整体道床混凝土施工阶段裂缝控制试验研究

唐先习，卓海金，胡进森，尹月酉

（兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050）

整体道床混凝土施工阶段裂缝控制试验研究

唐先习，卓海金，胡进森，尹月酉

（兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050）

为研究不同施工工艺和结构构造对铁路整体道床混凝土在施工阶段抗裂性能的影响，进行了整体道床抗裂性能试验研究。研究时考虑的因素包括：轨枕端部的整体道床抹面方式、采用圆端形轨枕、增加轨枕端部整体道床内U型钢筋、增加轨枕端部整体道床内纵向钢筋。研究结果表明：仅沿整体道床纵向（近似垂直于八字形裂缝开展的方向）进行混凝土抹面，会导致裂缝产生的几率增加；采用圆端形轨枕可以有效地降低裂缝开展的几率；增加轨枕端部整体道床内的U型筋和纵向钢筋，对控制裂缝最初的产生作用不大，但当裂缝发展到钢筋部位后，则对控制裂缝的进一步开展具有重要的作用。研究成果对控制整体道床混凝土在凝结硬化阶段的收缩裂缝，具有重要的指导意义。

整体道床；裂缝控制；沿道床纵向抹面；圆端形轨枕；U型筋；纵向钢筋

高速铁路是当今世界铁路发展的主要方向，在我国新建的高速铁路中，主要采用无砟的整体式道床。整体式道床采用钢筋混凝土道床取代了碎石道床，是一种高稳定性、高平顺性和少维修的轨道结构，具有混凝土结构的特征。然而在我国的西北地区，由于干旱、大风的气候条件，加上整体道床本身相当于体表比相对较小的钢筋混凝土板，使得整体道床在混凝土施工阶段的收缩量大大增加，从而导致混凝土裂缝产生的概率也极大地提高，甚至出现了由于混凝土开裂较严重而导致整体道床拆除重新返工的现象。

在整体道床的裂缝研究方面，吴斌、尹华拓等［1-3］通过采用数值分析的方法，研究了路基上双块式无砟轨道在温度、收缩荷载及车辆荷载作用下的混凝土开裂特性及其对轨道结构力学性能的影响。陈小平等［4］则分析了轨道板全面开裂对钢轨和底座板纵向受力影响的范围。王青等［5］通过计算，研究了高速铁路整体道床在恒载、温度和列车往复荷载作用下的疲劳力学性能，并对这种综合作用下的开裂部位及最终各断面开裂面积比进行了分析。朱长华等［6］通过调查分析，指出CRTS I型双块式无砟轨道道床板混凝土的各种裂纹形式及其成因。陆达飞等［7］通过分析裂缝产生机理，并在对比分析国内外相关规范的基础上，给出了双块式无砟轨道裂缝宽度限值。方树薇［8］则总结了地铁无砟轨道混凝土裂纹的主要特征和规律，并对无砟轨道主体结构裂纹损伤产生的原因进行了初步分析。王枢等［9-11］从水灰比、施工工艺等方面对整体道床混凝土裂缝控制等进行了研究。翟超等［12］则研究了混凝土早期养护方式对高性能混凝土塑性开裂的影响。陈伯靖等［13］通过研究发现，大单元双块式无砟轨道上假缝的设置可有效地引导裂缝发展，降低道床板内的温度应力。徐浩等［14］通过数值模拟，对不同宽度、深度的裂缝以及不同弹性模量的修补材料对轨道板的影响进行了分析。滕德巍［15］研究了整体道床轨道板的裂缝等损伤的修补工作。而在混凝土裂缝监测方面，曾红等［16］研究了分布式光纤远程实时监测系统在混凝土裂缝监测中的运用效果，验证了监测系统的可靠性。

以上关于整体道床裂缝的研究，大多数未涉及到整体道床在混凝土凝结硬化阶段由于收缩造成的裂缝的分布规律，特别是未结合西北地区大风、干旱的气候条件研究这一问题。进行整体道床裂缝研究时，涉及的主要内容为裂缝开展规律，而对造成裂缝开展的整体道床及轨枕的结构构造型式研究较少，特别是相关的试验研究则更少。因此，结合西北地区的具体情况，研究整体道床混凝土裂缝的控制措施，并通过实验对确定的措施进行验证，是非常关键和必要的。

1 试验概况

1.1 试验目的

通过前期的研究可知，整体道床混凝土施工工艺、轨枕的端部构造、整体道床的配筋构造等是导致整体道床混凝土八字形开裂的主要因素。因此，试验拟从改变轨枕端部抹面方式、采用圆端形轨枕、增加轨枕端部U型筋和轨枕端部纵向钢筋等方面，对导致整体道床开裂的主要原因、以及改进构造后整体道床的抗裂效果进行验证。

1.2 试验概况

根据调研结果可知，对于双块式无砟轨道，八字形裂缝主要出现在轨枕块与整体道床边缘的区域内，而在同一整体道床横断面上的两块轨枕块之间的区域则极少出现。因此，试验主要模拟轨枕块与整体道床边缘区域的情况。在这种情况下，进行试验设计时就将同一整体道床横断面上两块轨枕块之间的区域去掉，直接用一个轨枕块的两端部模拟轨枕块与整体道床边缘的区域。

试验采用的轨枕块为去掉橡胶套靴的弹性支承块。结合现场整体道床的结构尺寸，试验采用的混凝土整体道床尺寸为：宽度1.30 m，厚度0.31 m，长度6.00 m，其中沿长度方向上每隔1.2 m设一道伸缩缝，将整体道床在长度上分成5段。轨枕间距按60 cm布置，共需轨枕块10个，不同区域的试验内容见图1，现场布置见图2。

图1 不同区段试验内容（单位：mm）

图2 试验现场布置图

进行试验时，整体道床混凝土施工完毕后，不进行养护，直接暴露在外界自然环境条件下，对比不同构造的整体道床八字形裂缝的开裂规律，用于对比分析其抗裂性能。

1.3 试验内容与方法

1.3.1 轨枕端部抹面方式

这部分试验的目的是验证在整体道床施工时混凝土表面不同的抹面方向，特别是仅沿整体道床纵向（近似垂直于裂缝方向）抹面对裂缝的影响。试验选定第一幅整体道床进行垂直于裂缝方向的抹面试验（见图1），并结合普通对比部分的试验结果，以验证不同方向的抹面对裂缝产生的影响。

1.3.2 普通对比部分

试验选定这一部分的目的，就是为了和沿道床纵向抹面、采用圆端轨枕、增加U型筋、增加轨枕端部纵向钢筋的整体道床部分进行对比，以验证改进构造和抹面方式的抗裂效果。试验选定第二幅整体道床进行普通对比试验（见图1）。

1.3.3 圆端轨枕

试验目的是验证在轨枕端部为圆形的情况下，八字形裂缝的开裂情况。试验选定第三幅轨枕外整体道床进行圆端轨枕试验（见图1）。试验现场布置见图3。

图3 试验现场圆端轨枕图

1.3.4 增加U型钢筋

试验的目的是验证在增加轨枕端部整体道床内U型钢筋的情况下，八字形裂缝的开裂情况。试验选用第四幅轨枕外整体道床进行增加U型钢筋的试验（见图1），在保证混凝土保护层厚度和钢筋间距要求的基础上，增加U型钢筋N6；U型钢筋采用φ16螺纹钢筋，U型筋具体尺寸见图4；试验现场U型钢筋布置图见图5。 1.3.5 增加纵向钢筋

图4 N6钢筋尺寸图（单位：mm）

图5 试验现场U型钢筋布置图

试验的目的是验证在增加轨枕端部钢筋的情况下，八字形裂缝的开裂情况。

试验选用第五幅整体道床进行增加轨枕外侧钢筋的试验（见图1）。在保证混凝土保护层厚度和钢筋间距要求的基础上，将轨枕端部钢筋作适当调整，钢筋由2根调整为3根，相应的钢筋间距及保护层厚度进行了适当调整。其中N1为直径14 mm的螺纹钢，N2为直径16 mm的螺纹钢。试验现场布置图见图6、图7。

图6 试验现场2根轨枕端部钢筋布置图

图7 试验现场3根轨枕端部钢筋布置图

2 试验结果与分析

2015年7月31日中午12∶10分，开始浇筑混凝土，下午1∶30分混凝土抹面结束，下午2∶50分整体道床开始有裂缝出现，通过对裂缝的开展情况进行了一个月的观察，将得到的试验结果进行对比分析如下（部分裂缝图片见图8～图11）。

图8 裂缝图片1

图9 裂缝图片2

（1）裂缝出现的主要时间为1.5 h到48 h左右，在这一阶段主要是混凝土的凝结硬化过程中产生的收缩。超过这一时间段后，裂缝的产生和发展则较为缓慢。

（2）对于图1中第一幅沿轨枕端部整体道床纵向抹面的道床板，两个轨枕端部的8个角，总共有8条裂缝产生，其中一条裂缝还产生了分叉，裂缝长度从2 cm到18 cm不等，裂缝最大宽度为0.4 mm。通过与第二幅作为普通对比的整体道床块对比分析可知，沿整体道床纵向抹面时八字形裂缝出现的概率较大。

图10 裂缝图片3

图11 裂缝图片4

（3）对于图1中第二幅普通对比的整体道床块而言，两个轨枕端部的8个角，总共有4条裂缝出现，最长的裂缝有3 cm长，最短的为1 cm，裂缝最大宽度为0.08 mm。4条裂缝均为从轨枕角部产生的八字形裂缝。

（4）对于图1中第三幅采用圆端型轨枕的整体道床，总共出现了1条裂缝，长度为6 cm，最大宽度为0.3 mm。通过对圆端形轨枕的整体道床混凝土开裂情况与其他整体道床块进行对比分析可知，圆端形轨枕端部产生八字形裂缝的概率远小于其他情况下整体道床产生裂缝的概率。

（5）对于图1中第四幅增加U型筋的整体道床，总共出现了6条裂缝，裂缝长度从1.9 cm到12.0 cm不等，裂缝最大宽度为0.08 mm。通过与第二幅作为普通对比的整体道床块的混凝土开裂情况进行对比分析可知，在整体道床产生八字形裂缝的初期，裂缝尚未开展到U型筋部位时，增加U型筋对控制裂缝产生的作用不大。

（6）对于图1中第五幅增加纵向钢筋的整体道床，则进行分开分析，对于里面的第9号轨枕，端部共出现2条裂缝，均出现于靠近第10号轨枕的一侧，长度分别为10 cm、4 cm，裂缝根端的最大宽度为0.8 mm。而对于第10号轨枕，则其端部整体道床内出现的裂缝则较多，共有6根之多，主要原因是在施工过程中，整体道床的端模出现了跑模现象，对第10号轨枕端部的混凝土裂缝的产生影响较大。通过与第二幅作为普通对比的整体道床块的混凝土开裂情况进行对比分析可知，在整体道床产生八字形裂缝的初期，裂缝尚未开展到纵向钢筋部位时，增加纵向钢筋对控制裂缝产生的作用不大。

3 结 论

通过以上对整体道床试验结果进行分析，得出以下结论：

（1）整体道床施工阶段混凝土产生的裂缝，往往会在混凝土初凝阶段就开始，大约48 h内大部分裂缝就会出现，因此，这一阶段是裂缝控制的主要阶段。在整体道床施工过程中，应注意沿裂缝开展方向和垂直于裂缝开展方向均匀抹面，以消除由于抹面方向造成的整体道床八字形裂缝开展的影响。

（2）现阶段应用的轨枕角部会导致整体道床混凝土在这一部位产生应力集中，这是造成整体道床产生八字形裂缝的主要因素。因此，在今后的轨枕设计时，希望对这一构造进行改善，增设倒角或直接设计成圆端形轨枕。

（3）在轨枕端部的整体道床内增设U型筋或纵向钢筋，主要作用是当裂缝达到钢筋部位后，对裂缝的进一步开展产生控制作用。而对于裂缝尚未到达钢筋部位时作用则不大。

（4）由于试验的数量有限，虽然验证了导致整体道床裂缝出现的一些原因和控制裂缝发展的一些改进措施，但对于整体道床裂缝的进一步研究还是不够的，今后应该结合具体情况，开展更多的研究工作。

［1］ 吴 斌，张 勇，曾志平，等.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）：19－23.

［2］ 尹华拓.路基上CETSl型双块式无砟轨道裂缝及疲劳特性研究［D］.长沙：中南大学，2011.

［3］ 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.

［4］ 陈小平，曹 洋，赵卫华.轨道板损伤对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道力学特性的影响［J］.福州大学学报：自然科学版，2015，43（6）：821－827.

［5］ 王 青，卫 军，董荣珍，等.CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能分析［J］.铁道工程学报，2014（5）：41－47.

［6］ 朱长华，王保江，裘智辉，等.CRTS I型无砟轨道道床板裂缝成因分析及应对措施［J］.施工技术，2012，41（3）：77－79.

［7］ 陆达飞.双块式无砟轨道裂缝形式及控制标准研究［J］.铁道勘察，2011，37（3）：89－92.

［8］ 方树薇.北京地铁无砟轨道开裂机理及其对列车运营安全的影响研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［9］ 王 枢.高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板混凝土裂纹综合防治技术［J］.铁道建筑技术，2014（10）：122－125.

［10］ Xianxi T，Yanpeng Z，Xianzhou T，et al.Concrete crack control in monolithic concrete bed construction of high－speed railway in northwest area of China［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，405：3081－3085.

［11］ 杨永明.CRTSI型双块式无砟道床板裂缝成因分析及控制措施［J］.铁道标准设计，2015，59（4）：16－18.

［12］ 翟 超，唐新军，胡 全，等.早期养护方式对高性能混凝土塑性开裂的影响［J］.水利与建筑工程学报，2013，11（6）：90－93.

［13］ 陈伯靖，秦超红，周 建，等.大单元双块式无砟轨道温度特性分析［J］.铁道建筑，2013（2）：88－91.

［14］ 徐 浩，谢铠泽，陈 嵘，等.CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂及修补材料对轨道板的影响分析［J］.铁道标准设计，2012（7）：30－32.

［15］ 滕德巍.严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道养护维修技术研究［J］.铁道建筑，2013（8）：127－130.

［16］ 曾 红，杨 莉，李 川，等.大坝混凝土裂缝分布式光纤远程实时监测系统及工程应用［J］.水利与建筑工程学报，2015，13（4）：72－75.

Experimental Study on Crack Control at Concrete Construction Phase of Monolithic Track Bed

TANG Xianxi，ZHUO Haijin，HU Jinsen，YIN Yueyou
（School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China）

To study the crack resistance effect of concrete railway monolithic track bed at construction phase by different construction process and structures，an experimental study on crack resistance of monolithic track bed was conducted. The factors considered in the study are the concrete coating way of monolithic track bed at sleeper ends，rounded shape sleepers，adding U type reinforcements in monolithic track bed at sleeper ends，increasing the longitudinal reinforcements in monolithic track bed at sleeper ends.The results are：the concrete coating along the longitudinal monolithic track bed（perpendicular approximately to the direction of the splay crack development）could lead to an increase in the probability of crack；the round shaped sleepers could effectively reduce the probability of crack effectively；adding the U reinforcement and increasing the longitudinal reinforcement in monolithic track bed has little effect of crack control initial，but when the crack develops to the reinforced part，they are very important to control the crack’s further development.The research results has an important significance of concrete shrinkage crack control of monolithic track bed at concrete hardening stage.

monolithic track bed；crack control；concrete coating along the longitudinal monolithic track bed；round shaped sleeper；U type reinforcement；longitudinal reinforcement

U213.2

A

1672—1144（2016）05—0001—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.001

2016－05－10

2016－06－09

国家自然科学基金资助项目（51168030）

唐先习（1972—），男，山东济宁人，副教授，博士，主要从事大跨度桥梁施工与桥梁耐久性等方面的研究。E－mail：695913483@qq.com。