崔穎輝

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

引言

我國(guó)東北、西北及華北地區(qū)廣泛分布季節(jié)性?xún)鐾?，尤其是東北部地區(qū)，環(huán)境非常嚴(yán)酷，冬季最低溫度在-40 ℃左右，土壤最大凍結(jié)深度超過(guò)2.0 m，屬于典型的季節(jié)性?xún)鐾镰h(huán)境。嚴(yán)寒季凍區(qū)路基存在凍脹問(wèn)題，路基凍脹會(huì)影響鐵路的平順性和乘坐舒適度，嚴(yán)重時(shí)將影響行車(chē)安全，高速鐵路季節(jié)性?xún)鐾谅坊纼雒浭亲顬榛A(chǔ)、最為核心的問(wèn)題。冬季軌道檢測(cè)結(jié)果表明，在已建成的嚴(yán)寒季凍區(qū)高速鐵路中部分路基地段產(chǎn)生不均勻凍脹，軌道結(jié)構(gòu)的平順性狀態(tài)明顯劣化。

近年來(lái)，為解決季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹問(wèn)題，研究人員提出了多種路基凍脹防護(hù)、監(jiān)測(cè)及整治措施。閆宏業(yè)等[1]闡述了哈大高鐵的凍脹情況及機(jī)理。張玉芝等[2-3]通過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及仿真分析，研究了季凍區(qū)高鐵路基地溫場(chǎng)分布規(guī)律。蔡德鉤等[4]研究路基凍脹的時(shí)空特征以及線路平順性與凍脹發(fā)展過(guò)程的關(guān)系。朱忠林等[5]提出將XPS保溫板埋設(shè)在路基中，減小路基體在低溫下產(chǎn)生的凍脹變形。劉輝[6]總結(jié)了季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基施工過(guò)程中的凍脹控制技術(shù)。張東卿等[7]從防凍脹、列車(chē)荷載影響以及瀝青混凝土封閉層耐久性三個(gè)方面研究了俄羅斯莫喀高鐵防凍脹路基。劉偉平[8]針對(duì)高鐵出現(xiàn)的路基凍脹現(xiàn)象，提出了一系列的整治措施。以上的工作對(duì)寒區(qū)高鐵特有的凍脹變形監(jiān)測(cè)、防護(hù)及整治提供了良好的工作基礎(chǔ)。

為解決高寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹問(wèn)題，我國(guó)采取了一系列防凍脹措施[9-16]，但在處理地下水水位較高或者排水困難的低路堤地段時(shí)，因填料基床可能造成地下水或地表水浸泡路基，使路基本體含水量增高，不利于控制路基凍脹?；炷劣懈邚?qiáng)度、高模量、低壓縮性、低滲透性等優(yōu)點(diǎn)，混凝土基床即在基床范圍內(nèi)使用混凝土代替容易發(fā)生凍脹的A、B組填料，從根源上減少凍脹的發(fā)生[14,17-18]。但在大體積混凝土基床結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒季凍區(qū)使用尚屬首次，不可避免地會(huì)遇到極端環(huán)境溫度下結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題，本文擬以哈齊高鐵混凝土基床路基地段為研究對(duì)象，分析季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)高鐵混凝土基床結(jié)構(gòu)溫度-變形特性，應(yīng)用有限元計(jì)算程序ABAQUS建立典型混凝土基床的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析模型，獲取了季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)混凝土基床結(jié)構(gòu)變形演化規(guī)律，分析厚度、長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)路基平順性的影響。

1 工程背景

哈齊高鐵全長(zhǎng)281.033 km，路基段長(zhǎng)度103.5 km，沿線經(jīng)過(guò)扎龍濕地與龍鳳濕地，路基排水困難，最冷月平均氣溫均低于-15 ℃，最大凍結(jié)深度哈爾濱2.05 m、肇東1.89 m、大慶2.14 m、泰康2.72 m、齊齊哈爾2.09 m，屬?lài)?yán)寒地區(qū)。對(duì)于路基路肩高程距離地下水位高程小于最大凍深+2.0 m，凍脹隱患較大的低路堤段落采用混凝土基床結(jié)構(gòu)，段落累計(jì)總長(zhǎng)度23.2 km。

參考TB10028—2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》與GB/T50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，哈齊高鐵混凝土基床10.5 m寬范圍內(nèi)澆筑C35素混凝土，表層設(shè)置鋼筋網(wǎng)，基床厚度不小于最大凍深+0.25 m，混凝土基床每隔20 m設(shè)置1道伸縮縫，縫寬0.02 m，縫內(nèi)填塞木絲板并設(shè)置傳力桿鋼筋。橫斷面方向混凝土基床表面自路基中心至軌道底座外邊緣設(shè)2%排水坡，自軌道底座外邊緣往線路外側(cè)設(shè)4%排水坡，如圖1所示?；矁蓚?cè)采用纖維混凝土封層，厚度不小于8 cm，每20 m設(shè)置1道伸縮縫，與混凝土基床伸縮縫錯(cuò)縫布置。

圖1 哈齊高鐵混凝土基床方案標(biāo)準(zhǔn)斷面示意

京沈高鐵沿用了混凝土基床結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，見(jiàn)圖2。路堤地段無(wú)砟軌道正線路基基床總厚度為2.7 m，基床范圍內(nèi)依次為C35混凝土，C20混凝土，級(jí)配碎石摻5%水泥，A、B組填料。C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度為最大凍結(jié)深度0.5 m，級(jí)配碎石摻5%水泥厚度為設(shè)計(jì)凍深——最大凍結(jié)深度。

圖2 京沈高鐵混凝土基床方案標(biāo)準(zhǔn)斷面示意(單位：m)

混凝土基床順線路方向每10 m設(shè)置伸縮縫，與軌道底板伸縮縫錯(cuò)縫布置，縫寬20 mm，于兩布一膜頂面位置伸縮縫設(shè)置中埋式止水帶，并搭接于兩布一膜之上，其上采用聚乙烯板(厚20 mm)、聚乙烯棒(直徑22 mm)及聚氨酯封堵，其中聚氨酯填塞深度不小于14 mm。

2 三維建模及邊界條件

本文使用順序耦合熱應(yīng)力分析對(duì)混凝土基床開(kāi)展仿真分析，此類(lèi)方法適用于應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的產(chǎn)生是由溫度場(chǎng)的存在造成的，且溫度求解的過(guò)程與應(yīng)力的狀態(tài)無(wú)關(guān)，即應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)依賴(lài)溫度的變化而產(chǎn)生，而溫度并不依賴(lài)于位移。該分析時(shí)需要兩個(gè)步驟，首先進(jìn)行熱傳導(dǎo)的分析，第二步將溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入熱應(yīng)力分析。

對(duì)于溫度應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，包括3個(gè)主要步驟：

(1)計(jì)算混凝土基床溫度場(chǎng)；

(2)定義混凝土基床溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為預(yù)定義場(chǎng)；

(3)將上述預(yù)定義場(chǎng)導(dǎo)入應(yīng)力分析模型，進(jìn)行溫度加載。

計(jì)算混凝土基床溫度應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，混凝土基床的初始應(yīng)力狀態(tài)為自重應(yīng)力，整體初始溫度取為6 ℃。在數(shù)值模型中考慮基床橫斷面為y方向的對(duì)稱(chēng)約束；縱斷面約束條件考慮為沿x方向的對(duì)稱(chēng)約束；底面的約束條件是沿z方向的垂直約束。圖3為數(shù)值模型概況，圖4為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度時(shí)程曲線，加載在模型表面。表1、表2分別為數(shù)值模型所需的材料計(jì)算參數(shù)及混凝土線膨脹系數(shù)。

圖3 混凝土基床數(shù)值模型概況

圖4 基床表層溫度擬合曲線

表1 材料計(jì)算參數(shù)

表2 混凝土線膨脹系數(shù) m/℃·10-6

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)高鐵混凝土路基溫度-應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模型計(jì)算以天為時(shí)間單位。由數(shù)據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率，每天為一個(gè)荷載時(shí)間段，全年劃分為365個(gè)時(shí)間段來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算精度達(dá)到0.1 ℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際情況，以2014年8月2日的路基溫度場(chǎng)為初始溫度場(chǎng)。模型上邊界條件采用試驗(yàn)斷面的現(xiàn)場(chǎng)溫度，左右邊界為絕熱。下邊界條件依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知該地區(qū)天然地面以下10 m處豎向熱交換甚微，地溫基本不變，年平均地溫6 ℃。為了全面驗(yàn)證混凝土基床的適用性，計(jì)算分析不同長(zhǎng)度、線膨脹系數(shù)在冬、夏兩季溫度梯度下，混凝土基床不同位置的變形規(guī)律。

以20 m長(zhǎng)混凝土基床為例，在8月份時(shí)混凝土基床施工完畢，基床整體豎向變形為0 mm，經(jīng)過(guò)施加溫度邊界條件，到第二年6月份時(shí)，混凝土基床表面豎向變形分布如圖5所示，在混凝土基床邊緣距初始位置約有0.5 mm的豎向變形，中點(diǎn)距初始位置約有0.2 mm豎向變形，最大變形差為0.3 mm，整體呈兩端低中間拱的拱形；到第二年11月份時(shí)，混凝土基床表面豎向變形分布如圖6所示，在混凝土基床邊緣距初始位置約有向上0.5 mm的豎向變形，中點(diǎn)距初始位置約有1.5 mm豎向變形，最大變形差為2.0 mm，整體呈兩端翹曲的拋物線形。

圖5 6月份混凝土基床豎向變形分布曲線

圖6 11月份混凝土基床豎向變形分布曲線

圖7、圖8為典型暖季、寒季混凝土基床整體變形形態(tài)。從圖7可以看出，在夏季混凝土基床沿線路方向，以分割的混凝土基床為單元，形成連續(xù)的上拱線性，但因基床在暖季施工，所以變形量較小，不足以引起軌道不平順問(wèn)題。從圖8可以看出，在冬季同樣以分割的混凝土基床為單元，形成連續(xù)的兩端翹曲中部下沉的拋物線形，由于大體積混凝土的溫度變形問(wèn)題，導(dǎo)致波峰與波谷間存在2 mm左右甚至更大的位移差，對(duì)軌道平順性有一定的影響。

圖7 夏季6月5日豎向位移場(chǎng)

圖8 冬季11月5日豎向位移場(chǎng)

3.1 10，20 m長(zhǎng)混凝土基床典型形態(tài)分析

混凝土基床長(zhǎng)度是影響其在溫度應(yīng)力下變形的重要參數(shù)之一，圖9～圖11為10 m長(zhǎng)和20 m長(zhǎng)混凝土基床隨時(shí)間變化的基床中心、邊緣以及兩者之差的時(shí)程曲線。從圖9可以看出，基床中心在1月份和12月份豎向變形最大，偏離原基準(zhǔn)位置分別接近-2.0 mm和-4.0 mm，夏季發(fā)生向上拱脹，分別達(dá)到0.5 mm和2.0 mm左右；從圖10可以看出，基床邊緣在冬季兩端翹曲，冬季翹曲量分別為0.5 mm和0.75 mm，夏季豎向變形較小，均在0.25 mm以?xún)?nèi)；從圖11可以看出，基床中心與邊緣豎向變形差在冬季時(shí)達(dá)到最大，10，20 m長(zhǎng)變形差分別為2.5 mm和4.8 mm，在夏季變形差可達(dá)1.0 mm和2.2 mm，在春秋兩季4，5月份以及9，10月份變形差最小?；炷粱查L(zhǎng)度越長(zhǎng)則變形差越大，縮小混凝土基床長(zhǎng)度能夠減少其變形幅度。

圖9 基床中心豎向位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖10 基床邊緣豎向位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖11 基床中心點(diǎn)與邊緣豎向位移之差時(shí)程曲線對(duì)比

3.2 不同溫度荷載對(duì)基床豎向變形的影響

混凝土基床的環(huán)境溫度是影響其變形的另一個(gè)重要參數(shù)，圖12～圖14為10 m長(zhǎng)混凝土基床在大慶和沈陽(yáng)溫度環(huán)境下隨時(shí)間變化的基床中心、邊緣以及兩者之差的時(shí)程曲線。從圖12可以看出，與大慶對(duì)比，沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下混凝土基床中心1月份和12月份變形量較小，均在0.5 mm以?xún)?nèi)，夏季上拱量在0.2 mm以?xún)?nèi)；從圖13可以看出，在沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下，基床邊緣豎向位移冬季翹曲量也較小，均在0.2 mm以?xún)?nèi)；在沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下，基床中心與邊緣豎向變形差也均在0.5 mm以?xún)?nèi)，對(duì)高鐵線路平順性影響較小。對(duì)比可知，氣溫環(huán)境對(duì)混凝土基床的變形影響極大，10 m長(zhǎng)混凝土基床在沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下變形差僅在0.5 mm以?xún)?nèi)。

圖12 基床中心豎向位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖13 基床邊緣豎向位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖14 基床中心點(diǎn)與邊緣豎向位移之差時(shí)程曲線對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬獲取了季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)混凝土基床結(jié)構(gòu)隨溫度變化規(guī)律，并對(duì)混凝土基床長(zhǎng)度、混凝土基床所處環(huán)境氣溫對(duì)其變形特性的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)環(huán)境下，由于其大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度梯度影響，造成了混凝土基床結(jié)構(gòu)冬季兩端翹曲中部凹陷，夏季兩端下沉中部凸起的現(xiàn)象。

(2)混凝土基床長(zhǎng)度是影響其在溫度應(yīng)力下變形的重要參數(shù)之一，10 m和20 m長(zhǎng)混凝土基床中心與邊緣豎向變形差可達(dá)2.5 mm和4.8 mm，混凝土基床長(zhǎng)度越長(zhǎng)則變形差越大，縮小混凝土基床長(zhǎng)度能夠減少其變形幅度。

(3)環(huán)境溫度對(duì)混凝土基床變形影響較大，在沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下，10 m長(zhǎng)混凝土基床在沈陽(yáng)氣溫環(huán)境下變形差僅在0.5 mm以?xún)?nèi)，對(duì)高鐵平順性影響較小。

混凝土基床是一種新型的高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)，對(duì)其的適用性研究尚屬起步階段，今后應(yīng)進(jìn)一步加大混凝土基床對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順性影響的研究。