路基上CRTSⅡ型板式轨道纠偏作业损伤扩展规律

许玉德， 严道斌， 邱俊兴， 徐伟昌

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；3.深圳市城市交通规划设计研究中心，深圳 518021；4.中国铁路上海局集团有限公司上海高铁维修段，上海 200439)

板式无砟轨道具有高稳定的特点[1]，是我国高速铁路主要采用的轨道结构形式，中国铁路轨道系统(CRTS)Ⅱ型板式无砟轨道在京津城际、京沪高铁、沪杭高铁上广泛使用.随着运营时间的增加，无砟轨道结构的病害损伤逐渐累积，养护维修困难的问题也日益凸显.

路基的不均匀沉降和轨道结构偏移是常见的病害[2-3]，会对行车安全产生直接影响.调整扣件是常用的整治方式之一[4]，但当结构偏移量超出扣件调整量时，扣件调整方式受到限制.养护维修部门通过长期的现场实践，摸索出了一套板式无砟轨道抬升纠偏技术，对路基上CRTSⅡ型板式轨道偏移的整治通常采用“注浆抬升纠偏法”[5-7].

现场调研表明，待纠偏区段通常存在其他结构病害，板式轨道的层间病害损伤较为常见，工务部门特别反映轨道板-宽窄接缝离缝、轨道板-砂浆层离缝、支承层裂纹等病害在纠偏作业中易出现加剧趋势.纠偏作业中这些损伤的扩展规律如何，如何保证损伤不发生进一步扩展，是关系到纠偏作业能否顺利进行的重要问题.因此，本文基于注浆抬升纠偏工艺，建立路基上CRTSⅡ型板式轨道有限元模型，研究轨道板-宽窄接缝离缝、轨道板-砂浆层离缝、支承层裂纹在纠偏作业中的扩展规律，以期为优化纠偏作业工艺提供指导，减少纠偏作业对轨道结构的破坏.

1 注浆抬升纠偏作业模型化

1.1 注浆抬升纠偏工艺

文献[6-7]详细阐述了CRTSⅡ型板式无砟轨道注浆抬升纠偏工艺，其基本原理是：通过注浆孔向支承层底部注入解粘剂，解除支承层与级配碎石间的约束；然后采用机械顶推的方式横向纠偏到位；再将高聚物注浆材料注入支承层底部，利用其注浆压力和浆体膨胀特性对上部轨道结构进行可控的抬升.

1.2 纠偏作业有限元模型

如图1所示，按照CRTSⅡ型板式轨道结构的实际尺寸建立空间三维模型.由于待纠偏区段的扣件在作业前已松开，因此纠偏作业不受钢轨和扣件系统的影响，因此建模仅考虑轨道下部结构，从上至下依次为轨道板、砂浆层、支承层、路基，各部件结构尺寸及材料属性见表1.模型中各部件均以C3D8R实体单元模拟，材料采用线弹性本构模型.需要说明的是，为避免边界效应影响，建立的是含有九块轨道板的模型，对模型的两端及底部施加固定约束，仅对最中间的轨道板、砂浆层、支承层进行分析.

图1 CRTSⅡ型板式轨道有限元模型

本文以内聚力模型[8-10]模拟轨道板-宽窄接缝、轨道板-砂浆层的层间接触，内聚力参数参考文献[8]，以双线性张力位移法则描述各粘结界面处内聚力单元的法向与切向张力-位移关系，法向内聚强度1.792 MPa，界面刚度708.485 MPa·mm-1，临界断裂能0.025 2 mJ·mm-2；切向内聚强度0.956 MPa，界面刚度63.039 MPa·mm-1，临界断裂能0.018 mJ·mm-2.砂浆层-支承层的层间接触则采用摩擦接触.

表1 结构尺寸及材料属性

根据注浆抬升纠偏工艺，仅对中间三块轨道板进行横向顶推纠偏，采用位移控制的加载方式.如图2所示，每隔2 m布置一个顶推机械(通常为千斤顶)，在千斤顶与支承层间布置一块300 mm×300 mm的钢板防止应力集中.为简化模型计算，将支承层上作用的力看作在钢板区域内作用的均布力.

图2 顶推机械布置

2 轨道板宽窄接缝离缝扩展规律

轨道板-宽窄接缝的粘结界面因开裂而形成离缝[11]，离缝宽度通常在0.1～2.0 mm之间，最宽可达3.0 mm.利用有限元软件中的“生死单元”功能模拟轨道板-宽窄接缝的层间离缝，离缝宽度取为1.0 mm，假定离缝均为横向贯通离缝，针对不同的离缝位置分别展开分析.

2.1 宽接缝离缝

如图3所示，分别为未出现离缝、单侧宽接缝离缝、双侧宽接缝离缝、单侧宽接缝与横向界面离缝、双侧宽接缝与横向界面离缝5种工况.定义每一工况中未出现离缝的粘结界面为剩余粘结界面.

a 未出现离缝

b 单侧宽接缝离缝

c 双侧宽接缝离缝

d 单侧宽接缝与横向界面离缝

e 双侧宽接缝与横向界面离缝

对每一工况计算在0～0.8 MPa顶推压力作用下剩余粘结界面的损伤深度，结果如图4所示.

图4 宽接缝离缝剩余粘结界面的损伤深度

Fig.4 Damage depth of remaining bonding interface with wide joint separation

定义即将出现损伤时对应的顶推压力称为损伤临界顶推压力.对于未出现离缝的轨道板-宽窄接缝粘结界面，损伤临界顶推压力为0.5 MPa；存在离缝的粘结界面，单侧与双侧离缝的剩余损伤临界顶推压力均为0.35 MPa，离缝的出现使得剩余粘结界面抵抗损伤的能力减弱.当存在横向界面离缝时，单侧与双侧离缝的损伤临界顶推压力均降至0.25 MPa，横向界面离缝使得剩余粘结界面抵抗损伤的能力进一步减弱.随着顶推压力的增大，损伤深度呈现递增的规律.

2.2 窄接缝离缝

如图5所示，分别为单侧窄接缝离缝、双侧窄接缝离缝、单侧窄接缝与横向界面离缝、双侧窄接缝与横向界面离缝4种工况示意图.

a 单侧窄接缝离缝

b 双侧窄接缝离缝

c 单侧窄接缝与横向界面离缝

d 双侧窄接缝与横向界面离缝

对每一工况计算在0～0.8 MPa顶推压力作用下剩余粘结界面的损伤深度，结果如图6所示.

对于未出现离缝的轨道板-宽窄接缝粘结界面，损伤临界顶推压力为0.5 MPa；存在离缝的剩余粘结界面，单侧离缝的损伤临界顶推压力为0.3 MPa，双侧离缝的损伤临界顶推压力为0.4 MPa，单侧窄接缝离缝使剩余粘结界面抵抗损伤能力减弱的程度要大于双侧窄接缝离缝.随着顶推压力的增大，损伤深度呈现递增的规律.

图6 窄接缝离缝剩余粘结界面的损伤深度

Fig.6 Damage depth of remaining bonding interface with narrow joint separation

在相同顶推压力作用下，单侧离缝的损伤发展速率要高于双侧离缝，出现横向界面离缝时同样呈现相同的规律.以宽接缝离缝为例说明，单侧离缝时，窄接缝左右两侧受力不均匀，左侧宽接缝损伤主要集中于上部区域，而右侧主要集中于下部；由于损伤分布较为集中，随着顶推压力的不断增大，损伤区域快速发展.相反，当双侧宽接缝均出现离缝时，左右两侧窄接缝受力较为均匀，所以与单侧宽接缝离缝相比，损伤区域发展速率较为缓慢.

定义轨道板-宽窄接缝粘结界面即将出现开裂时的纠偏位移为开裂临界纠偏位移，以上共9种工况的开裂临界纠偏位移结果,见表2.

表2 剩余粘结界面开裂临界纠偏位移

当粘结界面完好时，宽窄接缝的开裂临界纠偏位移为1.94 mm，此时顶推压力为0.70 MPa.当出现宽接缝单侧或双侧离缝时，开裂临界纠偏位移上升至2.12、2.30 mm，对应的顶推压力为0.75、0.80 MPa，这表明存在宽接缝离缝时，剩余粘结界面抵抗开裂的能力反而上升了；当出现窄接缝单侧或双侧离缝，剩余粘结界面抵抗开裂的能力略微下降.

当出现横向界面离缝时，宽、窄接缝抵抗开裂的能力都大幅下降.以宽接缝单侧接缝、单侧接缝与横向界面离缝为例，单侧接缝离缝的开裂临界纠偏位移为2.12 mm，对应顶推压力0.75 MPa，而出现横向界面离缝时，开裂临界纠偏位移下降至1.09 mm，下降率达48.6%，对应顶推压力下降至0.45 MPa，下降率达40.0%.

2.3 宽窄接缝粘结界面强度

轨道板-宽窄接缝的层间接触的实质是新、老混凝土的接触，研究表明，新、老混凝土的粘结强度为整浇混凝土强度的60%～80%，在轨道板-宽窄接缝间的粘结界面损伤之后，粘结界面强度与新筑时的强度相比有所下降.在完好的宽窄接缝条件下，取粘结界面强度为C55混凝土强度的60%、50%、40%和30%，分析不同粘结界面强度下纠偏作业损伤的扩展规律，结果如图7所示.

随着粘结界面强度的减小，损伤临界顶推压力呈现递减的规律，粘结界面强度每下降10%，临界顶推压力随着下降0.1 MPa.随着顶推压力的增大，损伤深度呈现递增的规律，4种粘结强度下损伤的演变规律接近.

3 轨道板砂浆层离缝扩展规律

轨道板-砂浆层离缝[12]是轨道结构常见的病害损伤之一，选取板边离缝进行研究，假定离缝均为横向贯通离缝.由于重力作用，离缝区域的轨道板与砂浆层还存在摩擦作用；未出现离缝的区域，轨道板与砂浆层间为粘结作用.基于此，对于离缝区域，轨道板与砂浆层间设置为摩擦接触，摩擦系数取0.35[13]；对于未出现离缝区域，以内聚力单元模拟层间粘结.

图7 不同粘结界面强度下的损伤深度

以“生死单元”模拟砂浆层离缝，即在轨道板与砂浆层间切出薄层，将薄层内单元刚度设置为0.以刚度下降率SDEG(以SDEG表示)表征材料状态，SDEG取值为0～1，取0时表示材料完好，取1时表示材料已经完全破坏失效.

由2.1节可知在宽窄接缝存在离缝时，开裂临界顶推应力的最大值为0.8 MPa，设置板边离缝为250、500 mm两种工况，计算得到其在0.8 MPa顶推压力作用下的刚度下降率SDEG，结果如图8所示.

刚度下降率SDEG为0，表明轨道板-砂浆层粘结界面未出现伤损，然而由2.1节可知此时宽窄接缝已经出现开裂的情况，由此可见，存在砂浆层离缝时，纠偏作业对砂浆层剩余粘结界面的影响很小，纠偏作业仍由轨道板宽窄接缝粘结界面控制.

a 离缝250 mm

b 离缝500 mm

图8 顶推压力0.8 MPa条件下的刚度下降率

Fig.8 Stiffness reduction rate of a 0.8 MPa pushing pressure

若轨道结构状态进一步恶化，当轨道板-砂浆层粘结界面出现板边离缝，两侧轨道板-宽窄接缝又出现离缝时，对轨道结构分别施加0.7，0.8，0.9 MPa的顶推压力，250 mm板边离缝状态下的结果如图9所示.

当顶推压力为0.7 MPa时，剩余砂浆层粘结界面并无损伤，纠偏作业对粘结界面无影响；当顶推压力达到0.8 MPa时，剩余砂浆层粘结界面在板边四角出现损伤，最大刚度下降率0.91，即当轨道板-砂浆层粘结界面板边离缝250 mm，且两侧轨道板-宽窄接缝出现离缝时，以0.8 MPa的顶推压力进行纠偏作业，将使剩余轨道板-砂浆层粘结界面产生损伤；当顶推压力增大至0.9 MPa，损伤进一步加剧.

500 mm板边离缝状态下的结果如图10所示.

当顶推压力为0.7 MPa时，轨道板-砂浆层粘结界面便开始出现损伤，损伤主要分布在剩余粘结界面的4个角，且随着纠偏顶推压力的不断增大，粘结界面损伤区域逐渐扩展.

a 顶推压力0.7 MPa

b 顶推压力0.8 MPa

c 顶推压力0.9 MPa

图9 离缝250 mm条件下的刚度下降率

Fig.9 Stiffness reduction rate of 250 mm separation

a 顶推压力0.7 MPa

b 顶推压力0.8 MPa

c 顶推压力0.9 MPa

图10 离缝500 mm条件下的刚度下降率

Fig.10 Stiffness reduction rate of 500 mm separation

综上分析，当轨道板-砂浆层粘结界面出现板边离缝，且两侧轨道板-宽窄接缝界面出现离缝后，纠偏作业将导致轨道板-砂浆层粘结界面损伤，这主要是因为在顶推压力的作用下，轨道结构出现横向位移，未离缝区域受砂浆层粘结作用，轨道板位移与下部结构保持一致；而离缝区域只受摩擦作用，轨道结构与下部结构存在位移差，这种变形的不协调导致在粘结界面边界出现损伤.

相反，当轨道板与宽窄接缝未发生离缝时，各顶推压力作用下，剩余砂浆层粘结界面均未出现损伤，这是因为此时板边砂浆层虽然出现离缝，但由于轨道板与宽窄接缝仍存在相互作用，这种相互作用可以大大减小剩余砂浆层粘结界面所受应力，使其不会受到损伤.

4 支承层裂纹扩展规律

在纠偏作业中，主要由纠偏区段中部以及解粘区边界附近的支承层承受拉力，且纠偏区段中部拉应力最大，因此对纠偏作业受支承层强度控制.由于支承层开裂是轨道结构常见损伤之一，因此研究纠偏区段中部支承层裂纹[14]在纠偏作业过程中的扩展规律.

从几何位置来看，裂纹存在横向、纵向和垂向三种基本形式，由于纵向裂纹方向平行于纠偏作业时支承层的拉应力方向，纠偏作业对纵向裂纹的扩展影响较小，因此仅对横向和垂向贯通裂纹形式进行研究.假定裂纹均为贯通裂纹，通过在裂纹尖端布置内聚力单元，以内聚力模型来分析支承层裂纹的发展规律.

4.1 横向贯通裂纹

分析不同裂纹深度的影响，取横向贯通裂纹深度分别为20、40 mm，计算不同顶推压力下布置于裂纹尖端的内聚力单元刚度下降率SDEG.如图11所示，当裂纹尖端A的刚度下降率SDEG为1时，裂纹尖端的内聚力单元已经完全失效，裂纹开始扩展；当支承层底部B的刚度下降率SDEG为1时，裂纹已经扩展至支承层底部.

图11 支承层横向贯通裂纹

对不同裂纹深度下裂纹损伤发展规律进行分析，提取点A以内1 000 mm范围及点B以内1 000 mm范围的刚度下降率，结果如图12所示.

a 裂纹深度20 mm

b 裂纹深度40 mm

图12 不同顶推压力下的刚度下降率

Fig.12 Stiffness reduction rate of different pushing pressures

当横向贯通裂纹深度为20 mm时，施加0.65 MPa的顶推压力，裂纹尖端处的刚度下降率为0，说明内聚力单元完好，裂纹无扩展趋势，此时纠偏作业不会造成裂纹进一步扩展.当顶推压力增加至0.70 MPa时，在顶推对立侧裂纹尖端出现损伤，损伤长度约为370 mm，此时裂纹虽未出现扩展，但裂纹尖端已出现微裂纹.当顶推压力继续增加至0.75 MPa，裂纹尖端最大刚度下降率已接近1，横向贯通裂纹会出现局部开裂.当顶推压力达到0.8 MPa时，A、B位置最大刚度下降率均达到1，说明此时裂纹已扩展至支承层底部.当顶推压力达到0.90 MPa时，裂纹延伸至支承层底部的区域达到450 mm.

从不同裂纹深度的对比来看，相同顶推压力下，随着裂纹深度的增加，裂纹尖端的损伤有加剧的趋势.在0.65 MPa的顶推压力下，裂纹深度为20 mm时，纠偏作业对裂纹并无影响；当裂纹深度为40 mm时，纠偏作业将导致裂纹尖端出现损伤.

4.2 垂向贯通裂纹

取垂向贯通裂纹深度分别为20、40 mm时，计算不同顶推压力下布置于裂纹尖端的内聚力单元刚度下降率，如图13所示.

提取B以内1 000 mm以及AB方向的刚度下降率，结果如图14所示.

图13 支承层垂向贯通裂纹

当垂向贯通裂纹深度为20 mm时，施加0.65 MPa的顶推压力，裂纹尖端已出现损伤，但并未发生开裂，由于支承层上大下小，呈梯形状，底部的裂纹更靠近外侧，裂纹尖端损伤更为严重.当顶推压力增加至0.70 MPa时，支承层顶部位置裂纹出现损伤，而底部位置裂纹已发生扩展.顶推压力达到0.75 MPa之后，整个垂向裂纹将发生进一步扩展，随着顶推压力的增加，裂纹扩展深度随之增加.当顶推压力增大到0.90 MPa时，支承层底部裂纹扩展深度达到200 mm左右.

从不同裂纹深度的对比来看，相同顶推压力下，随着裂纹深度的增加，裂纹尖端的损伤有加剧的趋势.在0.65 MPa的顶推压力下，裂纹深度为20 mm时，裂纹尖端仅发生损伤，裂纹进一步扩展；当裂纹深度为40 mm时，纠偏作业将导致支承层底部裂纹出现扩展.

a 裂纹深度20 mm

b 裂纹深度40 mm

图14 不同顶推压力下的刚度下降率

Fig.14 Stiffness reduction rate of different pushing pressures

5 结论

基于CRTSⅡ型板式无砟轨道的注浆抬升纠偏工艺，建立了路基上CRTSⅡ型板式轨道纠偏作业有限元模型，分析宽窄接缝离缝、砂浆层离缝和支承层裂纹在注浆抬升纠偏作业中的扩展规律，得到以下主要结论：

(1) 宽、窄接缝离缝会减弱轨道板-宽窄接缝剩余粘结界面抵抗损伤的能力.单侧离缝的损伤发展速率高于双侧离缝的损伤发展速率.宽窄接缝粘结界面强度减小使得轨道板-宽窄接缝剩余粘结界面抵抗伤损的能力减弱.

(2) 当轨道板与两侧宽窄接缝粘结良好，仅与砂浆层存在离缝时，板边离缝对轨道板-砂浆层粘结界面损伤的影响很小.当轨道板-砂浆层粘结界面出现板边离缝，且两侧轨道板-宽窄接缝粘结界面出现离缝后，纠偏作业将导致轨道板-砂浆层粘结界面损伤.

(3) 对于支承层横向贯通裂纹，随着顶推压力的增加，裂纹将发生扩展，相同的顶推压力下，裂纹深度越大，裂纹尖端损伤越严重；对于支承层垂向贯通裂纹，随着顶推压力的增大，裂纹将朝支承层内部扩展，扩展深度最后稳定在400 mm左右，在相同的顶推压力下，裂纹深度越大，裂纹尖端损伤越严重.

结合上述分析与结论，高速铁路养护维修部门在进行CRTSⅡ型板式轨道纠偏作业时，应重点关注拟纠偏区段的宽窄接缝病害情况，宜在纠偏作业前对宽窄接缝病害进行修复.在纠偏作业过程中应密切关注纠偏区段其他病害的形成与扩展情况，一旦出现病害加剧趋势应停止纠偏作业，以防止轨道结构的损伤恶化.