朱 浩,徐 浩,谢铠泽,王 平

(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)

CRTSⅡ型板式无砟轨道以其高平顺性、高平稳性和少维修性等优点在京津、京沪等高速铁路上广泛应用，水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)作为CRTSⅡ型板式无砟轨道关键结构层之一，起着支撑、调整、传力、承力以及隔振和减振的作用[1-3]。CA砂浆的工作性能直接影响到轨道结构的平顺性，列车运行的舒适性和安全性，由于无砟轨道是一种长期直接暴露于大气中的混凝土结构，除了承受列车荷载外，还承受日照、突然降温等温度荷载的作用，因此极易造成轨道板与CA砂浆层产生离缝[4]，即CA砂浆离缝。图1为某线路上CRTSⅡ型板式轨道的CA砂浆离缝现象。

图1 水泥乳化沥青砂浆层离缝

国内外研究者针对完好的CRTSⅡ型板式无砟轨道进行了大量的理论和试验研究，文献[5]专门对7块CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板进行了静载和疲劳试验研究，文献[6]建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道计算模型，分别研究了车辆荷载、温度荷载和路基不均匀沉降对板式轨道的影响，文献[7]针对桥上纵连板式轨道结构进行了相关参数研究，还有学者对路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道的动力特性及基础结构动应力分布规律进行了探索[8，9]，但关于CA砂浆劣化后CRTSII型板式轨道的受力研究相对较少，仅有少量关于单元板式砂浆劣化对板式轨道的影响研究[10]以及CRTSⅡ型板式轨道CA砂浆离缝的原因初探[11]。

本文以路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象，研究列车静载和温度荷载共同作用下CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式无砟轨道力学性能的影响，从而为CA砂浆离缝的养护维修提供一定的理论依据。

1 路基上CRTSⅡ型板式轨道CA砂浆离缝有限元模型

1.1 数值分析模型及参数

路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道由钢轨、扣件系统、预制轨道板、水泥乳化沥青调整层(CA砂浆)和支承层等部分组成[9]。根据弹性地基梁体理论与有限元方法，建立的路基上CRTSⅡ型板式轨道计算模型如图2所示。

图2 CRTSⅡ型板式无砟轨道计算模型

砂浆脱空区域非线性弹簧刚度

钢轨直接承受列车传来的压力、冲击和振动，将钢轨看作无限长点支承梁，采用铁木辛柯梁单元BEAM188模拟，钢轨采用CHN60新轨，轨距1.435 m，钢轨支点间距根据实际情况取0.65 m；钢轨与轨道板之间的扣件系统忽略其非线性因素，等效为线弹性，采用弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟，动刚度取为50 kN/mm；预制轨道板式轨道系统的主要承力构件，混凝土强度等级为C55，标准轨道板宽度为2.55 m，厚度为0.2 m，长度为6.45 m，由于轨道板纵向配置6根φ20 mm的精轧螺纹钢筋，保证轨道板的纵向连接，因此轨道板可看作是纵连结构；CA砂浆层考虑其线弹性，采用弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟，对于离缝区的水泥乳化沥青砂浆由于不再具有粘结力，将其模拟成单方向受力的非线性弹簧，如图3所示，图中u0为轨道板与砂浆层的离缝高度，u为CA砂浆的压缩量，f为作用于砂浆上的力，采用非线性弹簧-阻尼单元COMBIN39模拟，其刚度按CA砂浆的弹性模量7 GPa进行换算；路基地段的CRTSⅡ型板式轨道混凝土支承层按底面宽为3.25 m考虑，厚度0.3 m，其弹性模量也为7 GPa。混凝土的线膨胀系数为1×10-5/℃，弹性地基等效为线性弹簧，其刚度按支承面刚度75 MPa/m计算[12，13]，采用弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟。

图3 离缝区域非线性弹簧的力与位移关系

1.2 计算假定及荷载条件

计算过程中假定一旦CRTSⅡ型板式轨道轨道板与水泥乳化沥青砂浆之间产生离缝，即认为此处沿轨道板的宽度方向上均产生离缝，因此在计算过程中轨道板与水泥沥青砂浆层的离缝面积大小通过沿轨道板纵向的离缝长度表示。

计算中考虑列车和温度荷载的共同作用，轨道板与混凝土支承层的板边为自由边界，钢轨、轨道板、混凝土支承层的端部均约束纵、横向位移，模拟弹性地基的弹簧底部约束其3个方向的自由度，这样的边界条件下，模型无刚体位移，无多余约束，符合CRTSⅡ型板式无砟轨道的实际边界情况。列车荷载按单轴双轮300 kN考虑，温度荷载考虑上热下冷的正温度梯度和上冷下热的负温度梯度，其中正温度梯度90 ℃/m，负温度梯度取-45 ℃/m，并考虑轨道板的板厚修正系数[13]，取为1.05。

2 数值模拟结果及分析

研究表明在正温度梯度作用下轨道板发生板中部上拱变形，与CA砂浆脱离，而在负温度梯度作用下，板角发生上翘变形[13]，这都将造成轨道板与CA砂浆离缝加剧。着重探讨温度和列车荷载共同作用下CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的变形和受力的影响。

考虑到CA砂浆离缝对轨道结构的主要影响因素是CA砂浆离缝长度及离缝高度，因此，分析离缝高度为1 mm时，不同离缝长度(无离缝、离缝0.325、0.65、0.975、1.3、1.625、1.95、2.275 m和2.6 m)以及CA砂浆离缝长度1.95 m(3个扣件间距)时，不同离缝高度(无离缝、离缝0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mm和2 mm)对轨道结构受力和变形的影响。

2.1 有无离缝对比分析

计算中假定CA砂浆的离缝高度为1 mm、离缝长度为1.3 m时，在列车荷载和正温度梯度荷载共同作用下钢轨、轨道板、混凝土支承层的垂向位移曲线如图4所示(x为距模型左端的距离)。

图4 轨道结构各部件位移曲线

在列车荷载和温度荷载共同作用下，轨道结构的变形和受力最大值如表1所示。

表1 轨道系统各部件受力和变形最大值

从图4可以看出，当轨道板与水泥乳化沥青砂浆层产生离缝后，在列车荷载与正温度梯度的共同作用下钢轨和轨道板的位移均加剧，这是由于CA砂浆离缝的存在使轨道板下部支承作用减弱，从而造成钢轨、轨道板垂向位移增大；CA砂浆离缝同时也削弱了CA砂浆层的传力作用，从而使混凝土支承层的垂向位移减小，最终导致了轨道板与混凝土支承层的垂向相对位移增大。从表1可知，CA砂浆支承能力减弱也使得轨道板的纵向拉应力增大，当CA砂浆离缝长度达到1.3 m时，轨道板的纵向拉应力增加了41.33%，而轨道板横向上的拉应力稍有减小。另外，离缝区域附近的CA砂浆压应力从30.33 kPa增大到74.01 kPa，增大了2.44倍。

从表1还可以看出，当轨道板与CA砂浆产生离缝以后，由于负温度梯度荷载使轨道板产生向下的翘曲变形，列车荷载与负温度梯度作用下轨道系统各部件的垂向位移较列车荷载与正温度梯度共同作用下的大，但轨道板内的拉应力则较小，CA砂浆离缝对轨道结构的变形和受力均不利。

2.2 CA砂浆离缝长度的影响

不同离缝长度下，CA砂浆离缝区域正上方轨道结构的垂向位移和轨道结构受力最大值随离缝长度的变化情况分别如图5、图6所示。

从图5可知，在列车荷载和温度荷载共同作用下，钢轨和轨道板的垂向位移随着离缝长度的增大不断增大，由于CA砂浆离缝削弱了其传力作用，因此混凝土支承层的垂向位移随着离缝长度的增大而不断减小。在列车荷载和正温度梯度作用下，轨道板的垂向位移从0.397 mm增大到0.937 mm，增大了2.36倍，而在列车荷载和负温度梯度作用下，轨道板的垂向位移从0.571 mm增大到1.095 mm，增大了1.92倍。随CA砂浆离缝长度的增大，列车荷载和正温度梯度共同作用下轨道结构的变形与列车荷载和负温度梯度共同作用下轨道结构的变形差值逐渐变小，这说明当离缝长度增大到一定值以后，离缝长度相对荷载作用而言对轨道结构变形的影响程度较大。

图5 不同离缝长度下轨道各部件的垂向位移

图6 不同离缝长度下轨道结构的应力

从图6可知，列车荷载和温度荷载共同作用下，轨道内纵向拉应力随离缝长度不断增大，由于CA砂浆离缝的存在使轨道板的垂向位移不断加剧，轨道板的纵向应变也随之增大，从而轨道板底部的拉应力不断增大。轨道板横向拉应力则随着离缝长度的增大而减小，但CA砂浆层本身的压应力也随着离缝长度的增大不断增加，列车荷载和正温度梯度共同作用下，CA砂浆层的压应力从30.33 kPa增大到111.57 kPa，增大了3.68倍；在列车荷载和负温度梯度共同作用下，CA砂浆层的压应力从19.9 kPa增大到69.71 kPa，增大了3.50倍；从CA砂浆层的受力情况可知，CA砂浆离缝对其附近的CA砂浆层受力有较大影响，因此当CA砂浆离缝长度较大时，有可能造成水泥乳化沥青砂浆层损伤，甚至产生破坏，从而造成CA砂浆离缝长度进一步加大。

2.3 CA砂浆离缝高度的影响

假定轨道板与水泥乳化沥青砂浆层的离缝长度为1.95 m(3个扣件间距)时，列车荷载和温度梯度共同作用下，不同离缝高度对应的轨道结构变形和受力最大值如表2所示。

从表2可知，由于CA砂浆离缝的存在，削弱了水泥乳化沥青砂浆层的承载和传力能力，因此在列车和温度荷载共同作用下，钢轨的垂向位移、轨道板的垂向位移和轨道板纵向拉应力均随着CA砂浆离缝高度先增大后趋于定值，而混凝土支承层的垂向位移和轨道板横向拉应力则随着CA砂浆离缝高度先降低最后趋于定值。CRTSⅡ型板式轨道属于纵连结构，离缝区域两侧的轨道结构自身对离缝区的轨道结构就有一个约束作用，因此尽管CA砂浆离缝高度不断增大，由于轨道结构自身约束作用的存在，使得轨道结构的变形和受力最终都趋于一个定值，尽管对一定长度的CA砂浆离缝下，离缝高度对轨道结构的变形影响不大，但随着离缝高度的增大，列车荷载和正温度梯度共同作用下，CA砂浆层本身的压应力从30.33 kPa增大到97.33 kPa，增大了3.2倍；而在列车荷载和负温度梯度共同作用下，CA砂浆层的压应力从19.9 kPa增大到52.71 kPa，增大了2.65倍。由此可见，CA砂浆离缝高度对CA砂浆层的受力不利，随着离缝高度的增大，有可能造成离缝区域附近的水泥乳化沥青砂浆层进一步伤损甚至破碎，从而增大离缝的长度。

表2 轨道系统各部件受力和变形的最大值

2.4 讨论与分析

(1)在列车荷载和温度荷载共同作用下，轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝将加剧轨道结构的变形，同时增大轨道板的纵向拉应力和CA砂浆层本身的压应力，且列车荷载和负温度梯度作用下的结构变形较列车荷载和正温度梯度下大。例如在列车荷载和正温度梯度作用下，当CRTSⅡ型板式轨道完好时，轨道板的变形、纵向拉应力和CA砂浆层压应力分别为0.397 mm、2.277 MPa和30.33 kPa，而当离缝长度达到1.3 m时则分别为0.623 mm、3.218 MPa和74.01 kPa；而在列车荷载和负温度梯度作用下，轨道结构完好时轨道板的变形、纵向拉应力和CA砂浆层压应力分别为0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，而离缝长度达到1.3 m时则分别为0.628 mm、2.987 MPa和39.24 kPa。因此CA砂浆离缝对轨道结构的变形和受力均不利。

(2)随着离缝长度的增大，钢轨、轨道板的垂向变形、轨道板纵向拉应力及CA砂浆层压应力均随之增大。例如，在列车荷载和负温度梯度荷载作用下，对于完好的轨道结构，钢轨、轨道板的垂向变形、轨道板纵向拉应力及CA砂浆层压应力最大值分别为1.864、0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，当CA砂浆离缝长度达到2.6 m时，钢轨、轨道板的垂向变形、轨道板纵向拉应力及CA砂浆层压应力最大值增大为2.220、1.095 mm、4.731 MPa和69.71 kPa。可见随着离缝长度的增大，轨道结构变形和受力过大，会造成轨道几何形位劣化，甚至影响高速行车的安全性、舒适性和平稳性。

(3)CA砂浆离缝长度和高度增大，在列车荷载和温度荷载共同作用下，CA砂浆层的压应力随之增大，可能出现“CA砂浆离缝-应力增大-砂浆破损”的恶性循环，建议CRTSⅡ型板式无砟轨道在养护维修过程中应严格控制轨道板与CA砂浆离缝，并及时进行养护维修。

3 结论

基于弹性地基梁体理论，采用有限元方法分析了列车荷载和温度共同作用下CA砂浆离缝对轨道结构的影响，得到如下结论：

(1)轨道板与水泥乳化沥青砂浆层的离缝将加剧轨道结构的变形和受力，如在列车荷载和正温度梯度共同作用下，当离缝长度达到2.6 m时，轨道板的垂向位移从0.397 mm增大到0.937 mm，CA砂浆层的压应力从30.33 kPa增大到111.57 kPa，且随着CA砂浆离缝长度和高度的增加，轨道结构的变形和受力进一步加剧，且可能会形成“砂浆离缝—应力增大—砂浆破损”的恶性循环，最终导致轨道结构部件破坏，因此对于CA砂浆离缝应及时进行养护维修，以免轨道结构进一步损伤；

(2)当轨道板与水泥乳化沥青砂浆产生离缝后，在列车荷载作用下，轨道板不断拍打CA砂浆层，轨道结构变形过大有可能影响轨道的几何形位，从而降低高速列车运行的安全性、平稳性和舒适性，在今后的工作中将进一步研究CA砂浆离缝对列车运行舒适度的影响；

(3)考虑轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝对轨道结构的影响，建议在分析CA砂浆层离缝原因的基础上，对CRTSⅡ型板式轨道CA砂浆的劣化机理及劣化发展过程进行深入研究，以确定最佳的养护维修时机，并研发新的水泥乳化沥青砂浆材料，从而能快速修复伤损后的水泥乳化沥青砂浆层，同时能满足我国CRTSⅡ型板式轨道使用寿命要求的高质量、高耐久性的水泥乳化沥青砂浆。

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