CA 砂浆层掉块对无砟轨道变形影响分析

孟庆武

(辽宁建筑职业学院，辽宁 辽阳 111000)

水泥乳化沥青砂浆(CA 砂浆) 对于减缓CRTSⅠ型轨道振动具有关键作用，是轨道不可缺少的组成部分。CA 砂浆本身强度较低，外加雨水及列车荷载的长期作用，使轨道经常发生不同形式的病害，其中砂浆层的掉块会造成轨道振动加剧，破坏速度加快，列车运行的安全性受到影响。

CA 砂浆层对轨道结构的影响研究已开展大量工作，张鹏飞等[1]构建了无缝线路轨道模型，将CA 砂浆用实体单元来模拟，得到桥梁上板式轨道位移和挠曲力的结果，探究了桥梁跨数及固定支座刚度对计算结果的影响。杨俊斌、赵坪锐等[2]建立了CRTS Ⅰ型轨道数值计算模型，CA 砂浆采取了线性弹簧的形式进行模拟。研究发现，在疲劳荷载作用下，CA 砂浆在规定服役期内不会损坏，且不同疲劳荷载谱对整个结构基本不会产生影响; 杨静静、高芒芒等[3]构建的轨道各结构均是实体单元，结果表明，轨道板上拱的主要形成是因为水平约束刚度不均，其变形随离缝扩展趋于平稳。谢露等[4]用线性弹簧模拟CA 砂浆，研究其与轨道板间产生的离缝破坏，研究发现，轴重的增加导致拍打速度和接触应力线性提高，建议以弹性模量较低的材料修复离缝破坏。

综上所述，大多数现有轨道仿真计算中，CA 砂浆都视为线弹性体，忽视了其粘弹性，这与轨道实际情况不符。前期研究表明[5]，砂浆本构关系不同时，其动力响应结果有较大差异，考虑其粘弹性是必要的。本文基于CA 砂浆材料的粘弹性，建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道模型，探究在不同温度CA 砂浆发生不同长度掉块时，列车动载作用下轨道板和底座板的位移变化规律。

1 板式轨道模型建立

1．1 轨道模型

通过ABAQUS 软件建立轨道模型。扣件采用线弹性元件模拟，即Cartesian 连接单元[6]。CA 砂浆考虑其粘弹性，用剪切松弛模量的Prony 级数表示[7]，依据现有计算方法[8]，拟合砂浆试件在三个温度下的压缩蠕变试验结果，并获得了修正的Burgers 模型参数，将其转换为Prony级数，如表1 所示。路基为弹性地基，轨道结构模型如图1 所示。

表1 Prony 级数参数(剪切模量)

图1 CRTS Ⅰ型轨道结构模型

1．2 列车动载

列车动载可用类似激振荷载形式的力来模拟[9]，即通过设置与三个频率范围相应的激振力叠加列车静载轴重，即可模拟列车动载，表达式如下:

F(t) =P0+P1sin(ω1t) +P2sin(ω2t) +P3sin(ω3t) 。

依据我国高铁标准，取P0=150 kN，M0=750 kg，获得设计速度350 km/h 时激振力结果如图2 所示。列车动载施加在中间轨道板上的钢轨中间位置，加载时长取2 个周期。

图2 激振力时程曲线

1．3 CA 砂浆层掉块

轨道的离缝病害如果治理不及时，列车经过会使轨道结构间形成拍打，一定程度下CA 砂浆块会被带离轨道，形成掉块。模型中预先设定掉块的位置和长度，在需要时对其激活。

设置固定的掉块高度5 mm，掉块位置在中间轨道板之下的CA 砂浆层。调用10 ℃，20 ℃，30 ℃不同的CA砂浆粘弹性参数时，掉块长度取0． 625 m，1． 25 m，1．875 m，2．5 m 和3．125 m 五种工况。

2 轨道结构变形结果分析

对模型进行运算，分别得到不同温度下CA 砂浆层出现不同长度掉块时轨道结构的变形结果。图3 为30 ℃条件下CA 砂浆层未掉块时的轨道位移云图，在图3 中可发现，垂向位移在轨道模型中间位置达到最大，因此各结构垂向位移取模型中点处进行分析。图4 中提供了在30 ℃条件下CA 砂浆层板中掉块0．625 m 时轨道板垂向位移结果，而底座板垂向位移结果则如图5 所示。

图3 轨道位移云图

图4 轨道板垂向位移时程曲线

图5 底座板垂向位移时程曲线

忽略列车荷载的初期施加和后期撤去阶段，取各结构垂向位移的峰值进行分析，对比结果如表2 所示。

表2 垂向位移峰值

从表2 数据结果可以看出，随着温度升高CA 砂浆的粘弹性参数变化，当CA 砂浆层发生相同程度掉块时，轨道板位移增大，而底座板位移则减小。

2．1 掉块对轨道板位移的影响

不同长度的CA 砂浆掉块及不同温度的粘弹性参数对轨道板垂向位移峰值的影响规律如图6 所示。

图6 掉块长度对轨道板垂向位移峰值的影响

从图6 可以看出:

1) 在相同温度条件下，掉块长度扩展造成轨道板垂向位移峰值不断增大，这是由于掉块位置上部的轨道板缺少了CA 砂浆层的支承; 掉块长度扩展相同幅度时，位移的增幅逐渐增大。

2) 板中掉块扩展至3．125 m，与未出现掉块时比较，CA 砂浆采用10 ℃，20 ℃，30 ℃的粘弹性参数时，轨道板垂向位移峰值分别增大至0． 582 6 mm，0． 584 7 mm，0．588 1 mm，增幅分别为28．581%，28．789%，29．139%。随着温度升高，其垂向位移峰值增幅略有上升。

3) 温度在10 ℃～30 ℃范围变化导致的砂浆粘弹性改变，相对于掉块破坏(0 m 扩展至3．125 m) 对轨道板垂向位移峰值的影响并不显著。

2．2 掉块对底座板位移的影响

不同长度的CA 砂浆掉块及不同温度的粘弹性参数对底座板垂向位移峰值的影响规律如图7 所示。

图7 掉块长度对底座板垂向位移峰值的影响

从图7 可以看出:

1) 在相同温度条件下，掉块长度的扩展导致了底座板垂向位移峰值不断降低，这是因为荷载向轨道结构底部的传递随着掉块长度扩展而逐步降低; 掉块长度扩展相同幅度时，位移峰值的减小幅度逐渐增大。

2) 板中掉块扩展至3．125 m，与未出现掉块时比较，CA 砂浆采用10 ℃，20 ℃，30 ℃的粘弹性参数时，底座板垂向位移峰值分别减小至0． 363 8 mm，0． 363 1 mm，0．361 8 mm，减 小 幅 度 分 别 为16． 997%，17． 138%，17．397%。随着温度升高，其垂向位移峰值减小幅度越大。

3) 温度在10 ℃～30 ℃范围变化导致的砂浆粘弹性改变，相对于掉块破坏(0 m 扩展至3．125 m) 对底座板垂向位移峰值的影响并不显著。

2．3 掉块对相对位移的影响

采用不同温度CA 砂浆粘弹性参数及不同掉块长度，分析轨道板与底座板之间垂向相对位移的影响规律如图8 所示。

图8 温度及掉块长度对轨道板与底座板相对位移的影响

从图8 可以看出:

1) 在相同温度条件下，掉块长度扩展导致轨道板与底座板相对位移不断增大，这是由于掉块现象对列车荷载的向下传递产生了削弱的作用。

2) CA 砂浆板中掉块从0 m 扩展至3．125 m，采用10 ℃粘弹性参数时，轨道板与底座板相对位移从0．014 8 mm 增大至0．218 8 mm，增大14． 784 倍; 20 ℃时，相对位移从0．015 8 mm 增大至0．221 6 mm，增大14．025 倍;30 ℃时，相对位移从0． 017 5 mm 增 大 至0．226 2 mm，增大12． 926 倍。温度越高，轨道板与底座板的相对位移增幅越小。

2．4 掉块的预防与修复

CA 砂浆掉块对无砟轨道造成了明显的不利影响，掉块发生在轨道板中间位置时，此处轨道板处于悬空状态，与CA 砂浆之间的拍打作用加剧，结构间应力增大，造成CA 砂浆的掉块范围继续扩展，损伤速度加快，形成恶性循环，轨道整体结构遭到破坏，影响服役寿命，同时轨道变形及结构振动的加剧使得线路不平顺，危害列车运行的安全性。

综合以上分析，应采取必要措施避免CA 砂浆掉块带来的严重后果。在CA 砂浆制备时，应从原材料、制备工艺及检验方法等方面创新，全面提高CA 砂浆质量，将耐久性较好的CA 砂浆用于轨道结构; 在轨道施工时，各步骤中的微小差错都可能降低砂浆质量，应重视提高施工工艺，尤其应注意CA 砂浆层与轨道板的贴合，防止轨道服役过程中雨水、冰冻等渗入造成材料劣化;在轨道运营时，应定期观测与检查轨道结构，做好养护工作，一旦发现CA 砂浆出现掉块病害应及时控制并根据实际情况进行修复，避免轨道整体破坏。

3 结论

本文基于CA 砂浆的粘弹特征，建立了CRTS Ⅰ型轨道模型，通过调用10 ℃，20 ℃，30 ℃时CA 砂浆的粘弹性参数，研究在动荷载作用下，CA 砂浆层不同程度掉块对轨道结构变形的影响，得到结论如下:

1) 在相同温度条件下，随着CA 砂浆层板中位置掉块长度扩展，轨道板垂向位移峰值增大，底座板垂向位移峰值减小，轨道板与底座板的相对位移增大。

2) 在CA 砂浆层掉块相同时，随着温度升高，轨道板垂向位移峰值增大，底座板垂向位移峰值减小，轨道板与底座板的相对位移增大。

3) CA 砂浆层掉块长度从0 m 扩展至3．125 m，对轨道变形影响较大;温度在10 ℃～30 ℃范围变化时，轨道结构在短期动荷载作用下，CA 砂浆的粘弹性变化对轨道变形影响并不显著。

4) 考虑CA 砂浆层掉块对轨道明显不利，建议在分析掉块原因及变形幅度的基础上，深入研究掉块扩展过程以预防其破坏，并研发新的砂浆材料;应加强对无砟轨道的观测与养护，及时对发生的掉块破坏进行修复。