双块式无砟轨道连续道床板裂纹修复材料性能分析

・线路／路基・　双块式无砟轨道连续道床板裂纹修复材料性能分析　黄慧超，徐坤，任娟娟　６１００３１）　（西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都摘要：双块式无砟轨道在外界荷载作用下，连续道床板容易开裂形成裂纹，裂纹的产生会降低道床板的耐久性和　承载能力，影响双块式无砟轨道在服役期间的使用与安全性。当连续道床板出现裂纹时，应该采取措施来维持双　块无砟轨道的正常的使用和耐久度。基于有限单元法，建立合道床板贯通裂纹的双块式无砟轨道梁体模型，分析　最不利荷载作用时所适合的修补材料，以期为双块式道床板裂缝维修提供一定的理论基础。研究表明：不同宽度　裂纹对维修材料性能要求不同，随着裂纹宽度的增加，材料所受到的拉应力越小，越小宽度的裂缝对材料的延伸率　要求越高。　关键词：双块式无砟轨道；有限单元法；道床板裂纹；修复材料　中图分类号：Ｕ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９５４（２０１３）１２—００５０—０４　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｅｐａｉｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　Ｃｒａｃｋ　Ｒｅｐａｉｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｔｒａｃｋ　Ｓｌａｂ　ｏｆ　Ｂｉ．ｂｌｏｃｋ　Ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　Ｔｒａｃｋ　ＨＵＡＮＧ　Ｈｕｉ—ｃｈａｏ，ＸＵ　ｋｕｎ，ＲＥＮ　Ｊｕａｎ—ｊｕａｎ　（ＭＯＥ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ　ｏｆ　ｂｉ—ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｉｓ　ｌｉｋｅｌｙ　ｔｏ　ｃｒａｃｋ．Ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｗｉｌｌ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ．Ｓｔｉｌｌ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｍａｙ　ａｌｓｏ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｕｓａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉ—ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｅｒｖｉｃｅ．　Ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｒｅａｓｏｎ，ｗｈｅｎ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ａｐｐｅａｒｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ，ｓｏｍｅ　ｒｅｐａｉｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉ—ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｉｔｆｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａ　ｂｅａｍ—ｓｏｌｉｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｂｉ—ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔａｉｎｅｄ　ｓｏｍｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ—ｃｒａｃｋｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｒｅｐａｉｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｐａｉｒｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｌｏａｄｓ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｏｐｅ　ｏｆ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｅｓ　ｆｏｒ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｐａｉｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ　ｏｆ　ｂｉ－ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｓ：ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　Ｏｉｌ　ｒｅｐａｉｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ’Ｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒａｃｋ　ｗｉｄｔｈｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｗｉｄｔｈ．ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗｉｌｌ　ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｗｉｄｔｈ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｂｅｃｏｍｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｉ—ｂｌｏｃｋ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ；ｒｅｐａｉｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ　无砟轨道具有高平顺性，结构耐久性强，修补工作　量少的优势，是高速铁路轨道结构发展的主要趋势。　要影响。借助于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立含道床板　贯通裂纹的双块式无砟轨道梁体模型，分析最不利荷　载作用时所适合的修补材料，以期为双块式道床板裂　缝维修提供一定的理论基础。　１　概述　双块式无砟轨道是我国无砟轨道结构型式之一，随着　大量客运专线的建设，得到了越来越广泛的应用　。　虽然双块式无砟轨道作为纵连结构整体受力性能较　好，但是存在的问题之一是连续道床板容易产生大量　裂纹，为维护轨道结构的完整性和耐久性，道床板开裂　后必须及时维修，修复材料的性能对维修效果有着重　双块式无砟轨道在长期使用过程中承受列车荷　载、温度变化、基础变形及混凝土自身徐变和收缩的影　响容易产生裂纹，尤其是处于新老混凝土粘结面的轨　枕块和道床板处对外界荷载较为敏感，混凝土道床板　上的裂纹极易从此处发展，如图１所示。裂纹的产生　会降低道床板的耐久性、承载能力和抗渗能力，特别是　铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（１２）　收稿日期：２０１３—０６—２９：修回日期：２０１３—０７—２４　基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（２０１１Ｇ００２）　作者简介：黄慧超（１９９Ｏ一），男，硕士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇ２ｈｏｕ＠　１６３　ＣＯＹ［Ｉ。　５０　・线路／路基・　黄慧超，徐　坤，任娟娟一双块式无砟轨道连续道床板裂纹修复材料性能分析　时，材料弹性模量对材料所受拉应力大小的影响。由　图５可见，随着弹性模量的增大，维修材料所受纵向和　横向拉应力均随之增大，且材料所受横向拉应力几乎　呈线性增长；不同宽度裂纹时修复材料所受横向拉应　力大小变化不明显，拉应力值没有超过混凝土极限抗　拉强度２．３９　ＭＰａ。　轨道整体降温为２５℃时，裂纹宽度，即道床板贯通裂　纹修复后材料的宽度对修复材料受力的影响。　随着裂纹宽度增大，维修材料所受纵向和横向拉　应力随之减小，其中纵向应力减小的趋势比横向应力　减小趋势幅度大，裂纹宽度的变化对维修材料所受纵　向应力的影响较大。图５表示轨道整体降温为２５℃　罨　２２２２２２２２１遥蚕实豁　１１１１１ｌｌ　∞　加　ｍ　∞　舳　加　∞　０　ｌ　０００　２０００　３　０００　４　０００　５　０００　０　１　０００　２０００　３　０００　４　０００　５　０００　修复材料弹性模量／ＭＰａ　修复材料弹性模量／ＭＰａ　图５　材料拉应力随材料弹性模曩的变化　当降温２５℃时，０．２　ｍｍ宽的裂纹宜采用弹性模　量为１００　ＭＰａ的维修材料，０．３善　　ｍｍ宽的裂纹宜采用弹　尽颦葜葵　３　２　２　１　ｌ　０　考虑采用裂纹宽度分别为０．２、０．３、０．５　ｍｍ，维修　材料的弹性模量分别为１００、３００、５００　ＭＰａ时，计算结　果如表１～表３所示。　表１　材料弹性模量为１００　ＭＰａ、轨道降温５０℃时材料受力　性模量为１００～３００　ＭＰａ的维修材料，０．５　ｍｍ宽的裂　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　纹宜采用弹性模量为１００—５００　ＭＰａ的维修材料，１～　３　ｍｍ宽的裂纹宜采用弹性模量为１００～１　０００　ＭＰａ的　维修材料。　（２）按弹塑性材料分析维修材料的延伸率　计算表明，在无砟轨道整体降温５０℃时，维修材　料所受纵向和横向拉应力变化规律与轨道整体降温　２５℃工况类似。但是当轨道整体降温幅度达到５０℃　时，线弹性维修材料所受拉应力很大，最小拉应力也达　表２材料弹性模量为３００　ＭＰａ、轨道降温５０℃时材料受力　到３．３４９　ＭＰａ，当其与旧混凝土粘结后，容易使得裂纹　再次产生。因此，维修材料需要有一定的塑性和延伸　率，从而降低其拉应力。延伸率是描述材料塑性性能　的指标，其计算公式为艿＝Ａａ／ａｘ１Ｏ０％，其中ａ为裂纹　的原宽度，Ａａ为在荷载作用后裂纹宽度的增量。　假设材料拉应力达到１　ＭＰａ时屈服，即此时材料　塑性应变为０。当材料的粘结强度为１．５　ＭＰａ时，维　表３　材料弹性模量为５００　ＭＰａ、轨道降温５０℃时材料受力　修材料的本构关系如图６所示。由于裂纹宽度越大，　所需维修材料的塑性性能要求越低，计算分析时主要　考虑裂纹宽较小时弹塑性维修材料的性能。　图７～图８为轨道整体降温５０℃，裂纹宽度为　０．２　ｍｍ时维修材料的Ｍｉｓｅｓ应力和应变云图，可见维　修材料的最大应力和应变均出现在上表面，因此，维修　材料最先在表面破坏。考虑到无砟轨道的维修时间，　因此，需将维修材料的表干时间控制在２　ｈ之内。　当裂纹宽度为０．２　ｈｉｍ时，可考虑采用弹性模量　为１００　ＭＰａ的维修材料，若采用表面封闭方法维修，则　材料延伸率需达到３４３．５％，若采用灌注法进行维修，　０　０．５　１．０　１　５　２．０　２　５　３　０　则材料延伸率需达到２５４％。　当裂纹宽度为０．３　ｍｍ时，可考虑采用弹性模量　为１００～３００　ＭＰａ的维修材料，若采用表面封闭方法维　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（１２）　应变　图６道床板裂纹维修材料应力一应变曲线　５２　黄慧超，徐坤，任娟娟一双块式无砟轨道连续道床板裂纹修复材料性能分析　・线路／路基・　修，则材料延伸率需达到２２９％，若采用灌注法进行维　拉应力减小，表明裂纹宽度越大，所需维修材料的性能　要求越低。对于宽度为０．２～Ｏ．５　ｍｍ的裂纹，可考虑　弹性模量为１００～５００　ＭＰａ的塑性维修材料，且最小延　修，则１００　ＭＰａ的材料延伸率需达到１７１．５％，３００　ＭＰａ　的材料延伸率需达到１６５．４％。　当裂纹宽度为０．５　ｍｍ时，可考虑采用弹性模量　为１００—５００　ＭＰａ的维修材料，由于裂纹宽度较大，不　应仅仅进行表面封闭，应采用灌注法进行维修。弹性　模量为１００、３００、５００　ＭＰａ的维修材料需达到最小延伸　率分别为１０１．９％、１０１．４％、９８．５％。　伸率不低于９８％。为保证材料不会将混凝土拉裂，材　料所受拉应力应小于混凝土抗拉强度２．３９　ＭＰａ。　参考文献：　［１］　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．　［２］　林红松，刘学毅，周文．道床裂纹对无砟轨道振动的影响初探［Ｊ］．　铁道学报，２０１０，３２（６）：６７—７１．　［３］　刘振民，钱振地，张雷．双块式无砟轨道道床板混凝土裂缝的分析　与防治［Ｊ］．铁道建筑，２００７（６）：９９—１０１．　［４］　吴斌，张勇，曾志平，徐庆元，李平．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，　图７　裂纹宽度为０．２　ｍｍ时维修材料Ｍｉｓｅｓ应力云图　２０１１，８（１）：１９—２３．　［５］　陈学楚．现代维修理论［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０１０．　［６］　朱胜阳，蔡成标．温度和列车动荷载作用下双块式无砟轨道道床　板损伤特性研究［Ｊ］．中国铁道科学，２０１２，３３（１）：６—１２．　［７］　任娟娟，刘学毅，赵坪锐．连续道床板裂纹计算方法及影响因素　［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１０，４５（１）：３４～３８．　［８］　刘学毅，赵坪锐，杨荣山，王平．客运专线元砟轨道设计理论与方　法［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２０１０．　图８　裂纹宽度为０．２　ｍｍ时维修材料应变云图　［９］　朱胜阳，蔡成标．含裂纹的双块式无砟轨道道床垂向振动特性分　析［Ｊ］．铁道学报，２０１２，３４（８）：８２—８６．　［１０］赵坪锐，刘学毅连续道床板温度应力计算方法研究［Ｊ］．铁道标　４　结论　准设计，２００８（１０）：６—８．　［１１］崔国庆．双块式无砟轨道道床板裂缝控制研究［Ｊ］．铁道标准设　根据上述维修材料力学性能分析，可知不同裂纹　宽度所需维修材料的弹性模量和延伸率。当裂纹宽度　计．２０１０（１）：６６—６８．　［１２］Ｆｒａｎｋ　ＭｃＣｕｌｌｏｕ　Ｂ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｅｏｎｃｒｅｔｅ　ｐａｖｅｍｅｎｔｓ［Ｒ］．Ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｘａｓ　ａｔ　Ａｕｓｔｉｎ，２０００．　较小且深度小于临界扩展值时，需要具有较好延伸率　的修复材料对裂纹表面进行封闭处理，以避免空气和　水进入裂纹，防止钢筋锈蚀。随着裂纹宽度增大，材料　（上接第４９页）　［１３］王小明．ＣＲＴＳ　Ｉ型双块式无砟轨道施工质量通病及防治方法　［Ｊ］．铁道标准设计，２００９（Ｓ１）：２５—２７．　评估定量方法一以西安地铁为例［Ｊ］．地球科学与环境学报，　２００９（３）：２９１—２９４．　当然，仅以改建西安至安康铁路增建第二线的山　区铁路工程为例对综合量化评分方法进行的应用实　［６］　韩华，避保卫，朱国祥，孙ｈ楠．公路地质灾害危险性综合评估方　法探讨［Ｊ］．公路交通科技，２００５（ｓ２）．　践，所得出的结论也不一定具有普遍的适用性，随着各　地对半定量方法的实践应用和深入的理论研究，使地　质灾害危险性综合评估的依据更科学、规范。　参考文献：　［１］　中华人民共和国国土资源部．地质灾害危险性评估技术要求（试　行）［Ｓ］．北京：中华人民共和国国土资源部，２００４．　［２］　陕西省公路勘察设计院．阿（荣旗）北（海）西部大通道陕西境柞　水至小河段高速公路建设工程地质灾害危险性评估报告［Ｒ］．西　安：陕西省公路勘察设计院，２００４．　［３］　王国良．层次分析法在地质灾害危险性评估中的应用［Ｊ］．西部探　矿工程，２００６（９）：２８６—２８８．　［７］　负小苏，等．国家重大工程建设地质灾害危险性评估理论和实践　［Ｍ］．北京：地质出版社，２００８．　［８］　中铁第一勘察设计院集团有限公司．改建铁路西安至安康段增建　第二线工程地质灾害危险性评估报告［Ｒ］，西安：中铁第一勘察　设计院集团有限公司，２００７．　［９］铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册［Ｍ］．北京：中国铁道　出版社，１９９９．　［１０］邱成友．环境工程地质问题与铁路工程［Ｊ］．铁道标准设计，　１９９７（４）：２７—３０．　［１１］苗德海．宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策［Ｊ］．铁道标准设计，　２００７（７）：９６—９９．　［４］刘江波．建设项目地质灾害危险性评估分区定量方法研究［Ｄ］．　昆明：昆明理工大学，２００６．　［５］　邓亚虹，彭建兵，卢全中，林鸿州．地铁工程地质灾害危险性综合　［１２］罗元华，张梁，张业成．地质灾害风险评估方法［Ｍ］．北京：地质出　版社。１９８８．　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（１２）　５３