路基上拱變形對不同類型無砟軌道結構影響研究

王宇文

(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)

無砟軌道結構具有高穩定性、高耐久性以及高平順性的特點，因而在我國高速鐵路中廣泛應用，我國已開通運營的高速鐵路無砟軌道鋪設總長超過3.6萬鋪軌千米[1]。但當無砟軌道結構鋪設于基礎薄弱區域時，如嚴寒地區路基凍脹，路基中膨脹土上拱等，基礎變形將引起無砟軌道結構應力和平順性劣化，導致無砟軌道結構出現層間離縫或軌道板開裂，影響高速列車行車安全。

針對無砟軌道線下基礎變形，國內外學者開展了廣泛的研究。趙國堂等對基礎變形產生位置差異對變形傳遞及受力影響進行了對比，提出基礎變形分析模型的建議，并對路基凍脹變形下無砟軌道各結構層受力、變形及層間離縫進行了分析[2-3]。郭宇、何春燕等[4-5]利用彈性地基梁理論對層間無離縫情況下基礎變形與軌面平順性的映射關系解析算法進行了推導。蔡小培等[6-7]針對雙塊式以及CRTS Ⅰ型板式無砟軌道路基沉降及凍脹上拱問題，建立了梁-板-實體空間有限元模型，分析了沉降/凍脹波長以及幅值對無砟軌道變形以及層間離縫的影響規律。向俊等[8]基于有限單元法和混凝土塑性損傷模型，建立路基上單元板式無砟軌道結構分析模型，研究路基凍脹-融化-沉降循環作用下，無砟軌道結構的受力和變形特征以及傷損演化規律。徐新玉[9]分析嚴寒地區高速鐵路路基凍脹對CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構影響，討論了路基凍脹位置、凍脹波長和幅值對軌道變形及受力影響規律，綜合考慮底座板和基床表層的層間離縫和底座板混凝土拉應力限值，當路基凍脹波長為20 m時，建議凍脹限值為10 mm。線下基礎上拱對于無砟軌道結構變形和受力主要影響體現在軌道不平順、層間離縫以及軌道結構應力等方面，同時影響高速列車行車性能[10-11]。

目前我國高速鐵路無砟軌道包括CRTS雙塊式與CRTS Ⅰ型/Ⅱ/Ⅲ型板式無砟軌道結構四種型式，不同類型無砟軌道結構組成和構造有所差異，因而受力變形體系存在明顯區別。雙塊式與Ⅱ型板式無砟軌道結構為縱連式結構，而Ⅰ型板和Ⅲ型板為單元式結構，在基礎變形條件下無砟軌道結構力學狀態將有所不同。基礎上拱變形對無砟軌道結構幾何、受力均具有極其不利的影響，容易導致無砟軌道結構發生開裂，影響無砟軌道結構的安全服役性能。既有研究主要針對單一的軌道結構型式進行探討，且不同文獻中模型邊界條件與荷載邊界條件存在差異使得計算結果無法直接進行對比，基礎上拱變形對于不同類型無砟軌道結構的影響差異尚不清晰。因此有必要建立不同類型無砟軌道結構分析模型，研究基礎上拱變形條件下不同類型無砟軌道結構受力變形特征。

1 分析模型

分別建立不同類型無砟軌道結構模型，包括CRTS Ⅰ型雙塊式、CRTS Ⅰ型板式、CRTS Ⅱ型板式、CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構，如圖1所示。CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構模型由鋼軌、WJ-8扣件、軌枕、道床板、支承層和路基層組成；CRTS Ⅰ型板式無砟軌道結構模型由鋼軌、WJ-7扣件、軌道板、CA砂漿層、底座板和路基層組成；CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構模型由鋼軌、Vossloh300扣件、軌道板、砂漿充填層、支承層和路基層組成；CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構模型由鋼軌、WJ-8扣件、軌道板、自密實混凝土層、底座板和路基層組成。模型中各主要部件均采用8節點六面體單元進行模擬，預制軌道板或預制軌枕為C60混凝土，現澆道床板采用C40混凝土，模型參數參考文獻[7]。為了消除邊界條件的影響，模型總長120 m，其中Ⅰ型板和Ⅲ型板底座板長度為2塊軌道板的長度，底座板設置伸縮縫。采用內聚力單元模擬無砟軌道結構層間法向黏結作用，切向采用摩擦接觸，扣件系統采用彈簧模擬，并考慮縱向阻力的非線性。路基變形采用單波余弦上拱曲線表示，如式(1)所示：

(1)

其中，A為路基上拱變形的幅值；λ為路基上拱變形的波長；x為縱向位置。

運營實踐表明，高速鐵路路基基礎變形一般以長波為主，因此選擇20 m～100 m范圍內的上拱變形波長進行分析，上拱幅值根據上拱波長的不同而取值。對路基上拱變形條件下，不同無砟軌道結構變形特征，10 m弦高低不平順、層間離縫、結構應力進行分析，探明基礎上拱對不同類型無砟軌道結構的影響規律。

2 基礎上拱對無砟軌道結構幾何狀態影響

以20 m上拱波長為例，分析基礎變形對不同類型無砟軌道結構變形以及層間狀態的影響規律，然后再對比不同上拱波長之間的差異。對于單元式無砟軌道結構，為考慮層間狀態及結構受力的最不利工況，將路基上拱變形中心設置于軌道板中間位置。

在20 m上拱波長條件下，對于雙塊式無砟軌道結構，上拱量由5 mm增大至20 mm時，無砟軌道結構變形、不平順以及層間離縫如圖2所示。隨著上拱變形增大，軌道10 m弦高低最大值從2.4 mm增加到9.5 mm，道床板與支承層離縫較小，支承層與路基表層之間離縫值從0 mm增加到0.40 mm，層間離縫最大值處位于上拱波長兩端位置。

對于CRTS Ⅰ型板式無砟軌道結構，當上拱量由5 mm增大至20 mm時，軌道高低不平順最大值從2.5 mm至9.9 mm。軌道板與底座板離縫從0 mm增加到0.51 mm。由于底座板設置伸縮縫，底座板板長為兩塊軌道板的長度，底座板與基床表層之間離縫相對較小，隨著上拱幅值增大，底座板層間離縫從0.1 mm增加到0.17 mm。軌道板與底座板離縫量最大值處位于軌道板板端位置，底座板與基床表層離縫量最大值處位于上拱波長兩端位置，如圖3所示。

對于CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構，當上拱量由5 mm增大至20 mm時，軌道10 m弦高低不平順最大值從2.2 mm增加到8.9 mm；軌道板與支承層離縫從0 mm增加到0.04 mm，支承層與基床表層離縫從0 mm增加到0.35 mm；最大離縫量處位于上拱波長兩端位置，如圖4所示。

對于CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構，當上拱量由5 mm增大至20 mm時，軌道10 m弦高低不平順最大值從2.4 mm增加到9.5 mm；軌道板與底座板離縫從0.03 mm增加到0.54 mm，軌道板與底座板離縫量最大值處位于軌道板板端位置；底座板與基床表層間離縫從0.04 mm增加到0.40 mm，離縫量最大處位于底座板板端位置，如圖5所示。

對比四種無砟軌道結構幾何變形可知，在20 m基礎上拱波長條件下，縱連式無砟軌道結構高低不平順略低于單元式無砟軌道，即雙塊式和Ⅱ型板式無砟軌道高低不平順幅值小于Ⅰ型和Ⅲ型板式無砟軌道，其原因為單元式軌道結構存在板端上翹變形。由于雙塊式和Ⅱ型板均為縱連式，因而其道床板/軌道板與支承層之間層間離縫特征相似，Ⅰ型板和Ⅲ型板均為單元式，其軌道板與底座板離縫相似，但Ⅲ型板底座下離縫大于Ⅰ型板，其原因為Ⅰ型板式無砟軌道結構采用凸形擋臺限位結構，為Ⅲ型板采用凹槽限位結構。由于不同類型無砟軌道結構縱向受力體系的不同，縱連式無砟軌道層間離縫較小，單元式無砟軌道結構變形略大，層間離縫也有所增加。

3 基礎上拱對無砟軌道結構受力影響

以20 m上拱波長為例，分析基礎變形對不同類型無砟軌道結構應力的影響規律。對于雙塊式無砟軌道結構，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，鋼軌的最大拉應力從3.77 MPa增加到15.01 MPa；隨著上拱量的增加，道床板拉應力隨之增大，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，道床板最大拉應力從0.99 MPa增加到3.93 MPa，最大拉應力位于雙塊式軌枕之間，如圖6所示。道床板為C40混凝土材料，抗拉強度標準值為2.39 MPa。因此，當上拱幅值大于12 mm后道床板最大拉應力將超過限值。

對于CRTS Ⅰ型板式無砟軌道結構，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，軌道板最大拉應力從0.65 MPa增加到2.23 MPa，軌道板采用C60混凝土，其抗拉強度標準值為2.85 MPa，此時尚未達到限值。隨著上拱量的增加，底座板拉應力隨之增大，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，底座板最大拉應力從0.50 MPa增加到2.70 MPa，底座板為C40混凝土，此時已超過強度標準值，如圖7所示。

對于CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，軌道板最大拉應力從0.65 MPa增加到2.62 MPa，尚未達到C60混凝土強度標準值；而支撐層最大拉應力從0.69 MPa增加到3.37 MPa，已超過混凝土強度標準值，如圖8所示。

對于CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構，當上拱量從5 mm增加到20 mm時，軌道板最大拉應力從0.68 MPa增加到2.31 MPa；底座板最大拉應力從0.60 MPa增加到2.10 MPa，均在混凝土強度標準值范圍內，如圖9所示。

從結構受力特征來看，當路基發生上拱變形后，單元式無砟軌道結構應力水平低于縱連式無砟軌道，且Ⅲ型板式無砟軌道結構受力體系最優，能夠同時使得軌道板和底座板處于較低的應力水平。

隨著上拱波長的增大，無砟軌道結構各層之間變形更為協調，軌道不平順幅值、層間離縫以及結構應力水平均明顯降低，雙塊式無砟軌道結構層間離縫與道床板最大拉應力隨波長變化如圖10所示。

4 結論

為研究路基上拱變形對不同類型無砟軌道結構受力和變形的影響規律，分別建立CRTS Ⅰ型雙塊式和CRTS Ⅰ型/Ⅱ型/Ⅲ型板式無砟軌道結構有限元計算模型，分析路基上拱條件下無砟軌道結構變形、不平順、層間離縫以及結構應力特征，結果表明：

1)由于基礎上拱導致單元板式軌道結構存在板端上翹變形，因此縱連式無砟軌道結構高低不平順略低于單元式無砟軌道。兩種縱連式無砟軌道結構層間狀態相似，但Ⅰ型板和Ⅲ型板式無砟軌道結構由于限位方式的不同，使得Ⅲ型板式無砟軌道底座層間離縫大于Ⅰ型板。由于無砟軌道結構縱向約束體系的不同，路基上拱條件下縱連式無砟軌道層間離縫較小，而單元式無砟軌道結構變形和層間離縫略大。2)從結構受力特征來看，當路基發生上拱變形后，單元板式無砟軌道結構應力水平低于縱連式無砟軌道，且Ⅲ型板式無砟軌道結構受力體系最優，能夠同時使得軌道板和底座板處于較低的應力水平。3)隨著上拱變形波長的增大，無砟軌道結構變形更為協調，軌道不平順、層間離縫以及結構應力快速降低。