雙塊式無砟軌道糾偏修復時道床板結(jié)構(gòu)受力變形行為研究*

劉 競，鄭新國，盧克明，張立彬，王 晨，潘 鋒，田 億

(1.中國鐵道科學研究院集團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任公司，山東 煙臺 265401；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州高鐵基礎設施段，甘肅 武威 733000； 4.中國鐵路烏魯木齊局集團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第四工程有限公司，天津 300450)

0 引言

由于復雜地質(zhì)環(huán)境、列車長期作用等原因，個別路基地段CRTS I型雙塊式無砟軌道結(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，對正常行車產(chǎn)生一定影響[2-3]，需利用天窗時間對產(chǎn)生偏移的無砟軌道結(jié)構(gòu)進行橫向頂推糾偏修復，以恢復軌道結(jié)構(gòu)平順性[4-7]。

路基段CRTS I型雙塊式無砟軌道是將預制的雙塊式軌枕，以現(xiàn)場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配碎石層對其的阻力，橫向頂推糾偏時所需的糾偏力較大，在進行頂推糾偏時，若控制不良，可能出現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)混凝土開裂或壓碎破壞問題；同時，雙塊式無砟軌道支承層與道床板組合的層狀軌道結(jié)構(gòu)特征也決定了在進行頂推糾偏過程中可能出現(xiàn)層間水平錯位損傷的風險。

為避免上述問題出現(xiàn)，依托中國鐵路總公司科研開發(fā)計劃課題(2017G002-D)支持，中國鐵道科學研究院集團有限公司系統(tǒng)研究了采取逐級加載、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型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏修復為工程依托，同時對糾偏過程中雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)中的道床板進行了應變規(guī)律測試，以研究橫向糾偏時雙塊式無砟軌道的受力演變行為，確保在滿足一定糾偏量的情況下，無砟軌道結(jié)構(gòu)受力合理并未受損開裂[11-12]，各層同步變形不發(fā)生錯動滑移。

1 試驗方案

1.1 試驗段情況

本試驗選取某客運專線一段47m長線路為測試對象，其中頂推糾偏段長27m。該段線路為路基段CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其支承層寬3 400mm、厚265mm，設計為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1道橫向假縫，深90mm、寬5mm。其道床板寬2 800mm、厚260mm，設計為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每19.5m為1個單元，單元與單元間設30mm伸縮縫(真縫)，通過7根傳力桿連接。道床板單元內(nèi)每隔3.9m設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。在頂推點處千斤頂與軌道間設置墊塊，確保道床板基本均勻承受糾偏頂推力。頂推試驗按不同頂推力值逐級加載，直至試驗段中間斷面最大糾偏量達20mm時停止加載。該段雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫向頂推試驗橫斷面如圖1a所示、平面如圖1b所示。

圖1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)頂推試驗橫斷面、平面及應變測點布置

1.3 應變測試系統(tǒng)

應變測試系統(tǒng)采用DH3816N靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。試驗采用連續(xù)采樣方式，采樣頻率為2Hz，試驗時記錄整個受力過程中軌道結(jié)構(gòu)應變。試驗采用的應變片型號為BX120-100AA，敏感柵尺寸為100mm(長)×3mm(寬)，電阻值為(120±0.2)Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%。

1.4 應變測點布置

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

1.5 測試內(nèi)容

無砟軌道結(jié)構(gòu)橫向頂推糾偏試驗時，通過千斤頂壓強表監(jiān)控各千斤頂?shù)耐椒旨夗斖疲煌ㄟ^全站儀、拉線位移傳感器測量逐級加載頂推時各千斤頂對應位置的橫向糾偏量；通過應變測試系統(tǒng)自動采集各測點應變時程曲線。

試驗時，從零開始逐級同步加載，同時連續(xù)采集各測點應變、觀察軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每加載至一級后穩(wěn)定千斤頂，待所有數(shù)據(jù)測量完畢后繼續(xù)加載。開始時按5MPa為公差逐級加載，當加載至>25MPa時減小公差并繼續(xù)逐級加載；當加載至最大33MPa，試驗段中間斷面軌道橫向糾偏量達20mm，此時停止加載。頂推糾偏過程中，連續(xù)測試并記錄整個過程中試驗段120個測點位置處道床板混凝土的應變時程曲線，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，其應變時程曲線如圖2所示。

圖2 頂推糾偏時軌道測點應變時程曲線

2 試驗結(jié)果分析

逐級加載頂推過程中，所測得的道床板左側(cè)DL06～DL76測點、道床板右側(cè)DR06～DR76測點位置處的混凝土應變?nèi)鐖D3所示。

圖3 逐級加載控制下道床板側(cè)面應變曲線

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

道床板混凝土所受最大拉應力為：

由以上兩式可看出，道床板混凝土實測最大拉、壓應力均小于道床板C40混凝土抗拉、壓強度標準值。這一點和現(xiàn)場觀察結(jié)果相吻合，頂推糾偏過程中未發(fā)生道床板混凝土開裂或壓碎破壞。

由圖3還可看出，道床板左側(cè)混凝土應變曲線呈現(xiàn)“M”形，道床板右側(cè)混凝土應變曲線呈現(xiàn)“W”形，且均存在明顯的拉、壓區(qū)域和反彎點。由此可見，試驗段道床板變形類似于連續(xù)梁彎曲變形。這說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。這一點也通過現(xiàn)場觀察和測量結(jié)果得到驗證。在頂推過程中，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，基本恢復到糾偏前寬度，未出現(xiàn)錯臺及破壞跡象。但值得注意的是，道床板右側(cè)混凝土應變曲線局部存在不平滑現(xiàn)象，經(jīng)分析認為道床板右側(cè)部分應力在伸縮縫及既有裂縫這些薄弱處得到釋放，導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)問題。

通過逐級加載控制直至最大糾偏量達20mm，在實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)橫向糾偏修復的同時軌道結(jié)構(gòu)未因施加較大的糾偏荷載而出現(xiàn)軌道混凝土開裂和壓碎破壞問題，軌道伸縮縫及既有裂縫處也未出現(xiàn)錯位破壞。

3 結(jié)語

1)通過逐級加載控制，在最大糾偏量20mm的情況下，雙塊式無砟軌道道床板產(chǎn)生最大拉、壓應力均未超過混凝土的極限拉、壓應力，糾偏修復不會造成無砟軌道混凝土產(chǎn)生開裂或壓碎破壞。

2)橫向頂推時，無砟軌道道床板應變曲線均呈“M”和“W”形，類似于連續(xù)梁的彎曲變形，有明顯的受拉區(qū)、受彎區(qū)及反彎點；糾偏結(jié)束卸載后，該部分變化量基本恢復，即頂推糾偏不會造成無砟軌道結(jié)構(gòu)在既有裂縫和伸縮縫等薄弱處進一步破壞。

3)通過采取逐級加載控制，在確保軌道結(jié)構(gòu)不受損情況下，實現(xiàn)對無砟軌道結(jié)構(gòu)的橫向頂推糾偏。