高温荷载下高速铁路无砟轨道线间封闭层检算与分析

阮庆伍

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 无砟轨道线间封闭层研究

我国高速铁路无砟轨道正线一般为双线结构，无砟轨道线间需要用C25素混凝土进行填充封闭并做防水处理。近年来，在高温季节无砟轨道线路特别是路基地段线间及路肩封闭层发生多次拱起，分析原因主要是封闭层伸缩缝间距过大或存在假伸缩缝，在夏季高温季节发生失稳所致。

调研表明，对无砟轨道高温病害研究较多，但尚未发现对无砟轨道线间封闭层相关研究的报道，为了从源头上控制封闭层发生病害，防止其对行车安全造成影响，需对封闭层厚度、伸缩缝间距设置等进行深入研究分析，以期为设计、施工和运营维护提供参考。

考虑线间封闭层与下层级配碎石离缝先于拱起发生，参考北京交通大学赵磊博士论文《高速铁路无砟轨道空间精细化分析方法及其应用研究》[1]中混凝土与级配碎石基床间粘结性能试验，采用路基弹簧模拟级配碎石层，取单位面积路基弹簧纵横向刚度为1 000 kN/mm，当封闭层底面与级配碎石层错移超过0.62 mm时，视为二者发生脱粘，即产生离缝。

2 有限元模型和计算工况

基于无砟轨道通用图：通线[2018]2331和通线[2018]2351-II，建立路基上封闭层有限元分析模型。为简化计算，截取横截面为0.3 m×0.3 m的连续底座作为分析边界，其与封闭层界面处仅存在摩擦作用，摩擦系数取0.3。基本工况取3块封闭层分析，模型总长度14.98 m，封闭层长宽厚分别为4.98 m、1.9 m，0.1 m，伸缩缝宽度20 mm。封闭层和底座下表面均采用路基弹簧连接，垂向刚度取76 MPa/m，底座截断处采用固定约束。计算工况包括升温10 ℃、20 ℃、30 ℃、45 ℃，伸缩缝间距2 m、3.0 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、6.5 m、8.0 m，封闭层厚度0.08 m、0.10 m、0.12 m、0.15 m。

3 不同升温幅度下的分析

基本工况下，仅对封闭层施加不同升温荷载，计算结果如表1、图1所示。

图1 不同升温幅度下封闭层纵向位移

表1 不同升温幅度下封闭层纵向受力、变形

由表1可知，随着升温幅度增大，封闭层纵向受力和变形随之增大，其最大纵向拉压应力分别达1.077 MPa、11.2 MPa，均小于其材料强度[2]设计值1.27 MPa、11.9 MPa，封闭层上表面最大位移小于伸缩缝宽度20 mm。

由图1可知，随着升温幅度增大，封闭层下底面最大纵向变形随之增大，升温45 ℃时，封闭层下底面最大纵向位移小于0.62 mm，封闭层未脱粘，层间无离缝产生。封闭层宽厚分别为1.9 m、0.1 m，伸缩缝间距5 m可以满足设计要求。

4 不同伸缩缝间距下的分析

基本工况下，升温45 ℃，不同伸缩缝间距下，计算结果如表2、图2所示。

表2 不同伸缩缝间距下封闭层纵向受力、变形

图2 不同伸缩缝间距下封闭层纵向位移

由表2可知，随着伸缩缝间距增大，封闭层最大纵向拉应力总体变化不大，最大纵向压应力和位移随之增大。当封闭层长度超过5.6 m时，封闭层最大纵向压应力超过其材料抗压强度设计值11.9 MPa。

由图2可知，当伸缩缝间距超过5 m时，封闭层两端下底面由于纵向位移超过0.62 mm将与级配碎石层发生脱粘，当封闭层长度达到6.5 m时，单块封闭层一侧脱粘长度0.11 m，当封闭层长度达到8 m时，单块封闭层一侧脱粘长度0.13 m；升温45 ℃，伸缩缝间距不应超过5 m。

5 不同封闭层厚度下的分析

基本工况下，升温45 ℃，不同封闭层厚度下，计算结果如表3、图3所示。

由表3可知，随着封闭层厚度增大，封闭层最大纵向受力随之减小，纵向变形随之增大；封闭层厚度0.08 m时，最大压应力达11.83 MPa，接近其材料抗压强度设计值11.9 MPa，封闭层厚度不宜小于0.08 m。

表3 不同封闭层厚度下封闭层纵向受力、变形

由图3可知，当封闭层厚度超过0.12 m时，纵向位移超过0.62 mm，分析原因主要是因为封闭层变厚时，垂向变形增大，考虑泊松比，纵向位移也会随之增大。在实际工程设计中，若封闭层纵向位移检算结果的富裕度较大时，可以考虑通过增大封闭层厚度，以改善其受力状态。

图3 不同封闭层厚度下封闭层纵向位移

6 结论与建议

(1)升温45 ℃，伸缩缝间距为5 m，封闭层宽厚分别为1.9 m、0.1 m时，封闭层受力变形基本满足设计要求，伸缩缝间距设置基本合理。

(2)升温45 ℃，为防止封闭层与级配碎石脱粘，封闭层长度不宜超过5 m，当封闭层设置长度超过5 m时，应结合当地实际气温和施工时气温条件，另外进行检算。

(3)升温45 ℃，伸缩缝间距为5 m，封闭层宽度1.9 m时，封闭层厚度不宜小于0.08 m；在实际工程设计中，若封闭层下底面纵向位移检算结果的富裕度较大时，可以考虑通过增大封闭层厚度，以改善其受力状态。

(4)封闭层施工温度决定其初始应力状态，施工人员应控制施工温度和时机，以减小温度荷载的最大升幅；同时对级配碎石层进行一定的处理，以防止级配碎石层对封闭层约束作用进一步减弱。