双块式无砟轨道轨枕松动修复材料性能分析

徐 坤,黄慧超,段玉振,任娟娟

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

1 概述

双块式无砟轨道是我国无砟轨道结构型式之一，随着大量客运专线的建设，其得到了越来越广泛地应用[1]。双块式无砟轨道整体受力性能较好，但是存在的问题之一是处于新旧混凝土交界面的轨枕与道床板之间容易出现轨枕松动，轨枕松动对列车运营下的铁路轨道有一定的破坏性，不良的轨道状态会加剧高速铁路运行时的动态不平顺及动力附加荷载，如此循环将会导致轨道结构的破坏，为维护轨道结构的完整性和耐久性，轨枕松动后必须及时维修，修复材料的性能对维修效果有着重要影响。借助于有限元软件建立双块式无砟轨道梁体模型，研究荷载作用下修复材料对轨道结构的受力影响，以期为双块式道床板轨枕松动维修提供一定的理论基础。

双块式无砟轨道主要结构由预制的带钢桁架的钢筋混凝土轨枕，现场浇筑的混凝土道板，混凝土支承层组成。新老混凝土之间的粘结主要依靠范德华力和机械咬合力维系[2]。无砟轨道在长期使用过程中承受列车荷载，温度变化，基础变形及混凝土自身徐变和收缩的影响容易产生裂纹，尤其是处于新老混凝土粘结面的轨枕和道床板处对外界荷载较为敏感，混凝土道床板上的裂纹极易从此处发展。雨水一旦侵入轨枕周边裂纹，一方面会致使混凝土材料交界表面颗粒之间的粘结强度降低甚至锈蚀内部钢筋；另外列车荷载与水的耦合作用形成对新老混凝土交界面的冲刷和轨枕周围已有裂纹的劈裂冲击。当水流压力足够大时，混凝土表面松散软化的颗粒会沿裂缝口喷射出轨道结构，在高频列车荷载和动水的反复作用下，双块式无砟轨道轨枕逐渐形成轨枕松动[2-3]，如图1所示。

图1 轨枕松动现场

2 模型及参数

参考相关文献[4-5]，双块式无砟轨道由钢轨，扣件，双块式轨枕，道床板和支承层组成，依据弹性地基梁体有限元理论，运用有限元软件建立钢轨—扣件—道床板—支承层—地基相互作用的实体模型，分析轨枕松动修复之后维修材料的受力特征，进而提出维修材料的各项力学性能指标的建议值。钢轨采用BEAM188梁单元模拟，道床板、支承层、修复材料以及轨枕块均采用实体单元SOLID45模拟，钢轨与轨枕之间的扣件连接系统和下部基础支承体系均采用线性弹簧单元COMBIN14模拟。计算时取3个单元板长度，维修材料在中间轨枕处，模型两端加上纵向和横向的位移约束，模型中道床板与支承层间、维修材料与轨枕及道床板之间采用粘结。含修复材料的双块式轨道静力学计算模型如图2所示。

图2 含修复材料的双块式轨道静力学计算模型

以路基上时速350 km再创新双块式无砟轨道结构为例，有限元模型如图3所示。计算模型的主要参数包括：钢轨断面采用CHN60轨；扣件刚度取为20 kN/mm，轨枕间距取为0.65 m；道床板弹性模量取为E=3.25×104MPa，泊松比为0.2，厚度×宽度=0.26 m×2.8 m；支承层弹性模量取为E=2.55×104MPa，泊松比为0.2，厚度×宽度=0.30 m×3.4 m，道床板及轨枕线膨胀系数为α=1.0×10-5/ ℃，路基基床面刚度k76=76 MPa/m。主要针对修补材料的弹性模量、轨枕四周离缝宽度等参量进行分析。修补材料弹性模量分别取为100、300、500、1 000、32 500 MPa，修补材料厚度t分别取为0.5、1、2、5 mm。计算得到采用不同弹性模量的修复材料及轨枕四周脱离宽度对结构力学性能的影响，进而提出相关参数的建议值[4-6]。

图3 双块式无砟轨道有限元模型

3 维修材料力学分析

双块式无砟轨道结构中，轨枕作为连接轨道上部钢轨与下部基础结构的重要部件，它的支撑状态不仅对轨道动态平顺性起着巨大作用，直接影响着运行车辆振动的剧烈程度，而且还会对道床板的受力状态产生直接影响[9-12]。在轨枕松动后，雨水有可能通过界面裂纹渗透到道床板内部，从而加速道床板的破坏，尤其是列车经过时轨枕块对道床板的刚性拍打，将会加剧轨枕松动及破坏轨道结构的完整性。严重情况时轨枕松动会导致轨枕下部支撑失效，轨枕发生部分或完全悬空，造成轨枕空吊的病害甚至劣化轨道结构的平顺性，进而影响行车的平稳性和安全性。因此，在轨枕松动出现后应当及时维修，轨枕松动的维修应达到防止松动进一步扩展、恢复轨枕的强度和承载能力、弥补轨枕松动处原有道床板的强度不足等效果。

理论计算表明，当道床板整体升温25 ℃，修补材料弹性模量在100～1 000 MPa时，修补材料及道床板的拉、压应力比较小，修复材料最大拉压应力分别为2.02、11.81 MPa，道床板最大拉压应力分别为2.11、9.3 MPa。其他值均没有超出道床板混凝土允许拉应力2.39 MPa；当修补材料弹性模量与道床板弹性模量相同时，修补材料最大达到4.40 MPa，道床板拉应力均未超过混凝土极限抗拉强度2.39 MPa。升温对修补材料及道床板受力的影响不大，因此升温工况不是确定修补材料的力学性能的控制因素，以列车荷载及道床板整体降温为修补材料力学性能控制因素。

(1)列车荷载作用下修复材料的性能

列车荷载采用动力学计算得出的最大轮轨力为178.8 kN，考虑最不利荷载时最大轮轨力加载于模型中间钢轨上，即轨枕松动扣件处。图4表示修补材料及道床板应力随材料弹性模量和修补厚度的变化情况。由图4可知，修补材料及道床板拉、压应力均随着修补材料的厚度增加而减小，随弹性模量的增大而增加；当修补材料弹性模量为100～1 000 MPa时，修补材料及道床板拉、压应力比较小，仅在修补材料厚度为0.5 mm时比较大，修补材料拉应力达到4.92 MPa，道床板拉应力达到4.88 MPa，超出道床板混凝土允许拉应力2.39 MPa；当修补材料弹性模量与道床板弹性模量相同时，修补材料及道床板的拉应力均较大，均超过2.39 MPa。综上所述，建议修补材料的弹性模量在100～1 000 MPa，若修补材料在天窗时间内抗拉强度不能达到5 MPa，抗压强度不能达到3 MPa，建议对刚修复的轨枕处钢轨进行临时支撑，待达到合适强度后再撤走临时支撑设备。

图4 列车荷载作用时修复材料及道床板最大拉压应力曲线

(2)整体降温修复材料的力学性能

路基地段铺设的双块式轨道采用连续浇筑，在降温时道床板内部存在很大的纵向温度力。基础环境温度取为10 ℃，降温幅度为20 ℃，达到-10 ℃。降温荷载作用下道床板及修补材料的受力见图5。

图5 降温时修复材料及道床板最大拉压应力曲线

由图5可见，修补材料及道床板的拉、压应力均随着修补材料的厚度增加而减小，随弹性模量的增大而增加；在修补材料弹性模量在100～500 MPa时，修补材料及道床板拉、压应力在修补材料比较厚时力学性能较好，厚度较小时就会超出道床板的最大拉应力标准值2.39 MPa；当修补材料弹性模量大于500 MPa时，各种工况下道床板拉应力均超过2.39 MPa。综上所述，建议修补材料的弹性模量在100～500 MPa，修补材料在天窗时间内的抗拉强度不低于7 MPa，抗压强度不低于4 MPa，修补材料的厚度取为2～5 mm，为了减小降温对修复效果的的影响，尽量选择昼夜温差不大的天气进行修复。

4 结论

(1)修复材料及道床板的拉压应力随着修复材料厚度增加而减小，随弹性模量的增大而增加。

(2)建议修复材料的弹性模量在100～500 MPa，修复材料施工2 h后的抗拉强度不低于5 MPa，抗压强度不低于3 MPa，7d后的抗拉强度不低于10 MPa，抗压强度不低于20 MPa；修复材料的厚度5～20 mm。

(3)考虑到修复后很快又要通车，建议凝胶时间不大于3h；粘结强度不低于最大拉应力，建议粘结强度不低于10 MPa。松动轨枕周围的离缝宽度对轨道结构受力的影响很小，但需考虑封闭防水处理，同时，界面离缝宽度越大对维修材料和道床板受力越有利，表明维修松动的轨枕时，可考虑凿出较宽的宽度，一般在2 cm左右。

[1] 张勇.路基上双块式无砟轨道空间力学及裂缝特性研究[D].长沙:中南大学，2011．

[2] 李耀东.列车荷载与水耦合作用下双块式轨道轨枕脱空机理研究[D].成都:西南交通大学，2013．

[3] 段玉振.双块式轨道轨枕松动影响及维修方法研究[D].成都:西南交通大学，2013．

[4] 朱胜阳，蔡成标.含裂纹的双块式无砟轨道道床垂向振动特性分析[J].铁道学报，2012，34(8):82-86．

[5] 朱剑月，张艳.轨枕空吊对轨道结构动力性能的影响[J].中国铁道科学，2011(5)：8-15.

[6] 吴斌，张勇，曾志平，徐庆元，李平.温度及收缩荷载下路基上双块式无砟轨道力学及裂缝特性研究[J].铁道科学与工程学报，2011，8(1):20-23．

[7] 陈学楚.现代维修理论[M].北京：国防工业出版社，2010．

[8] 王森荣，杨荣山.无砟轨道裂纹产生原因与整治措施[J].铁道建筑，2007(9):76-79．

[9] 任娟娟，刘学毅，赵坪锐.连续道床板裂纹计算方法及影响因素[J].西南交通大学学报，2010，45(1):35-38．

[10] 刘学毅，赵坪锐，杨荣山，王平.客运专线无砟轨道设计理论与方法[M].成都:西南交通大学出版社，2010．

[11] 郭剑，潘雨，王旭.客运专线无碴轨道双块式轨枕混凝土配合比试验研究[J].铁道标准设计，2008(3):69-71．

[12] Frank McCullough B. Three-dimensional nonlinear finite element analysis of continuously reinforced concrete pavements[R].The University of Texas at Austin， 2000.