張德強(qiáng)

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610032)

0 引言

后張法預(yù)應(yīng)力施工后，必須對(duì)張拉后的錨穴進(jìn)行封錨處理，以保護(hù)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的錨板外預(yù)應(yīng)力筋、錨具、夾片等，從而防止外在因素?fù)p傷預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)。而常規(guī)的錨穴封錨方式為鑿毛錨穴內(nèi)壁，然后填塞混凝土進(jìn)行封錨處理，在常規(guī)封錨處理中常常因?yàn)殍徝炔蛔?、封錨混凝土填塞不緊等原因，導(dǎo)致后期封錨混凝土與錨穴面離縫、甚至脫落，使預(yù)應(yīng)力體系失去保護(hù)。中鐵二局參建的哈大鐵路客運(yùn)專線，其軌道設(shè)計(jì)采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)，中鐵二局承擔(dān)了30641塊軌道板生產(chǎn)任務(wù)。據(jù)沈陽(yáng)鐵路局工務(wù)部門反映，秦沈客運(yùn)專線鋪設(shè)的CRTSⅠ型無(wú)砟軌道試驗(yàn)段在使用中已有很多軌道板封錨混凝土脫落;在參觀日本新干線時(shí)，也發(fā)現(xiàn)過(guò)軌道板封錨混凝土脫落的情況。為了解決上述問(wèn)題，中鐵二局開(kāi)展了CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的封錨施工技術(shù)研究。

1 模型構(gòu)建和力學(xué)分析

傳統(tǒng)的封錨施工完成后，為防止封錨混凝土脫落，主要由封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁之間產(chǎn)生的摩擦力作用。當(dāng)封錨混凝土在長(zhǎng)期的使用后會(huì)發(fā)生收縮，使封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁之間壓力減小甚至消失，所以會(huì)發(fā)生離縫或脫落現(xiàn)象。為此我們?cè)诿總€(gè)錨穴內(nèi)壁設(shè)置兩道寬8mm，深入5mm～8mm的環(huán)形槽代替原來(lái)的鑿毛工藝。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的封錨和新設(shè)計(jì)的封錨方式的抗脫落力進(jìn)行比較，來(lái)確定新設(shè)計(jì)是否可行，由于除封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁的變化以外，兩種封錨方式在其他方面并沒(méi)有變化，因此只對(duì)有變化的部分進(jìn)行比較。并按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

傳統(tǒng)封錨:

抗脫落力P=未鑿毛部分摩擦力F光+鑿毛部分摩擦力F鑿。

新設(shè)計(jì)封錨:

抗脫落力P=未鑿毛部分摩擦力F光+伸入錨穴壁混凝土抗剪力Q。

摩擦力:

其中，f為摩擦系數(shù);N為壓力。

壓力:

其中，β為接觸面的壓應(yīng)力;M為接觸面的面積。

接觸面的壓應(yīng)力:

其中，E彈性模量;d v/v為變形百分比。

抗剪力:

其中，τ為抗剪強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度;A為抗剪面積。

1.1 測(cè)定摩擦系數(shù)

我們利用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光滑混凝土表面及鑿毛的混凝土摩擦系數(shù)，得出表1數(shù)值。

表1 摩擦系數(shù)測(cè)定記錄表

1.2 基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)采集

按照科技基[2008]74號(hào)客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件對(duì)封錨砂漿技術(shù)指標(biāo)要求，取抗折強(qiáng)度τ為9mPa。

根據(jù)試驗(yàn)室測(cè)定的收縮率為0.01%，即膨脹率為0.01%，試驗(yàn)室測(cè)定出封錨砂漿彈性模量為1.87×104mPa。

取一個(gè)CRTSⅠ型無(wú)砟軌道橫向錨穴計(jì)算封錨混凝土與錨穴壁接觸面積(見(jiàn)圖1)。

由圖1可知錨穴壁表面為臺(tái)體，周表面積:M=(80+60)÷2×3.14×60=13188mm2。

按新的鑿毛工藝封錨圖計(jì)算表面積及受剪面積(見(jiàn)圖2)。

新鑿毛工藝的錨穴壁表面積與傳統(tǒng)工藝相比略大，但由于傳統(tǒng)工藝在內(nèi)壁表面不規(guī)則鑿毛，不能準(zhǔn)確計(jì)算出所增加面積。為方便計(jì)算，舍去兩種工藝的鑿毛增加的接觸面積，設(shè)定兩種工藝的內(nèi)壁表面積相同。

由于環(huán)形凹槽布設(shè)位置只需要在中間位置即可，因此兩道環(huán)形凹槽的長(zhǎng)度取錨穴中間值進(jìn)行計(jì)算，受剪切力面積為A=(80+60)÷2×3.14×8×2=3517mm2。

經(jīng)以上分析可得出以下計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù):

兩種工藝內(nèi)側(cè)壁總表面積:13188mm2;傳統(tǒng)工藝的鑿毛度為50%，則:

光滑面M光=6594mm2，鑿毛面積M鑿=6594mm2;混凝土光滑處摩擦系數(shù) f光=0.67，鑿毛后摩擦系數(shù) f鑿=0.85;封錨混凝土抗折強(qiáng)度τ取9mPa;彈性模量E=1.87×104mPa;封錨混凝土膨脹率為0.01%;接觸面的表面壓應(yīng)力 β=E(d v/v)=18 700×0.01%=1.87mPa。

1.3 抗脫落力計(jì)算

傳統(tǒng)封錨:

其中，P為抗脫落力;F光為光滑外表面的摩擦力;F鑿為鑿毛后外表面的摩擦力。

新設(shè)計(jì)封錨:

其中，P為抗脫落力;F光為光滑外表面的摩擦力;Q為伸入錨穴的封錨混凝土抗剪力。

可見(jiàn)P新/P傳統(tǒng)=2.57，采用新設(shè)計(jì)的鑿毛方式在本方案條件下可以增加2.57倍的抗脫落能力。

1.4 由計(jì)算過(guò)程可取得以下推論

據(jù)P新=f光N+τA式，如果刻槽面積A再大一些(但不得超過(guò)總面積和50%)，可更大地增加抗脫落能力。

據(jù) P傳統(tǒng)=f光E(d v/v)M光+f鑿E(d v/v)M鑿=E(d v/v)(f光m光+f鑿M鑿)式，隨著時(shí)間的推移，封錨混凝土由于失水等原因逐漸開(kāi)始收縮后d v/v趨近于0，接觸面的表面壓應(yīng)力β將逐漸變小甚至消失，則P傳統(tǒng)的值將趨近于0，那么封錨混凝土的脫落將不可避免的發(fā)生，由于傳統(tǒng)方式鑿毛所產(chǎn)生的微小凸起形成的抗剪力來(lái)抵抗脫落，隨著列車的反復(fù)沖擊，這樣的凸起會(huì)被逐漸磨平而導(dǎo)致封錨脫落。

據(jù) P新=f光βM+τA=f光E(d v/v)M+τA 式，應(yīng)用新的環(huán)形鑿毛工藝進(jìn)行封錨的錨穴，即使封錨混凝土收縮，接觸面的表面壓應(yīng)力β消失后，只是光滑外表面的摩擦力F光消失，但伸入錨穴的封錨混凝土抗剪力Q仍然存在，所以封錨混凝土不會(huì)脫落。

2 實(shí)施方案

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終定型設(shè)計(jì)出“后張法預(yù)應(yīng)力錨穴鑿毛器”(專利號(hào) ZL2009 20297572.5)。

現(xiàn)介紹如下。

2.1 錨穴鑿毛器

錨穴鑿毛器由成孔器和鑿毛器本體組成，成孔器可直接利用施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的。鑿毛器本體為橡膠、軟PVC塑料等彈性材料構(gòu)成的與成孔器形狀相匹配的環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

2.2 鑿毛器使用的實(shí)施過(guò)程

在使用前，先根據(jù)錨穴形狀、尺寸制作相應(yīng)的鑿毛器。由于鑿毛器的內(nèi)徑比成孔器的外徑略小，可利用鑿毛器的彈性套箍力使鑿毛器緊固在成孔器表面?；炷吝_(dá)到拆模條件后，成孔器從錨穴內(nèi)脫出，鑿毛器本體因與混凝土的粘結(jié)作用會(huì)繼續(xù)滯留在混凝土結(jié)構(gòu)物中，在橡膠條自身收縮力的作用下膠條大部分已經(jīng)脫離混凝土本體，采用夾具夾取豎向膠條外露部分，取出鑿毛器，即產(chǎn)生預(yù)留的槽道，完成環(huán)形鑿毛施工。

3 結(jié)論和實(shí)施效果

采用以上所述的“后張法預(yù)應(yīng)力錨穴鑿毛器”在錨穴中預(yù)留槽道替代傳統(tǒng)的鑿毛方法，施工進(jìn)度快，施工效率高。各槽道的數(shù)量深度可根據(jù)實(shí)際需求制作相應(yīng)鑿毛器，保證了預(yù)留槽道的均勻性好，成槽質(zhì)量穩(wěn)定，不受人工干擾。完全免除了人工鑿毛作業(yè)，杜絕了傳統(tǒng)鑿毛工藝由于操作不當(dāng)對(duì)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件的損傷，同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了噪聲和揚(yáng)塵污染。軌道板混凝土與封錨砂漿的結(jié)合性好，防脫落能力強(qiáng)。鑿毛器造價(jià)低廉，易于安拆，可反復(fù)多次使用，節(jié)約了人工成本。

本工藝被編入鐵道部出版的《客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道施工手冊(cè)》，被推廣到全路，自2010年年底開(kāi)始，全路CRTSⅠ型無(wú)砟軌道板制造均采用此工藝進(jìn)行鑿毛施工，在公路T型梁的預(yù)應(yīng)力施工中也有采用。

[1]科技基[2008]74號(hào)，客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件[S].

[2]鐵道部工程管理中心.客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道施工手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.