楊文茂

摘要：鑒于無砟軌道諸多優(yōu)點(diǎn)，在重載鐵路隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道是一種較好的選擇，而國內(nèi)外對(duì)于隧道內(nèi)無砟軌道力學(xué)特性、選型設(shè)計(jì)的研究尚較少見。本文基于有限元理論建立了重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道空間耦合實(shí)體分析模型，系統(tǒng)分析了四種無砟軌道型式在車輛荷載、隧道口溫度梯度作用下的力學(xué)特性，并對(duì)雙塊式無砟軌道軌枕塊—道床結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度問題進(jìn)行了探討。主要結(jié)論如下：①隧道口溫度梯度作用下，CRTSⅠ型板式軌道存在諸多問題：1）鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移過大；2）軌道板易翹曲變形，帶動(dòng)鋼軌變形致其縱向應(yīng)力增大；3）軌道板脹縮擠壓道床板導(dǎo)致道床板局部應(yīng)力過大；4）凸臺(tái)剪應(yīng)力過大易被剪壞。故不推薦在重載鐵路隧道中使用該種軌道型式。②CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道對(duì)軌道結(jié)構(gòu)限位能力較好，但軌枕塊—道床結(jié)合面較為薄弱，不足以抵抗25t以上軸重車輛所產(chǎn)生的荷載；通過軌枕塊側(cè)面鑿毛、植入外伸鋼筋等方式可提高結(jié)合面的強(qiáng)度。故不推薦使用未經(jīng)改進(jìn)的CRTSⅠ型雙塊式軌道。③彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中橡膠套靴的存在可以較好地保護(hù)軌枕結(jié)構(gòu)，顯著減小其縱向應(yīng)力；同時(shí)套靴隔離了軌枕結(jié)構(gòu)和道床，避免了類似CRTSI型雙塊式軌道中軌枕—道床結(jié)合面薄弱引起的一系列病害；但是這兩種無砟軌道對(duì)鋼軌及軌枕結(jié)構(gòu)的垂橫向限位能力略顯不足。

Abstract： In view of many advantages of ballastless track， it is a good choice to pave ballastless track in tunnel for heavy haul railway. But there are few researches on the mechanical characteristics and design of ballastless track in tunnel. In this paper， spatial coupling solid model of ballastless track in tunnel for heavy haul railway is established based on the finite element theory. The mechanical characteristics of four types of ballastless tracks are analyzed under vehicle loads and temperature gradient， and the issue of bonding strength of sleeper-ballast bed interface for CRTSI bi-block track is discussed. The following conclusions are drawn： ①a lot of problems are exposed in CRTSI slab track under the temperature gradient of tunnel entrance： 1）longitudinal displacements of rail， track slab and bottom slab are overlarge； 2）bucking deformation of track slab is easy to occur， which causes the deformation of rail and increases its longitudinal stress； 3）the expansion and shrinkage of track slab cause overlarge stress of bottom slab； 4）the bulgy abutment bears overlarge shear stress and is prone to be damaged. Therefore， CRTSI slab track is not recommended in tunnel of heavy haul railway. ②CRTSI bi-block track has good performance in keeping the position of track structure. But the sleeper-ballast bed interface is too weak to bear the loads caused by vehicle of 25t or larger axle load. The bonding strength of interface can be enhanced by some measures like roughening the surface of sleeper and implanting steel bars in sleeper. Hence the unimproved CRTSI bi-block track is not recommended. ③For elastic bearing block track and elastic long sleeper track， the rubber boot can effectively protect the sleeper structure and decrease its longitudinal stress. Besides， the rubber boot separates the sleeper from ballast bed， which avoids some damages caused by the weakness of sleeper-ballast bed interface like CRTSI bi-block track. However， there is a slight deficiency in limiting the position of rail and sleeper for these two types of tracks.

關(guān)鍵詞：重載鐵路；無砟軌道；隧道；力學(xué)特性；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Key words： heavy haul railway；ballastless track；tunnel；mechanical characteristics；structural design

中圖分類號(hào)：U213.2+44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）18-0116-05

0 引言

重載鐵路具有運(yùn)能大、效率高、成本低等優(yōu)勢，受到世界各國鐵路的廣泛重視，已成為鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展的共同趨勢?！笆濉逼陂g，我國已在山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等省啟動(dòng)多條運(yùn)煤通道建設(shè)，掀起了重載鐵路建設(shè)新的高潮[1]。

國內(nèi)外重載鐵路大多采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)營過程中，隨著運(yùn)量逐年增大，鋼軌、焊接接頭及道岔的傷損數(shù)量大幅上升，道床殘余變形不斷增大、粉化板結(jié)日益嚴(yán)重，加劇了列車對(duì)軌下基礎(chǔ)的破壞和線路幾何狀態(tài)的惡化，形成軌道狀態(tài)的惡性循環(huán)[2]。另外，隨著行車密度和載重量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的干線鐵路，天窗兌現(xiàn)率越來越低，可用于重載線路養(yǎng)護(hù)維修的時(shí)間較短，難以對(duì)線路病害進(jìn)行及時(shí)維修。尤其在長大隧道內(nèi)，作業(yè)空間受限，工作環(huán)境惡劣，有砟軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)更加困難[3]。再者，相對(duì)于無砟軌道，有砟軌道需要更大的隧道凈空，這意味著更大的隧道開挖斷面和更大的開挖難度，導(dǎo)致隧道建設(shè)成本的大幅增加[4]。

無砟軌道具有高平順性、高穩(wěn)定性、良好的耐久性和少維修等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外高速鐵路以及客貨混運(yùn)鐵路上得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)西康線秦嶺特長隧道內(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量約是有砟軌道工作量的1/10。因此，重載鐵路隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道不失為一種好的選擇。

然而，目前對(duì)于重載鐵路，國內(nèi)外還沒有大規(guī)模鋪設(shè)無砟軌道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)外對(duì)于重載鐵路技術(shù)的研究大多局限于有砟軌道結(jié)構(gòu)，對(duì)于無砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)重載線路的適應(yīng)性問題，系統(tǒng)、全面的研究尚不多見。因此，有必要針對(duì)重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性以及選型、設(shè)計(jì)問題，進(jìn)行系統(tǒng)的分析，為無砟軌道在重載隧道內(nèi)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

本文從力學(xué)分析角度對(duì)于重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道的選型設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了一定的探索?；谟邢拊碚摻⒘酥剌d鐵路無砟軌道空間耦合精細(xì)化分析模型，對(duì)于鋼軌、軌枕、道床等結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，扣件采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，剛度取值基于參數(shù)試驗(yàn)?；谒⒌牧W(xué)模型系統(tǒng)分析了CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道在車輛垂、橫向荷載以及隧道口溫度梯度荷載條件下的力學(xué)特性。并對(duì)CRTSI型雙塊式無砟軌道普遍存在的軌枕塊與道床結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度問題進(jìn)行了深入的探討。

1 力學(xué)模型

基于有限元理論，借助ABAQUS軟件，分別針對(duì)CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道四種軌道結(jié)構(gòu)型式，建立空間耦合實(shí)體分析模型，如圖1所示。鋼軌及軌下結(jié)構(gòu)均根據(jù)實(shí)際尺寸采用實(shí)體單元建模，對(duì)于不同軌道結(jié)構(gòu)型式各結(jié)構(gòu)層及細(xì)部特征進(jìn)行精細(xì)化的模擬?？奂到y(tǒng)采用9根非線性彈簧阻尼單元進(jìn)行模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，同時(shí)可有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；扣件阻力、剛度取值基于參數(shù)試驗(yàn)確定[5]。

2 不同無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

2.1 荷載工況 重載鐵路在軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，車輛荷載的作用往往是大家最為關(guān)注的問題。同時(shí)，隧道內(nèi)無砟軌道和無縫線路的設(shè)計(jì)要充分考慮隧道內(nèi)外溫度差異引起的溫度力分布不均勻問題。因此，本節(jié)在分析無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性時(shí)，主要考慮車輛垂、橫向荷載以及隧道口溫度梯度荷載作用的情況。

2.1.1 車輛荷載 根據(jù)《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（報(bào)批稿）》，對(duì)于重載無砟軌道，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載按以下方式取值：

①豎向設(shè)計(jì)荷載：Pd=α·Pj

式中：Pd為動(dòng)輪載；α為動(dòng)載系數(shù)，設(shè)計(jì)軸重為25t的特重三級(jí)線路取2.5，其他取3.0；Pj為靜輪載。

②橫向設(shè)計(jì)荷載：Q=0.8Pj

2.1.2 隧道口溫度梯度 關(guān)于隧道內(nèi)外溫差取值，文獻(xiàn)[6]指出，根據(jù)我國與日本的觀測資料，夏季隧道內(nèi)軌溫要比隧道外低20℃左右，冬季隧道內(nèi)軌溫則比隧道外高17℃?？烧J(rèn)為隧道內(nèi)外的最大軌溫差為20℃。文獻(xiàn)[7]指出，據(jù)觀測，無論夏季或冬季，隧道內(nèi)的軌溫與氣溫基本接近；夏季隧道內(nèi)的氣溫、軌溫分別比隧道外低20～30℃，冬季隧道內(nèi)氣溫、軌溫均高于隧道外3～8℃。綜合以上資料，考慮最不利的情況，本文計(jì)算中取隧道內(nèi)外溫差為30℃。

關(guān)于隧道口溫度過渡段的長度，文獻(xiàn)[6]根據(jù)在北京局豐沙線隧道內(nèi)外進(jìn)行的軌溫測量結(jié)果得出結(jié)論：隧道內(nèi)外軌溫變化過渡區(qū)大約在洞外15m范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[7]指出，溫度過渡段的長度因隧道長短、方向和通風(fēng)條件的不同而不同，一般為10～50m。同樣考慮最不利的情況，取溫度過渡段長度為10m進(jìn)行計(jì)算，則對(duì)應(yīng)的溫度梯度取值為3℃/m。

2.2 力學(xué)特性分析 本節(jié)系統(tǒng)分析CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道以及彈性長枕式無砟軌道四種軌道結(jié)構(gòu)在車輛荷載和隧道口溫度梯度作用下的力學(xué)特性。

2.2.1 車輛荷載 以30t軸重車輛垂、橫向荷載為例，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1、表2。

由表1、2可以看出，在車輛荷載作用下，CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的鋼軌垂、橫向位移均較小，說明其軌下垂、橫向剛度較大，對(duì)鋼軌的限位能力比較好。相比之下，彈性支承塊式無砟軌道和彈性長枕式無砟軌道由于橡膠套靴的存在，降低了其軌下支承剛度，削弱了對(duì)鋼軌的限位能力。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力相差不大，而CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力明顯偏大，這也主要是由于其軌下支承剛度較大所致。

具有獨(dú)立軌枕結(jié)構(gòu)的無砟軌道中，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的軌枕塊垂、橫向位移明顯較小，這說明其對(duì)軌枕塊的限位能力較強(qiáng)。彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道的軌枕結(jié)構(gòu)垂、橫向位移均較大，說明其對(duì)軌枕的限位能力相對(duì)較弱。幾種無砟軌道道床結(jié)構(gòu)垂、橫向位移相差不大，且均較小，垂向位移最大為0.15mm，橫向位移最大為0.038mm。

在垂向荷載作用下，軌枕和道床受壓應(yīng)力為主，加裝橡膠套靴的彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道受力較CRTSI型雙塊式無砟軌道明顯偏小。在橫向荷載作用下，軌枕道床結(jié)構(gòu)主要受拉應(yīng)力，彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道的軌枕、道床縱向應(yīng)力明顯小于CRTSI型雙塊式無砟軌道，但橫向應(yīng)力比雙塊式無砟軌道大。總體來看，無砟軌道道床結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，一般不超過1.3MPa，軌枕結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)較大。

2.2.2 隧道口溫度梯度荷載

隧道口溫度梯度荷載作用下不同軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性對(duì)比見表3。

由表3可以看出，在隧道口溫度梯度荷載條件下，CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移最大可達(dá)1.43mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它三種無砟軌道。這是由于CRTSⅠ型板式無砟軌道為單元板式結(jié)構(gòu)，每塊軌道板都會(huì)產(chǎn)生一定的伸縮，而其它三種軌道結(jié)構(gòu)的道床均為縱向連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板垂向位移及垂向相對(duì)位移（同一塊板垂向位移最大最小值之差）也明顯大于其他三種軌道結(jié)構(gòu)，通過受力變形分布圖（圖2）可以看出，CRTSⅠ型板式無砟軌道在溫度梯度荷載下會(huì)比其他軌道結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生翹曲變形，影響軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和幾何形位。

CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌縱向溫度應(yīng)力也明顯較大，彈性長枕式無砟軌道鋼軌溫度應(yīng)力相對(duì)最小。同樣由圖2可知，CRTSⅠ型板式無砟軌道在溫度梯度荷載下軌道板翹曲變形帶動(dòng)鋼軌隨之變形，使板端位置處鋼軌的應(yīng)力顯著增大。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道軌枕塊縱向應(yīng)力較大，可達(dá)10.97MPa，然而在加裝橡膠套靴后，軌枕塊縱向應(yīng)力大大減小。彈性長枕式無砟軌道的軌枕縱向應(yīng)力相對(duì)最小，僅為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的3.4%。由此可見，橡膠套靴放松了對(duì)軌枕塊脹縮變形的限制，對(duì)軌枕塊起到了有效的保護(hù)作用。

CRTSⅠ型板式無砟軌道并未起到降低軌道結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的作用，其軌道板縱向應(yīng)力可達(dá)4.12MPa，道床板縱向應(yīng)力甚至達(dá)到15.71MPa，超過了相同荷載條件下的縱連式軌道。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力變形圖（圖3）可知，由于軌道板的伸縮變形對(duì)道床板產(chǎn)生了較強(qiáng)的拉壓作用，導(dǎo)致道床局部應(yīng)力增大。

另外，CRTSⅠ型板式無砟軌道凸臺(tái)水平面所受剪應(yīng)力較大，達(dá)到4.68MPa，凸臺(tái)很容易因此而被剪壞，如圖4所示。

3 CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床粘結(jié)強(qiáng)度問題的討論

對(duì)于CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，軌枕塊為工廠內(nèi)預(yù)制，而道床為現(xiàn)場澆筑。這樣一來，相對(duì)來說，軌枕塊為舊混凝土，而道床為新混凝土。大量的試驗(yàn)測試和工程實(shí)踐表明，在新舊混凝土結(jié)合面處存在著一個(gè)過渡區(qū)，過渡區(qū)強(qiáng)度較小，是混凝土結(jié)構(gòu)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。

另外，在雙塊式無砟軌道中，新、舊混凝土的相對(duì)位置較為不利，更加劇了界面過渡區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展。道床（新混凝土）位于軌枕塊（舊混凝土）的下部和側(cè)部，在道床凝結(jié)硬化的過程中，位于軌枕塊下部的道床混凝土，由于混凝土泌水、氣泡截留于軌枕塊底部等原因，形成了更為薄弱的過渡區(qū)，進(jìn)一步削弱了結(jié)合面的粘結(jié)性能。而位于軌枕塊側(cè)部的道床混凝土，更容易因?yàn)槿睗{現(xiàn)象而降低結(jié)合面的粘結(jié)性能[8-10]。

而對(duì)于其它三種軌道結(jié)構(gòu)來說，CRTSⅠ型板式無砟軌道的軌道板、底座板均為預(yù)制，只有砂漿層現(xiàn)澆，砂漿層強(qiáng)度較小，其本身強(qiáng)度就小于其與軌道板和底座板之間的粘結(jié)強(qiáng)度，故無需考慮結(jié)合面強(qiáng)度問題。彈性支承塊式無砟軌道和彈性長枕式無砟軌道由于橡膠套靴的存在，道床與軌枕塊本身就是分離的，故也不存在新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度問題。因此，本節(jié)只針對(duì)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，討論其普遍存在的新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度問題。

3.1 軌枕塊—道床結(jié)合面抗剪強(qiáng)度

對(duì)于未植入鋼筋的混凝土，新舊混凝土結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度與舊混凝土表面粗糙度存在著密切的關(guān)系[11]。粗糙度是影響粘結(jié)性能的一個(gè)重要因素，適當(dāng)?shù)拇植诙饶軌蛴行岣呋炷恋恼辰Y(jié)質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，表面粗糙度與粘結(jié)強(qiáng)度存在如圖5所示關(guān)系。

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工中，軌枕塊表面較為光滑，未進(jìn)行鑿毛處理，可認(rèn)為其表面粗糙度為0，按照?qǐng)D5中所示公式計(jì)算，結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度為1.129MPa。當(dāng)表面粗糙度為2mm左右時(shí)，根據(jù)圖5算得粘結(jié)強(qiáng)度為1.491MPa。因此可以假定，光滑表面比粗糙度為2mm左右時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度降低了24%左右。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，表面粗糙度約為2mm時(shí)，結(jié)合面在未植筋、未刷界面劑情況下的抗剪強(qiáng)度約為新混凝土抗剪強(qiáng)度的58%左右。因此，可認(rèn)為在較為光滑的條件下（表面粗糙度約為0），結(jié)合面抗剪強(qiáng)度約為新混凝土抗剪強(qiáng)度的58%×（1-24%）=44.08%。

綜合以上分析，樂觀估計(jì)，雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床板結(jié)合面抗剪強(qiáng)度應(yīng)在道床混凝土強(qiáng)度的45%以下。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，C40混凝土純剪強(qiáng)度為1.35MPa，按45%折減為0.608MPa。

3.2 軌枕塊—道床結(jié)合面剪切應(yīng)力分析

考察25t、30t、35t軸重車輛垂向荷載作用下，CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊—道床結(jié)合面的剪切應(yīng)力分布情況。動(dòng)載系數(shù)根據(jù)2.1.1節(jié)中討論取值，計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示。

可以看出，當(dāng)軸重達(dá)到25t時(shí)，軌枕—道床前后結(jié)合面剪切應(yīng)力已接近限值，軸重更高情況下則剪切應(yīng)力超出限值范圍，雙塊式軌枕與道床板間極易發(fā)生剪切破壞。

3.3 結(jié)合面加強(qiáng)措施初探

既有設(shè)計(jì)條件下，雙塊式軌枕表面較為光滑，通過下部鋼筋框架將兩個(gè)軌枕塊橫向連接，這樣既保證了軌枕塊的橫向剛度，也提高了軌枕塊底部與道床板的連接強(qiáng)度，確保軌枕塊不會(huì)因上拔力影響而破壞。但軌枕塊側(cè)面的光滑表面導(dǎo)致軌枕—道床側(cè)向連接較為薄弱，由上節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，在重載條件下，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道存在軌枕—道床結(jié)合面抗剪強(qiáng)度不足的缺陷。針對(duì)此問題，須對(duì)軌枕塊側(cè)面進(jìn)行改進(jìn)處理，以適應(yīng)重載運(yùn)輸條件。

對(duì)軌枕塊側(cè)面的處理可以從側(cè)面鑿毛和設(shè)置軌枕塊外伸鋼筋兩方面來考慮。通過側(cè)面鑿毛，提高軌枕塊表面的粗糙度，對(duì)軌枕—道床結(jié)合面抗剪強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，而設(shè)置軌枕塊外伸鋼筋對(duì)于提高結(jié)合面抗剪強(qiáng)度能夠起到更為顯著的效果。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，一般的鑿毛處理能使舊混凝土表面粗糙度達(dá)到2mm左右，在粗糙度為2mm的條件下澆筑混凝土，結(jié)合面抗剪強(qiáng)度為澆筑混凝土的58%左右，即約為：58%×1.35MPa=0.783MPa。

從圖8可以看出，軌枕塊側(cè)面經(jīng)鑿毛處理后，無砟軌道結(jié)構(gòu)能適應(yīng)的軸重條件由25t提高至30t，且有一定安全余量，但仍不能滿足35t軸重的要求。

外伸鋼筋能夠更好地提高結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度，具體提升比例與外伸鋼筋數(shù)量及鋼筋外伸長度有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，在100mm×100mm試件上植入4根？準(zhǔn)10鋼筋，并外伸50mm時(shí)，結(jié)合面抗剪強(qiáng)度提升至新混凝土抗剪強(qiáng)度的120%左右，外伸100mm時(shí)抗剪強(qiáng)度提升達(dá)新混凝土的200%左右。

可見，通過植入外伸鋼筋可使結(jié)合面抗剪強(qiáng)度超過新混凝土本身的抗剪強(qiáng)度。假定在雙塊式軌枕周圍外伸鋼筋，而抗剪強(qiáng)度為道床板抗剪強(qiáng)度的100%，即1.35MPa，在此情況下結(jié)合面抗剪強(qiáng)度對(duì)于重載條件的適應(yīng)性如圖9所示。

此時(shí)，即使當(dāng)車輛軸重增至35t時(shí)，雙塊式軌枕與道床板的結(jié)合面仍不會(huì)因車輛荷載的作用而被剪壞，且尚有較大安全余量。

4 結(jié)論

本文基于有限元理論建立了重載鐵路無砟軌道空間耦合精細(xì)化實(shí)體分析模型，系統(tǒng)分析了CRTSI型板式、CRTSI型雙塊式、彈性支承塊式、彈性長枕式無砟軌道在車輛荷載以及隧道口溫度梯度荷載條件下的力學(xué)特性，并對(duì)CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度問題進(jìn)行了探討。主要得出以下結(jié)論：

①隧道口溫度梯度荷載下，CRTSⅠ型板式無砟軌道存在諸多問題：1）鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移過大；2）軌道板易產(chǎn)生翹曲變形，帶動(dòng)鋼軌變形并導(dǎo)致鋼軌縱向應(yīng)力增大；3）軌道板的脹縮會(huì)對(duì)下部的道床板產(chǎn)生較強(qiáng)的拉壓作用，導(dǎo)致道床板局部應(yīng)力過大；4）凸臺(tái)剪切應(yīng)力較大，易被剪壞。故不推薦在重載鐵路隧道中使用該種軌道結(jié)構(gòu)型式。②CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的限位能力較好。但在軌枕塊—道床結(jié)合面較為薄弱，結(jié)合面抗剪強(qiáng)度不足以抵抗25t以上軸重車輛所產(chǎn)生的荷載。通過在軌枕塊側(cè)面鑿毛、軌枕塊四周植入外伸鋼筋等方式可以在一定程度上提高軌枕—道床結(jié)合面的強(qiáng)度。故不推薦在重載鐵路隧道中使用未經(jīng)改進(jìn)和處理的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。③在彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中，橡膠套靴的存在可以較好地保護(hù)軌枕結(jié)構(gòu)，使其在隧道口溫度梯度荷載下不至于產(chǎn)生過大的縱向應(yīng)力。同時(shí)，橡膠套靴隔離了軌枕塊和道床，使彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中不存在類似CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的軌枕—道床結(jié)合面，從而避免了因軌枕—道床結(jié)合面薄弱而產(chǎn)生的一系列病害。但是，這兩種無砟軌道對(duì)鋼軌及軌枕結(jié)構(gòu)的垂橫向限位能力略顯不足。

研究可為重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考，為無砟軌道在重載鐵路隧道中的推廣應(yīng)用奠定一定的研究基礎(chǔ)。

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