(gè)過(guò)程中試驗(yàn)段120個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處道床板混凝土的應(yīng)變時(shí)程曲線，其中以頂推區(qū)段中間斷面的道床板左側(cè)DL41、右側(cè)DR41為例，其應(yīng)變時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 頂推糾偏時(shí)軌道測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

逐級(jí)加載頂推過(guò)程中，所測(cè)得的道床板左側(cè)DL06～DL76測(cè)點(diǎn)、道床板右側(cè)DR06～DR76測(cè)點(diǎn)位置處的混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 逐級(jí)加載控制下道床板側(cè)面應(yīng)變曲線

由圖3可看出，隨著頂推力的增加，道床板左、右兩側(cè)混凝土應(yīng)變絕對(duì)值增加。當(dāng)軌道頂推區(qū)段中間斷面的糾偏量達(dá)20mm時(shí)停止加載，此時(shí)頂推力達(dá)到最大值33MPa，道床板混凝土應(yīng)變也達(dá)到最大值，所測(cè)得的道床板左側(cè)混凝土最大拉應(yīng)變?yōu)?1.68×10-6，最大壓應(yīng)變?yōu)?50.83×10-6；道床板右側(cè)混凝土最大拉應(yīng)變?yōu)?1×10-6，最大壓應(yīng)變?yōu)?90.48×10-6。根據(jù)胡克定律，道床板混凝土所受最大壓應(yīng)力為：

道床板混凝土所受最大拉應(yīng)力為：

由以上兩式可看出，道床板混凝土實(shí)測(cè)最大拉、壓應(yīng)力均小于道床板C40混凝土抗拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。這一點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果相吻合，頂推糾偏過(guò)程中未發(fā)生道床板混凝土開(kāi)裂或壓碎破壞。

由圖3還可看出，道床板左側(cè)混凝土應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“M”形，道床板右側(cè)混凝土應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“W”形，且均存在明顯的拉、壓區(qū)域和反彎點(diǎn)。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)段道床板變形類(lèi)似于連續(xù)梁彎曲變形。這說(shuō)明道床板伸縮縫部位傳力桿和裂縫處鋼筋能傳遞一部分彎矩，使這些位置兩側(cè)道床板能協(xié)調(diào)變形。這一點(diǎn)也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和測(cè)量結(jié)果得到驗(yàn)證。在頂推過(guò)程中，軌道結(jié)構(gòu)的伸縮縫及既有混凝土裂縫寬度有明顯變化，即受壓區(qū)變窄趨于閉合，受拉區(qū)變寬；但隨著糾偏完成千斤頂卸載后，基本恢復(fù)到糾偏前寬度，未出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)及破壞跡象。但值得注意的是，道床板右側(cè)混凝土應(yīng)變曲線局部存在不平滑現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為道床板右側(cè)部分應(yīng)力在伸縮縫及既有裂縫這些薄弱處得到釋放，導(dǎo)致道床板在這些剛度不均勻的位置出現(xiàn)一定的變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

通過(guò)逐級(jí)加載控制直至最大糾偏量達(dá)20mm，在實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)橫向糾偏修復(fù)的同時(shí)軌道結(jié)構(gòu)未因施加較大的糾偏荷載而出現(xiàn)軌道混凝土開(kāi)裂和壓碎破壞問(wèn)題，軌道伸縮縫及既有裂縫處也未出現(xiàn)錯(cuò)位破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)逐級(jí)加載控制，在最大糾偏量20mm的情況下，雙塊式無(wú)砟軌道道床板產(chǎn)生最大拉、壓應(yīng)力均未超過(guò)混凝土的極限拉、壓應(yīng)力，糾偏修復(fù)不會(huì)造成無(wú)砟軌道混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂或壓碎破壞。

2)橫向頂推時(shí)，無(wú)砟軌道道床板應(yīng)變曲線均呈“M”和“W”形，類(lèi)似于連續(xù)梁的彎曲變形，有明顯的受拉區(qū)、受彎區(qū)及反彎點(diǎn)；糾偏結(jié)束卸載后，該部分變化量基本恢復(fù)，即頂推糾偏不會(huì)造成無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在既有裂縫和伸縮縫等薄弱處進(jìn)一步破壞。

3)通過(guò)采取逐級(jí)加載控制，在確保軌道結(jié)構(gòu)不受損情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的橫向頂推糾偏。