章健華，吳維洲

(成綿樂鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土是軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，在軌道板及CA水泥乳化瀝青砂漿與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間起到傳力作用。路基地段CRTSⅠ型無砟軌道底座一般設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其一旦形成裂縫，特別是形成貫通裂縫后會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，削弱軌道結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至可能會(huì)危害到無砟軌道的使用安全。本文結(jié)合成綿樂客運(yùn)專線施工實(shí)例，分析引起路基段CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土開裂的原因，并提出預(yù)防措施。

1 工程概況

1.1 路基段底座混凝土設(shè)計(jì)要求

為貫徹“樣板引路、試驗(yàn)先行、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、全線推廣”的理念，成綿樂鐵路客運(yùn)專線CRTSⅠ型無砟軌道底座混凝土全線施工前，選取了D3K61+447.714—D3K61+738.614及 D3K61+849.386—D3K62+251.614兩段路基地段作為無砟軌道底座混凝土試驗(yàn)段。其中包含直線和曲線地段，最小曲線半徑5 km。

底座采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示。路基底座混凝土寬3 m，高300 mm，曲線超高通過底座混凝土超高實(shí)現(xiàn)，左線最大超高125 mm，右線最大超高105 mm。每隔3～4塊標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)度為一個(gè)底座單元，設(shè)置橫向伸縮縫。伸縮縫對(duì)應(yīng)凸臺(tái)中心位置，在凸臺(tái)處按行車前進(jìn)方向繞過凸臺(tái)，伸縮縫寬20 mm，采用彈性板填縫，30 mm深范圍內(nèi)采用聚氨脂密封。

圖1 曲線段路基地段底座混凝土結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

底座混凝土采用CRB550級(jí)冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋焊接網(wǎng)片分片搭接，網(wǎng)片長(zhǎng)度一般為2 m左右，網(wǎng)片之間采用平搭法，搭接長(zhǎng)度一般為450 mm，且上下兩層網(wǎng)片錯(cuò)開搭接。

路基基床表層級(jí)配碎石摻5%水泥。設(shè)計(jì)指標(biāo)要求:地基系數(shù) K30≥190 MPa/m，動(dòng)態(tài)變形模量 Evd≥55 MPa，壓實(shí)度 K≥0.97。

1.2 底座混凝土施工方法

1)根據(jù)路基段實(shí)測(cè)長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)單位提供的布板設(shè)計(jì)對(duì)比確定底座混凝土單元長(zhǎng)度。

2)利用CPⅢ控制網(wǎng)自由設(shè)站，在路基基床表面標(biāo)識(shí)模板及凸形擋臺(tái)中心控制點(diǎn)，標(biāo)出側(cè)模及端模定位線。

3)在工廠制作底座鋼筋網(wǎng)片及其余鋼筋，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。鋼筋綁扎完畢后，嚴(yán)禁踩踏。鋼筋間距偏差＜±20 mm，保護(hù)層厚度5～10 mm。

4)根據(jù)彈出的邊線安裝側(cè)模及端模。根據(jù)水準(zhǔn)測(cè)量調(diào)整頂面高程。

5)混凝土集中攪拌運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)振搗密實(shí)，及時(shí)收漿。在混凝土初凝前進(jìn)行二次收面，防止龜裂。混凝土澆筑完成初凝后采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)14 d。

6)底座混凝土伸縮縫填充:清理伸縮縫，伸縮縫寬度為20 mm，采用彈性板填充，30 mm深范圍采用聚氨酯密封。

2 路基底座混凝土開裂現(xiàn)狀

路基底座混凝土試驗(yàn)段2011年5月開始施工，混凝土澆注完成一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)底座混凝土陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)段底座混凝土開裂單元與裂縫數(shù)量

表2 混凝土澆筑完成后至裂縫出現(xiàn)的時(shí)間

截止2011年10月底，試驗(yàn)段左右線共施工78塊底座混凝土單元，其中出現(xiàn)裂縫的有54塊底座單元，共計(jì)116條裂縫，其中貫通底座裂縫72條，占裂縫總數(shù)的62%，典型貫通裂縫如圖2所示。裂縫寬度普遍超過0.2 mm，最大裂縫寬度0.5 mm;最多的一個(gè)底座單元貫穿裂縫數(shù)量達(dá)到4條;另有24個(gè)底座單元沒有出現(xiàn)裂縫，但底座單元間伸縮縫位置處級(jí)配碎石層出現(xiàn)被拉裂的現(xiàn)象。

圖2 典型混凝土貫通裂縫

裂縫分布具有如下特征:

1)裂縫出現(xiàn)的方向基本與線路方向垂直，位于底座單元長(zhǎng)度方向約1/2，1/3(2/3)，1/4(3/4)處;其中1/2處66條，1/3(2/3)處36條，1/4(3/4)處14條。

2)裂縫最初出現(xiàn)在混凝土頂面，然后向混凝土底面逐步發(fā)展直至貫通。在曲線超高地段裂縫首先出現(xiàn)在混凝土超高一側(cè)，然后向線路內(nèi)側(cè)方向逐步發(fā)展直至貫通。

3)裂縫均在混凝土澆注完成一段時(shí)間后出現(xiàn)，最早在混凝土澆注完成后14 d，最晚在混凝土澆注完成后94 d。氣溫較高時(shí)段(8月份)出現(xiàn)的裂縫較多。

3 路基底座混凝土裂縫產(chǎn)生原因分析

混凝土裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言是質(zhì)量通病，產(chǎn)生裂縫的原因可能是多方面的，以下采用排除法對(duì)可能產(chǎn)生路基底座混凝土裂縫的主要原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防治措施。

3.1 地基沉降變形

地基沉降變形會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)受力破壞，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，特別是局部不均勻沉降或整體沉降較大造成底座混凝土受力不均勻，易產(chǎn)生裂縫。

試驗(yàn)段路基共埋設(shè)了13個(gè)測(cè)點(diǎn)，均按照《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》要求進(jìn)行沉降觀測(cè)，2011年2月底通過了第三方的沉降評(píng)估。在通過評(píng)估后，繼續(xù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了沉降觀測(cè)，以檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果。所有測(cè)點(diǎn)自通過評(píng)估至裂縫統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)共進(jìn)行了66期沉降觀測(cè)，累計(jì)沉降量在0～±1 mm，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示試驗(yàn)段路基沉降穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有差異沉降。

若由于路基不均勻沉降引起底座混凝土裂縫，則應(yīng)在裂縫相對(duì)應(yīng)的級(jí)配碎石層也應(yīng)產(chǎn)生裂縫，但現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。若由于路基不均勻沉降原因引起混凝土開裂，其產(chǎn)生的裂縫不會(huì)呈現(xiàn)垂直線路方向的規(guī)律性。由此推斷地基不均勻沉降不是導(dǎo)致路基底座混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

3.2 外荷載作用

外荷載作用產(chǎn)生的裂縫一般出現(xiàn)在構(gòu)件受力后的應(yīng)力較大或構(gòu)件承載力相對(duì)薄弱的部位。施工期間只有施工荷載，如底座混凝土的強(qiáng)度尚沒有達(dá)到圖紙規(guī)定設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%(即30 MPa)，有重型車輛行走，會(huì)引起混凝土產(chǎn)生裂縫。

在試驗(yàn)段施工過程中，底座混凝土是在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后才作為施工運(yùn)輸通道的。若由于外荷載作用，混凝土首先出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位應(yīng)在混凝土結(jié)構(gòu)的底面，裂縫的產(chǎn)生應(yīng)自下往上、從線路內(nèi)側(cè)向線路超高外側(cè)發(fā)展，而現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及調(diào)查情況卻與之相反，裂縫從混凝土表面往底面、從線路超高側(cè)向線路內(nèi)側(cè)發(fā)展，兩者不相符。由此推斷施工外荷載作用不是導(dǎo)致路基底座混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

3.3 混凝土養(yǎng)生

在混凝土初凝直到強(qiáng)度上升過程中的養(yǎng)生期間，由于養(yǎng)生不足，混凝土表面水分蒸發(fā)，引起表面收縮，混凝土體內(nèi)、外部產(chǎn)生約束，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成表面開裂。

養(yǎng)生不足會(huì)導(dǎo)致混凝土表面開裂，并在混凝土養(yǎng)生期間急劇增加。主要表現(xiàn)為不規(guī)則的裂縫，成龜裂狀，縱橫交錯(cuò)，分布范圍廣，但其大部分在混凝土表面，很少貫通。試驗(yàn)段底座混凝土初凝后采用土工布灑水養(yǎng)護(hù)，施工單位建立了較完善的混凝土養(yǎng)護(hù)管理制度，特別是出現(xiàn)混凝土裂縫后，相關(guān)單位加強(qiáng)了管理仍沒有減少裂縫的產(chǎn)生。路基底座混凝土裂縫多為貫穿裂縫，且產(chǎn)生于混凝土澆筑14 d以后，與養(yǎng)生不足導(dǎo)致的混凝土表層開裂情況不同。由此推斷養(yǎng)生不足不是路基底座混凝土產(chǎn)生貫通裂縫的主要原因，但加強(qiáng)養(yǎng)生對(duì)減少混凝土表層裂縫是有利的。

3.4 溫度因素

1)混凝土水化熱過大

混凝土澆筑初期，水泥水化過程中產(chǎn)生大量的水化熱，產(chǎn)生的熱量積聚在混凝土內(nèi)部，使混凝土內(nèi)部與混凝土表面形成溫度差異，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土凝固初期抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混凝土裂縫。

混凝土水化熱引起裂縫多為不規(guī)則裂縫，且出現(xiàn)裂縫的時(shí)間較早，多在3 d以內(nèi)。底座混凝土的裂縫最早出現(xiàn)時(shí)間是混凝土澆筑完14 d。由此推斷水化熱過大不是底座混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

2)結(jié)構(gòu)溫度梯度

底座混凝土結(jié)構(gòu)是板狀結(jié)構(gòu)，在太陽照射下，底座混凝土上表面溫度高，下表面溫度低，由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能差使底座混凝土在高度方向上存在溫度遞度。溫度遞度可能導(dǎo)致底座混凝土發(fā)生翹曲和表面出現(xiàn)橫向裂縫。

2011年7月份施工單位連續(xù)對(duì)代表性底座混凝土結(jié)構(gòu)上下表面溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，選取一周記錄(相對(duì)溫差較大)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 2011年7月11—17日混凝土溫度記錄 ℃

由于底座混凝土裂縫產(chǎn)生的規(guī)律為混凝土上表面首先出現(xiàn)裂縫，即頂面首先出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明存在“下熱上冷”的溫度梯度。為進(jìn)一步分析溫度梯度是否是造成混凝土開裂的原因，設(shè)計(jì)單位根據(jù)測(cè)量結(jié)果及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了檢算分析。參照溫暖地區(qū)最大負(fù)溫度梯度40～43℃/m，考慮板厚修正系數(shù)后最大負(fù)溫度梯度為33.97℃/m，計(jì)算的裂縫寬度為0.198 mm。由此推斷溫度梯度是引起底座混凝土開裂的原因之一。

3)底座混凝土與路基基床表層結(jié)構(gòu)整體溫度升降差

混凝土結(jié)構(gòu)在隨季節(jié)性變化和日照的循環(huán)變化下，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生均勻的溫度升降變化，從而使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生伸縮。這種伸縮在沒有縱向約束或約束很小時(shí)，產(chǎn)生的溫度力可以不考慮。

但由于底座混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用摻5%水泥級(jí)配碎石層，基層表面較粗糙，且澆筑底座后，基層與底座底部連接，對(duì)底座的伸縮具有較強(qiáng)的約束作用，在溫度變化時(shí)，縱向變形不協(xié)調(diào)，底座混凝土結(jié)構(gòu)底部約束過大，可能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生貫通裂縫。

試驗(yàn)段路基底座混凝土夏季施工，裂縫產(chǎn)生時(shí)間主要在6—8月份，且8月份比例最高。無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)在一個(gè)日照的循環(huán)下，結(jié)構(gòu)的整體溫差在炎熱的夏季可以達(dá)到35℃～50℃。在隨季節(jié)性變化的年溫度周期性變化中，混凝土溫度最高與最低時(shí)的溫度差可達(dá)50℃～70℃。在底座混凝土沒有出現(xiàn)裂縫的地段，級(jí)配碎石層出現(xiàn)了開裂。由此推斷底座混凝土與基床表層級(jí)配碎石層不同結(jié)構(gòu)整體溫度升降差造成兩種結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)，級(jí)配碎石層對(duì)底座混凝土約束力較強(qiáng)是引起混凝土裂縫的主要原因。

4)混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理，如水膠比過大、膠凝材料用量過高等均會(huì)加劇混凝土開裂幾率。

試驗(yàn)段路基底座混凝土配合比見表4，強(qiáng)度等級(jí)為C40，其中水泥用量稍偏高。因而，路基底座混凝土配合比設(shè)計(jì)不盡合理是路基底座混凝土產(chǎn)生裂縫的原因之一。

表4 路基底座混凝土配合比 kg/m3

4 裂縫防治措施

針對(duì)上述底座混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，采取了以下措施:

1)優(yōu)化了混凝土配合比，盡量降低底座混凝土水泥用量，增加粉煤灰摻量以降低混凝土自身收縮變形，優(yōu)化調(diào)整后的混凝土配合比見表5。

表5 路基底座混凝土優(yōu)化后配合比 kg/m3

2)在滿足設(shè)計(jì)單位提出的K30≥190 MPa/m，Evd≥55 MPa，K≥0.97的前提下，減少基床表層級(jí)配碎石水泥摻量。

為合理選取級(jí)配碎石水泥摻量，建設(shè)單位組織3家施工單位，在監(jiān)理單位的旁站下，對(duì)不同來源的級(jí)配碎石摻 1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%水泥用量，按現(xiàn)場(chǎng)施工工藝進(jìn)行鋪設(shè)，分別測(cè)試K30，Evd及壓實(shí)系數(shù)指標(biāo)。3家施工單位測(cè)試結(jié)果基本相近:當(dāng)水泥摻量2.0%及以下時(shí)部分測(cè)試指標(biāo)達(dá)不到要求;當(dāng)水泥摻量2.5%時(shí)，各測(cè)試指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，但部分指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)值非常接近，考慮實(shí)際施工中材料的差異性，建議不予采用水泥摻量2.5%的方案;當(dāng)水泥摻量3.0%及以上時(shí)，3家施工單位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值均滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試值與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)有一定的富裕度。為減少基床表層級(jí)配碎石層對(duì)底座混凝土在溫度變化條件下的約束，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下，盡量降低水泥用量，建設(shè)單位組織相關(guān)單位對(duì)全線基床表層級(jí)配碎石水泥摻量由5.0%調(diào)整為3.0%進(jìn)行了變更處理。

3)合理安排施工組織，盡量避開夏季太陽輻射較高時(shí)段進(jìn)行混凝土施工，底座混凝土達(dá)到強(qiáng)度后盡早進(jìn)行軌道板鋪設(shè)等后續(xù)工序施工，以減少底座混凝土溫度梯度。

4)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，全線大面積施工時(shí)，督促施工單位落實(shí)專人養(yǎng)護(hù)管理制度，混凝土終凝后采用土工布灑水養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語

通過對(duì)成綿樂鐵路客運(yùn)專線路基段CRTSⅠ型無砟軌道試驗(yàn)段底座混凝土開裂情況的分析，確定了底座混凝土開裂的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)溫度梯度變形較大及基床表層水泥級(jí)配碎石約束力較強(qiáng)導(dǎo)致兩結(jié)構(gòu)層間變形不協(xié)調(diào)所致，并據(jù)此提出了底座混凝土防裂技術(shù)措施。

［1］中鐵五局成綿樂鐵路工程指揮部.底座裂紋成因分析及處理方案匯報(bào)材料［R］.成都:中鐵五局成綿樂鐵路工程指揮部，2011.

［2］中鐵二院集團(tuán)有限公司.CRTSⅠ型板式無砟軌道受力分析及裂紋分析［R］.成都:中鐵二院集團(tuán)有限公司，2011.

［3］陳伯靖，秦超紅，周建，等.大單元雙塊式無砟軌道溫度特性分析［J］.鐵道建筑，2013(2):88-91.

［4］李立娜.客運(yùn)專線CRTSⅠ型板式無砟軌道施工工藝研究［J］.鐵道建筑，2012(8):110-112.