CRTSⅡ型板砂浆层的常见劣化现象及其对轨道结构的影响分析

汪 力，王 平，吴仁义

(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型板式无砟轨道结构［1］CA砂浆调整层是CRTSⅡ型板式无砟轨道结构系统的重要组成部分，起到支撑和调整、承力和传力以及隔振和减震等作用［2］。然而，由于施工质量的不易控制以及运营过程中的多种荷载效应等原因，许多地段的CA砂浆调整层均遭遇到不同程度的劣化甚至破损。在考察石武客运专线及部分遂渝线沿线砂浆层劣化情况的基础上，以有限元分析软件为工具，来分析预测CA砂浆调整层的劣化伤损对轨道板的影响，并提出了合理的建议。

1 CA砂浆调整层的3种常见劣化现象

前期的不良施工质量加上后期的列车荷载，CA砂浆层的寿命将大幅下降，过早出现各种劣化现象，其中常见的劣化现象主要有以下3种。

1.1 砂浆层边缘碎裂，甚至严重开裂与脱落

如图1所示，CRTSⅡ型板的砂浆层与CRTSⅠ型板不同，它不是装入砂浆袋中，而是直接暴露在空气中。在各种因素的耦合作用下，线路运营久了以后，便出现了边缘碎裂脱落的劣化现象。目前认为产生这种劣化现象的原因是，砂浆凝固后其与底座板的黏结力大于与轨道板的黏结力，而且轨道板在荷载作用下易发生翘曲等变形，使得砂浆层与轨道板在边缘处易产生初期的脱粘［3］。砂浆层在与轨道板初期脱粘以后，在雨水的侵入以及列车荷载等等因素的耦合作用下，砂浆层从边缘往里继续劣化，便出现如图1所示的边缘碎裂，甚至严重开裂与脱落现象。本文后续将采用有限单元法，并用计算机仿真模拟这种劣化现象，并揭示其危害性。

图1 砂浆层边缘碎裂脱落

1.2 砂浆层局部甚至大面积碎裂，导致轨道板支撑不均

砂浆在灌注时，如果底座板没有润湿或者润湿不充分，都会产生如图2所示的贯穿孔，这样的贯穿孔虽然不大，但是它将是砂浆层局部甚至大面积碎裂的原因和开始。另外，砂浆在灌注时，如果灌注速度太快，导致排气不及时，将在砂浆表层产生较大的气泡，这样的气泡在砂浆凝固后将是砂浆层与轨道板间的巨大空洞。

图2 砂浆灌注孔和砂浆凝固后其上表面大气泡状空洞

1.3 整个砂浆层与轨道板界面脱离，界面黏结力几乎完全丧失，形成轨道板脱空

如图3所示，砂浆层外表看去并没有明显的劣化现象，但是实际上砂浆层已经与轨道板在两者的界面处出现了离缝，即两者脱粘开来，界面黏结力几乎完全丧失，形成轨道板脱空。目前认为这种劣化现象是因为轨道结构存在温度梯度和升降温循环作用以及路基不均匀沉降等原因［4］引起。即使砂浆层强度达到标准，且整体性保持较好，但是如果出现路基不均匀沉降以及温度力使得轨道板产生翘曲等变形，砂浆层与轨道板也可能出现脱粘，形成轨道板脱空。

图3 轨道板与砂浆层间界面脱离形成轨道板脱空

2 CA砂浆层劣化对轨道结构的影响分析

2.1 计算模型及工况说明

本文主要分析上述劣化现象中的CA砂浆层边缘碎裂脱落及CA砂浆层沿线路纵向长距离脱空两种劣化现象分别对轨道板的受力和变形情况以及对轨道结构振动模态的影响。

其中轨道板的受力和变形情况分析时采用的“梁－板－板”模型，因为轨道板和底座板在尺寸上更接近于板，故两者均采用板壳单元。而在轨道结构振动模态分析时，则采用的是3D有限元实体模型，钢轨、轨道板、底座板均采用实体单元［5］。在纵向长度方面，为了尽可能消除边缘效应，梁板模型采用的是3块板长，而模态分析的实体模型长度则采用了8块板长，并且线路两端路基上，钢轨各延伸50 m长度进行计算［6］。

图4 分析轨道板受力和变形时的“梁－板－板”模型和分析模态时的实体模型

由于需要充分考虑砂浆层劣化的危害，故计算时采取了较不利的荷载工况。分析砂浆层边缘碎裂脱落的危害时，采用的是ZK活载静载，而轨道板模态分析时，认为轨道板脱空距离是轨道板连续脱空，即轨道板与砂浆层在脱空距离内没有任何接触，两者的离缝是连续的。其他相关计算参数见表1。

表1 模型相关计算参数

2.2 砂浆层边缘碎裂脱落对轨道板的静态影响分析

砂浆层初期裂纹的进一步发展将出现砂浆层边缘碎裂，并逐渐脱落。砂浆层脱落后，将使内部砂浆层逐步暴露，砂浆层与轨道板的粘黏面积开始减小。砂浆层对轨道板的约束作用将随着砂浆层劣化面积的增大而逐步减弱。

图5是模拟砂浆层边缘从0 cm劣化到20 cm过程中，轨道板所承受的横向弯矩的变化情况。

从图5可以看出，随着砂浆层边缘劣化程度的加剧，轨道板所承受的横向弯矩越来越不利。尽管最大弯矩值并没有太大变化，但是可以清晰地看到，轨道板边缘所受的弯矩值在逐步增大，且不利弯矩范围在逐步扩大。

图5 砂浆层边缘劣化后轨道板的横向弯矩云图

图6是砂浆层边缘劣化后的最大主应力值，通过研究最大主应力值可以判断材料的使用状态。

从图6可以看出，劣化后的砂浆层边缘的最大主应力已经达到了近1 MPa。实验室测得，CRTSⅡ型板CA砂浆在常温下的抗压强度为10～20 MPa［7］。实际工程中的不良施工往往造成CA砂浆强度的下降，甚至不到10 MPa［8］。可想而知，一旦砂浆层边缘开始劣化，那么砂浆层的劣化将更加容易，劣化速度不断加快，进而导致轨道板的受力不均，出现开裂，甚至导致整个轨道结构的损坏。

图6 各种劣化程度下砂浆层劣化后边缘的最大主应力

图7显示的是各种劣化程度下轨道板两侧边缘竖向位移，从图7可以看出，总体上轨道板边缘并没有太大位移，不过随着砂浆层边缘劣化程度的加剧，轨道板边缘的竖向位移还是在不断扩大，这对轨道不平顺状态会有不利影响。

图7 轨道板两侧边缘竖向位移

综上，砂浆层边缘劣化对轨道板的静态影响不容乐观。边缘劣化碎裂脱落后，轨道板的弯矩分布越来越不利，进而导致砂浆层边缘的最大主应力值增大，这样一来，砂浆层边缘会更加容易劣化，大大加快砂浆层劣化的速度。此外，砂浆层边缘劣化还会对轨道板的竖向位移造成一定影响，进而影响到轨道的平顺性和行车的安全性。所以应该及时对劣化的砂浆层边缘进行修补。

2.3 砂浆层与轨道板界面脱离，形成轨道板脱空

砂浆层与轨道板界面脱离形成轨道板脱空后，砂浆层对轨道板的黏聚力将不复存在，轨道板将在纵向、横向以及竖向上均失去重要约束。这对轨道板的运营状态是十分不利的，在正温度梯度下，轨道板中部会上拱，而在负温度梯度下，轨道板会发生翘曲变形［9］，本文则主要关心轨道板的振动模态会有什么样的变化。

有关研究表明，结构的基频对结构模态的影响相对高频较大，一般而言取其前20阶模态作为分析目标较为普遍［10］。本文针对性地提取轨道结构的前25阶自振频率进行对比分析，实体模型计算出的轨道结构在不同脱空程度下的自振频率如图8所示。

图8 各种脱空长度下的轨道结构自振频率

从图8可以看出，砂浆层与轨道板的脱空对轨道结构的自振频率影响很明显。随着脱空长度的增加，轨道结构每一阶的自振频率都在逐渐下降，尤其是当脱空长度大于12 m时，轨道结构的低阶频率突然下降很多。这是很不利的，因为桥梁等结构的自振频率一般较轨道结构低，当轨道结构频率下降时，就增大了与桥梁等结构的共振可能［11］。

值得一提的是，当脱空长度大于12 m时，轨道结构的低阶频率尤其是前两阶频率下降很多，已经有些失真。出现这种情况，一方面跟计算软件的算法有一定关系，另一方面主要是因为当轨道板与砂浆层界面脱空达到一定程度后，轨道板与砂浆层各自均失去了较大的重要约束，轨道结构的整体刚度已经大幅下降，出现了质的变化。而轨道结构的自振频率与其刚度有很大关系，于是其自振频率发生了较大变化。

图9和图10是未脱空和脱空20 m两种情况下轨道板的典型振动形态。因篇幅所限，本文只列举出这未脱空和脱空20 m这两种情况下轨道板的6阶和7阶的振动形态。对比可以发现，当砂浆层与轨道板间界面发生脱离后，轨道板的低阶振动形态已经由正常情况变为基本只剩平动了，这是因为脱空后，砂浆层对轨道板的黏结力几乎丧失，轨道板的约束已经大大减弱。

图9 未脱空时轨道板的典型振动形态

图10 脱空长度20 m时轨道板的典型振动形态

3 结论和建议

(1)总体上看，CA砂浆调整层的劣化对轨道板乃至整个轨道结构的危害不可小视，应严格控制CA砂浆调整层的施工质量，加强对运营过程中CA砂浆层状态的监视，并采取有效措施及时对劣化的CA砂浆层进行修补。

(2)CA砂浆层边缘劣化越深，轨道板边缘所受的横向弯矩越大，不利弯矩的范围越来越大，弯矩分布越来越不利，轨道板边缘的竖向位移也有所增大。而且劣化越深，砂浆层边缘的最大主应力值越大，使得砂浆层劣化速度将加快。建议对边缘劣化较浅的地段采用水泥砂浆等进行涂抹，起到一定的保护作用，防止进一步劣化。而对于劣化较深的地段则要采取其他诸如树脂类的材料进行填补与修复，不仅要防止进一步劣化，而且还要起到一定的承载作用。

(3)随着CA砂浆层与轨道板界面脱空长度的增大，轨道结构的自振频率将逐步降低，尤其是低阶频率在脱空长度大于12 m后会突然下降，与桥梁等结构发生共振的可能大大增加。而且，脱空后，轨道板纵向和横向以及竖向均已失去重要约束，其振动形态已经完全不正常了。建议向砂浆层与轨道板脱空界面缝中注射诸如树脂类的材料，使砂浆层与轨道板间恢复一定的黏结力，有效减小脱空长度，增加安全性。

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