陳其強

作為鐵路軌道的重要結(jié)構(gòu)形式之一，雙塊式無砟軌道以其整體性良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和便于養(yǎng)護等優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于鐵道線路。大量工程實踐表明，雙塊式無砟軌道裂縫的存在對軌道穩(wěn)定性、線路平順性和混凝土耐久性造成了較大威脅，有必要對其成因和控制措施進行系統(tǒng)的研究。本文從軌道開裂形態(tài)、軌道混凝土開裂機理和典型軌道防裂優(yōu)化設(shè)計方案等方面，深入剖析雙塊式無砟軌道開裂機理和軌道防裂措施的研究發(fā)展現(xiàn)狀。為優(yōu)化雙塊式無砟軌道設(shè)計與施工工藝提供理論依據(jù)，進而為高鐵安全穩(wěn)定運行提供更為優(yōu)良的基礎(chǔ)條件。

伴隨著國民生活水平逐步邁上新臺階，我國的高鐵建設(shè)技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，且不斷朝著綠色智能、安全高效的目標邁進。雙塊式無砟軌道以其整體性良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和便于養(yǎng)護等優(yōu)勢，已成為我國高速鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)斷面圖

由于溫度梯度、列車荷載作用及新舊混凝土粘結(jié)不良等原因，雙塊式無砟軌道常處于帶裂縫工作狀態(tài)。且當(dāng)軌道表面裂縫寬度水平較高時，裂縫將由混凝土保護層表面不斷發(fā)展至板內(nèi)鋼筋周圍，并形成貫穿裂縫，進而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕和軌道結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性能的退化。

雙塊式無砟軌道的裂縫成因和控制措施一直是工程界十分關(guān)注的問題。本文基于文獻調(diào)研，從軌道開裂形態(tài)及開裂機理和典型軌道防裂優(yōu)化設(shè)計方案等方面，深入分析國內(nèi)外軌道抗裂研究相關(guān)理論與技術(shù)發(fā)展動態(tài)，為今后雙塊式無砟軌道抗裂性能研究提供理論參考。

一、裂縫的種類及特征

雙塊式無砟軌道開裂示意如圖2所示。主要有以下類型：

圖2 雙塊式無砟軌道典型開裂形態(tài)

1.道床板裂縫

（1）道床板上軌枕四周的角裂縫。道床板上軌枕塊四周的角裂縫是雙塊式無砟軌道的主要開裂形態(tài)。八字裂縫多出現(xiàn)于軌枕與道床板四角道床板一側(cè)，呈八字形。道床板與軌枕四角處主拉應(yīng)力值超越混凝土的抗拉強度后，道床板表面即開裂，并逐漸向外擴展，產(chǎn)生“八字形”裂縫。另一方面，運營條件下，在列車荷載等局部應(yīng)力作用下，軌枕塊四周的道床板混凝土的微裂縫進一步加速發(fā)展。

（2）道床板表面呈龜裂狀或樹枝狀的裂縫。由于澆筑初期混凝土布料不均勻、灑水壓光或養(yǎng)護條件不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致道床板表面缺水，內(nèi)外體積變形不均勻，產(chǎn)生呈龜裂狀或樹枝狀的裂縫。龜裂一般在澆筑后3d左右出現(xiàn)，此類開裂形態(tài)主要出現(xiàn)于道床板混凝土表面，裂縫寬度較小且分布規(guī)律較差。

（3）現(xiàn)澆道床混凝土與軌枕界面離縫。此類裂縫多于道床板混凝土澆筑后10d左右出現(xiàn)，主要分布于軌枕與道床板界面處且裂縫寬度較大。

2.支承層裂縫

（1）支承層橫向貫通裂縫。由于支承層澆筑完成后未及時設(shè)置伸縮縫假縫，支承層每隔5～15m會出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)即貫通整個支承層。這種橫向貫通裂縫出現(xiàn)在各種類型的無砟軌道的支承層，會降低無砟軌道的絕緣性能，使軌道的局部承載力減弱，危害較大。該型裂縫寬度較大且貫穿道床板，常分布于與鐵道線路垂直的方向。

（2）支承層假縫處的反射裂縫。反射裂縫一般出現(xiàn)在支承層假縫處所對應(yīng)的道床板表面，相對較寬且易貫通。

二、裂縫成因分析

結(jié)合雙塊式無砟軌道工程實例及相關(guān)研究結(jié)果分析，導(dǎo)致雙塊式無砟軌道開裂的原由主要有以下六部分：無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計、混凝土溫度變形、混凝土早期收縮、混凝土配合比設(shè)計與制備技術(shù)、現(xiàn)場施工工藝、混凝土早期養(yǎng)護方法和鋼軌變形等原因。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計原因

在軌枕-道床體系中，軌枕表面與道床混凝土為新舊混凝土相互聯(lián)結(jié)，同時，聯(lián)結(jié)界面處并無相關(guān)附加增強措施，導(dǎo)致道床混凝土與軌枕之間變形并非完全協(xié)調(diào)。另一方面，道床板混凝土澆筑后，混凝土由于內(nèi)部水分散失易產(chǎn)生塑性收縮變形，收縮變形傳遞至軌枕-道床板聯(lián)結(jié)界面區(qū)，并進一步導(dǎo)致軌枕四周新舊混凝土界面處出現(xiàn)環(huán)向離縫；同時，工程實際中，軌枕與道床板四角常近似設(shè)計為直角，軌枕塊的四角與道床板混凝土界面處會由于新混凝土的早期變形而呈現(xiàn)應(yīng)力集中特征，并出現(xiàn)八字形裂縫。

支承層產(chǎn)生貫通裂縫的主要原因是伸縮縫間距設(shè)置過大，不能很好地起到調(diào)節(jié)長大混凝土板收縮變形的作用。此外，當(dāng)?shù)来不炷僚浣盥瘦^低時，也會間接擴大裂縫寬度。

2.溫度收縮及混凝土收縮

（1）溫度收縮。溫度變化會使混凝土道床板發(fā)生伸長、收縮、翹曲等變形。而雙塊式無砟軌道內(nèi)部配筋會約束混凝土的變形，并導(dǎo)致道床混凝土內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，同時，伴隨著內(nèi)應(yīng)力不斷增長，道床板混凝土出現(xiàn)裂縫并進一步發(fā)展。道床板溫差來源一般有以下兩種：①混凝土內(nèi)水泥水化放熱而引起的內(nèi)外溫差；②溫度季節(jié)性變化、日照循環(huán)交替引起的道床板整體溫度升降差與不同位置處的溫度梯度。

（2）混凝土收縮。包括塑性收縮和干燥收縮：①塑性收縮：混凝土在澆筑后至凝結(jié)前處于塑性狀態(tài)時的收縮變形，主要是由于混凝土表面水分散失過快導(dǎo)致的；②干燥收縮：指混凝土凝結(jié)后內(nèi)外相對濕度差異所導(dǎo)致的收縮變形，內(nèi)部水分蒸發(fā)慢，變形較小，表面水分蒸發(fā)快，變形較大。

3.混凝土制備方法

粗、細骨料中有害雜質(zhì)含量較多、運輸過程中新拌漿體加水、外加劑與膠凝材料不相容等原因，都會增大混凝土坍落度，易造成混凝土材料分布不均勻且變形差異的現(xiàn)象，并進一步導(dǎo)致道床板混凝土的開裂。

4.施工工藝不當(dāng)原因

施工工藝對工程質(zhì)量的影響至關(guān)重要，導(dǎo)致雙塊式無砟軌道產(chǎn)生裂縫的不當(dāng)施工工藝包括但不限于以下幾個方面：（1）混凝土布料工藝不當(dāng)，骨料分布不均勻；（2）模板、鋼筋網(wǎng)對骨料塑性沉落的抑制作用，產(chǎn)生沿鋼筋走向的裂紋；（3）抹面時間掌握不準；（4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降；（5）道床板與支承層施工間隔過短，支承層變形未停止，導(dǎo)致道床板變形開裂。

5.混凝土養(yǎng)護原因

對于雙塊式無砟軌道，養(yǎng)護不良是軌道開裂的最重要原因?；炷脸跄?，未及時覆蓋、覆蓋不嚴密或養(yǎng)護時間不足，導(dǎo)致水分散失過快，進一步致使混凝土產(chǎn)生干縮裂縫。

6.鋼軌變形原因

當(dāng)溫度出現(xiàn)較大突變時，鋼軌與混凝土溫度變形不再協(xié)調(diào)。此時，為約束鋼軌伸長，道床板混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力高于混凝土抗拉強度后，道床板混凝土出現(xiàn)脆性開裂現(xiàn)象。

三、防裂優(yōu)化設(shè)計方法

當(dāng)前，針對雙塊式無砟軌道開裂模式、開裂機理和各因素對軌道抗裂性能影響規(guī)律的相關(guān)研究已取得大量豐碩成果。同時，如何有效提升其抗裂性能也成為其進一步發(fā)展的關(guān)鍵。為此，國內(nèi)外學(xué)者圍繞雙塊式無砟軌道防裂設(shè)計方案展開了系列研究，并提出多種不同優(yōu)化方案。其中，較為典型的有：優(yōu)選混凝土配合比、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置方案、改善施工工藝、適當(dāng)增大道床板鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋、加強早期養(yǎng)護和適時拆除工裝等。

1.優(yōu)選混凝土配合比

既有研究表明，雙塊式無砟軌道的抗裂性能與其所用混凝土配比相關(guān)性較大。其中，選用低膠凝材料用量或摻入防裂材料的混凝土作為軌道板混凝土后，構(gòu)件開裂性能有明顯改善。另一方面，低坍落度混凝土作為道床混凝土后，結(jié)構(gòu)抗裂性能亦有所改善。故對于實際工程，宜基于施工場地氣候條件適當(dāng)選擇混凝土配合比，且應(yīng)遵循“低膠材用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”的“三低一高”原則。

2.優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置方案

有關(guān)道床板對無砟軌道抗裂性能影響分析表明：隨著雙塊式無砟軌道板尺寸的增加，由于混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力亦有所增大，進而導(dǎo)致構(gòu)件的抗裂性能退化。其中，當(dāng)?shù)来舶彘L度由3.9m增大至19.5m后，道床板表面最大裂縫寬度約由0.075mm增大至0.28mm，增長了達2.73倍。因此，宜優(yōu)先選用單元式軌道板或在軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)收縮縫以減少由于混凝土收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.改善施工工藝

施工工藝對成型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及抗裂性能影響較大。因此，為有效改善雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的抗裂性能，需改善其施工工藝。具體措施有：嚴格控制工程所需材料的各項指標；澆筑道床板混凝土前預(yù)先對軌枕表面進行界面處理并灑水保濕以改善新舊混凝土間的界面粘結(jié)性能；澆筑混凝土?xí)r應(yīng)加強振搗以保證結(jié)構(gòu)混凝土密實度；混凝土澆筑完成后，對軌道板表面應(yīng)進行多次抹面收光；避免陰雨天、大風(fēng)天等惡劣氣候環(huán)境下施工。

4.適當(dāng)增大道床板鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋

有關(guān)配筋率及鋼筋直徑對雙塊式無砟軌道抗裂性能影響分析表明：伴隨著配筋率的增大，軌道開裂風(fēng)險降低，其中，當(dāng)?shù)来舶邃摻钆浣盥始s由0.7%升至0.8%后，道床板表面平均裂縫寬度由1.17mm降至0.91mm。此外，當(dāng)鋼筋直徑更小時軌道抗裂性能更優(yōu)。其中，當(dāng)鋼筋配筋率均為0.8%時，鋼筋直徑由20mm增大至25mm后，道床板表面平均裂縫間距約由110.53mm增至135.79mm。綜上，軌道板內(nèi)配筋率及配筋直徑對軌道開裂性能影響較大，宜合理設(shè)置配筋率，同時優(yōu)選直徑較小的鋼筋作為配筋。

5.加強早期養(yǎng)護

為避免澆筑后混凝土表面濕度的降低，延緩無砟軌道混凝土內(nèi)部濕度擴散，道床板混凝土澆筑完成后應(yīng)及時覆蓋塑料薄膜、稻草板或土工布并加強灑水養(yǎng)護。

6.適時拆除工裝

對于雙塊式無砟軌道，應(yīng)確定恰當(dāng)?shù)臅r機對軌道應(yīng)力進行釋放，以避免由于鋼軌的熱脹冷縮引起的軌道板裂縫。

四、結(jié)語

總體而言，國內(nèi)外學(xué)者已圍繞雙塊式無砟軌道的抗裂性能展開了大量研究。然而，軌道線路所處的環(huán)境條件也不斷趨于復(fù)雜，仍需進一步提升無砟軌道抗裂性能研究的基礎(chǔ)理論與技術(shù)水平，從而為高鐵安全穩(wěn)定運行提供更為優(yōu)良的基礎(chǔ)條件。基于文獻調(diào)研與分析，本文主要得出以下結(jié)論與建議：

1.雙塊式無砟軌道開裂模式主要有軌枕四周角裂縫、道床板表面龜裂、支承層橫向貫通裂縫、支承層反射裂縫和界面離縫等。引發(fā)軌道板開裂的原因主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫度變形及混凝土收縮、混凝土品質(zhì)及混凝土制備技術(shù)、施工與養(yǎng)護工藝不當(dāng)和鋼軌變形等。

2.雙塊式無砟軌道主要防裂方案有優(yōu)選混凝土配合比、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、改善施工工藝、適當(dāng)增大鋼筋配筋率或選用直徑較小的鋼筋、加強早期養(yǎng)護和適時拆除工裝等。

3.雙塊式無砟軌道復(fù)雜環(huán)境下的抗裂性能研究仍不夠充分，有關(guān)嚴寒、海洋環(huán)境下無砟軌道抗裂性能研究少有報道。因此，仍需對復(fù)雜環(huán)境下的軌道抗裂性能展開深入研究。