路基上拱变形对不同类型无砟轨道结构影响研究

王宇文

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

无砟轨道结构具有高稳定性、高耐久性以及高平顺性的特点，因而在我国高速铁路中广泛应用，我国已开通运营的高速铁路无砟轨道铺设总长超过3.6万铺轨千米[1]。但当无砟轨道结构铺设于基础薄弱区域时，如严寒地区路基冻胀，路基中膨胀土上拱等，基础变形将引起无砟轨道结构应力和平顺性劣化，导致无砟轨道结构出现层间离缝或轨道板开裂，影响高速列车行车安全。

针对无砟轨道线下基础变形，国内外学者开展了广泛的研究。赵国堂等对基础变形产生位置差异对变形传递及受力影响进行了对比，提出基础变形分析模型的建议，并对路基冻胀变形下无砟轨道各结构层受力、变形及层间离缝进行了分析[2-3]。郭宇、何春燕等[4-5]利用弹性地基梁理论对层间无离缝情况下基础变形与轨面平顺性的映射关系解析算法进行了推导。蔡小培等[6-7]针对双块式以及CRTS Ⅰ型板式无砟轨道路基沉降及冻胀上拱问题，建立了梁-板-实体空间有限元模型，分析了沉降/冻胀波长以及幅值对无砟轨道变形以及层间离缝的影响规律。向俊等[8]基于有限单元法和混凝土塑性损伤模型，建立路基上单元板式无砟轨道结构分析模型，研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下，无砟轨道结构的受力和变形特征以及伤损演化规律。徐新玉[9]分析严寒地区高速铁路路基冻胀对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构影响，讨论了路基冻胀位置、冻胀波长和幅值对轨道变形及受力影响规律，综合考虑底座板和基床表层的层间离缝和底座板混凝土拉应力限值，当路基冻胀波长为20 m时，建议冻胀限值为10 mm。线下基础上拱对于无砟轨道结构变形和受力主要影响体现在轨道不平顺、层间离缝以及轨道结构应力等方面，同时影响高速列车行车性能[10-11]。

目前我国高速铁路无砟轨道包括CRTS双块式与CRTS Ⅰ型/Ⅱ/Ⅲ型板式无砟轨道结构四种型式，不同类型无砟轨道结构组成和构造有所差异，因而受力变形体系存在明显区别。双块式与Ⅱ型板式无砟轨道结构为纵连式结构，而Ⅰ型板和Ⅲ型板为单元式结构，在基础变形条件下无砟轨道结构力学状态将有所不同。基础上拱变形对无砟轨道结构几何、受力均具有极其不利的影响，容易导致无砟轨道结构发生开裂，影响无砟轨道结构的安全服役性能。既有研究主要针对单一的轨道结构型式进行探讨，且不同文献中模型边界条件与荷载边界条件存在差异使得计算结果无法直接进行对比，基础上拱变形对于不同类型无砟轨道结构的影响差异尚不清晰。因此有必要建立不同类型无砟轨道结构分析模型，研究基础上拱变形条件下不同类型无砟轨道结构受力变形特征。

1 分析模型

分别建立不同类型无砟轨道结构模型，包括CRTS Ⅰ型双块式、CRTS Ⅰ型板式、CRTS Ⅱ型板式、CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构，如图1所示。CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道结构模型由钢轨、WJ-8扣件、轨枕、道床板、支承层和路基层组成；CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构模型由钢轨、WJ-7扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板和路基层组成；CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构模型由钢轨、Vossloh300扣件、轨道板、砂浆充填层、支承层和路基层组成；CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构模型由钢轨、WJ-8扣件、轨道板、自密实混凝土层、底座板和路基层组成。模型中各主要部件均采用8节点六面体单元进行模拟，预制轨道板或预制轨枕为C60混凝土，现浇道床板采用C40混凝土，模型参数参考文献[7]。为了消除边界条件的影响，模型总长120 m，其中Ⅰ型板和Ⅲ型板底座板长度为2块轨道板的长度，底座板设置伸缩缝。采用内聚力单元模拟无砟轨道结构层间法向黏结作用，切向采用摩擦接触，扣件系统采用弹簧模拟，并考虑纵向阻力的非线性。路基变形采用单波余弦上拱曲线表示，如式(1)所示：

(1)

其中，A为路基上拱变形的幅值；λ为路基上拱变形的波长；x为纵向位置。

运营实践表明，高速铁路路基基础变形一般以长波为主，因此选择20 m～100 m范围内的上拱变形波长进行分析，上拱幅值根据上拱波长的不同而取值。对路基上拱变形条件下，不同无砟轨道结构变形特征，10 m弦高低不平顺、层间离缝、结构应力进行分析，探明基础上拱对不同类型无砟轨道结构的影响规律。

2 基础上拱对无砟轨道结构几何状态影响

以20 m上拱波长为例，分析基础变形对不同类型无砟轨道结构变形以及层间状态的影响规律，然后再对比不同上拱波长之间的差异。对于单元式无砟轨道结构，为考虑层间状态及结构受力的最不利工况，将路基上拱变形中心设置于轨道板中间位置。

在20 m上拱波长条件下，对于双块式无砟轨道结构，上拱量由5 mm增大至20 mm时，无砟轨道结构变形、不平顺以及层间离缝如图2所示。随着上拱变形增大，轨道10 m弦高低最大值从2.4 mm增加到9.5 mm，道床板与支承层离缝较小，支承层与路基表层之间离缝值从0 mm增加到0.40 mm，层间离缝最大值处位于上拱波长两端位置。

对于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构，当上拱量由5 mm增大至20 mm时，轨道高低不平顺最大值从2.5 mm至9.9 mm。轨道板与底座板离缝从0 mm增加到0.51 mm。由于底座板设置伸缩缝，底座板板长为两块轨道板的长度，底座板与基床表层之间离缝相对较小，随着上拱幅值增大，底座板层间离缝从0.1 mm增加到0.17 mm。轨道板与底座板离缝量最大值处位于轨道板板端位置，底座板与基床表层离缝量最大值处位于上拱波长两端位置，如图3所示。

对于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构，当上拱量由5 mm增大至20 mm时，轨道10 m弦高低不平顺最大值从2.2 mm增加到8.9 mm；轨道板与支承层离缝从0 mm增加到0.04 mm，支承层与基床表层离缝从0 mm增加到0.35 mm；最大离缝量处位于上拱波长两端位置，如图4所示。

对于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构，当上拱量由5 mm增大至20 mm时，轨道10 m弦高低不平顺最大值从2.4 mm增加到9.5 mm；轨道板与底座板离缝从0.03 mm增加到0.54 mm，轨道板与底座板离缝量最大值处位于轨道板板端位置；底座板与基床表层间离缝从0.04 mm增加到0.40 mm，离缝量最大处位于底座板板端位置，如图5所示。

对比四种无砟轨道结构几何变形可知，在20 m基础上拱波长条件下，纵连式无砟轨道结构高低不平顺略低于单元式无砟轨道，即双块式和Ⅱ型板式无砟轨道高低不平顺幅值小于Ⅰ型和Ⅲ型板式无砟轨道，其原因为单元式轨道结构存在板端上翘变形。由于双块式和Ⅱ型板均为纵连式，因而其道床板/轨道板与支承层之间层间离缝特征相似，Ⅰ型板和Ⅲ型板均为单元式，其轨道板与底座板离缝相似，但Ⅲ型板底座下离缝大于Ⅰ型板，其原因为Ⅰ型板式无砟轨道结构采用凸形挡台限位结构，为Ⅲ型板采用凹槽限位结构。由于不同类型无砟轨道结构纵向受力体系的不同，纵连式无砟轨道层间离缝较小，单元式无砟轨道结构变形略大，层间离缝也有所增加。

3 基础上拱对无砟轨道结构受力影响

以20 m上拱波长为例，分析基础变形对不同类型无砟轨道结构应力的影响规律。对于双块式无砟轨道结构，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，钢轨的最大拉应力从3.77 MPa增加到15.01 MPa；随着上拱量的增加，道床板拉应力随之增大，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，道床板最大拉应力从0.99 MPa增加到3.93 MPa，最大拉应力位于双块式轨枕之间，如图6所示。道床板为C40混凝土材料，抗拉强度标准值为2.39 MPa。因此，当上拱幅值大于12 mm后道床板最大拉应力将超过限值。

对于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，轨道板最大拉应力从0.65 MPa增加到2.23 MPa，轨道板采用C60混凝土，其抗拉强度标准值为2.85 MPa，此时尚未达到限值。随着上拱量的增加，底座板拉应力随之增大，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，底座板最大拉应力从0.50 MPa增加到2.70 MPa，底座板为C40混凝土，此时已超过强度标准值，如图7所示。

对于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，轨道板最大拉应力从0.65 MPa增加到2.62 MPa，尚未达到C60混凝土强度标准值；而支撑层最大拉应力从0.69 MPa增加到3.37 MPa，已超过混凝土强度标准值，如图8所示。

对于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构，当上拱量从5 mm增加到20 mm时，轨道板最大拉应力从0.68 MPa增加到2.31 MPa；底座板最大拉应力从0.60 MPa增加到2.10 MPa，均在混凝土强度标准值范围内，如图9所示。

从结构受力特征来看，当路基发生上拱变形后，单元式无砟轨道结构应力水平低于纵连式无砟轨道，且Ⅲ型板式无砟轨道结构受力体系最优，能够同时使得轨道板和底座板处于较低的应力水平。

随着上拱波长的增大，无砟轨道结构各层之间变形更为协调，轨道不平顺幅值、层间离缝以及结构应力水平均明显降低，双块式无砟轨道结构层间离缝与道床板最大拉应力随波长变化如图10所示。

4 结论

为研究路基上拱变形对不同类型无砟轨道结构受力和变形的影响规律，分别建立CRTS Ⅰ型双块式和CRTS Ⅰ型/Ⅱ型/Ⅲ型板式无砟轨道结构有限元计算模型，分析路基上拱条件下无砟轨道结构变形、不平顺、层间离缝以及结构应力特征，结果表明：

1)由于基础上拱导致单元板式轨道结构存在板端上翘变形，因此纵连式无砟轨道结构高低不平顺略低于单元式无砟轨道。两种纵连式无砟轨道结构层间状态相似，但Ⅰ型板和Ⅲ型板式无砟轨道结构由于限位方式的不同，使得Ⅲ型板式无砟轨道底座层间离缝大于Ⅰ型板。由于无砟轨道结构纵向约束体系的不同，路基上拱条件下纵连式无砟轨道层间离缝较小，而单元式无砟轨道结构变形和层间离缝略大。2)从结构受力特征来看，当路基发生上拱变形后，单元板式无砟轨道结构应力水平低于纵连式无砟轨道，且Ⅲ型板式无砟轨道结构受力体系最优，能够同时使得轨道板和底座板处于较低的应力水平。3)随着上拱变形波长的增大，无砟轨道结构变形更为协调，轨道不平顺、层间离缝以及结构应力快速降低。