日本寒冷地区无砟轨道砂浆层病害与维护进展.pdf

对日本寒冷地区板式无砟轨道砂浆层病害成因、劣化机理、检查方法、判断标准、保护措施、维修技术等进行归纳总结比较各类方法及标准的优劣以期为我国高速铁路无砟轨道运维提供参考 研究结论:冻融循环作用是寒冷地区砂浆层劣化主要原因劣化后长期受列车反复荷载作用会影响正常使用落锤试验法和敲击回音法均可判断离缝是否出现而敲击回音法更适合向机械化与智能化方向发展 此外本文对不同维修指标对应的评价标准进行梳理并根据不同病害位置分类归纳维修方法以针对性提供养护维修应用方案关键词:板式无砟轨道 寒冷地区 砂浆层病害 养护维修中图分类号:.文献标识码:./.():.:.:引言日本高速铁路系统新干线自 年起 年间共开通了 条线路 板式无砟轨道从山阳新干线起逐步使用在东北 上越新干线全线的利用率不小于 板式无砟轨道投入使用的 年间寒冷地区砂浆层出现缺损、掉块因此采用消泡 型 砂浆有效提高 砂浆的耐冻性能 北陆新干线后使用的 砂浆加入了聚合物进一步提高了耐寒性能 尽管如此 砂浆层外围轨道板板角位置常发生病害我国哈大、哈齐高速铁路服役于高寒地区采用的 型板式无砟轨道源于日本板式无砟轨道 基于日本 砂浆灌注技术经验我国严格要求 砂浆材料质量与灌注施工技术提高了其耐寒耐久性经过十年左右的服役哈大、哈齐高铁 砂浆层整体性能良好但局部出现了裂纹、掉块移位、离缝等伤损且随线路由南向北的延伸和服役时间的增加竖向裂纹数量增加本文对日本无砟轨道在寒冷地区的砂浆层病害以及维护技术进展进行解析为我国高速铁路无砟轨道的运维提供参考 寒冷地区板式无砟轨道砂浆层病害研究.病害成因与劣化机理寒冷地区砂浆层劣化原因包括由冻融作用引起的砂浆层冻害、由列车荷载引起的疲劳作用铁道建筑技术 ()祝文君 等:日本寒冷地区无砟轨道砂浆层病害与维护进展.冻融作用对于砂浆层压缩强度的影响对 砂浆圆柱体试样进行冻融循环试验研究冻融循环次数与冻结最低温度对 砂浆压缩强度的影响 试验测得:当冻结最低温度在 、冻融循环次时压缩强度约降 当冻结最低温度在 、冻融循环 次时压缩强度约降 压缩强度随冻融循环次数的增加呈线性降低趋势且冻结最低温度越低压缩强度随冻融循环次数的增加降低速度越快.列车反复荷载作用对于砂浆层应变的影响对 砂浆开展单轴压缩疲劳试验研究不同温度或不同压缩强度比(重复应力相对压缩强度的比率)下荷载重复次数和应变的关系 通过应变梯度理论分析发现:在发生疲劳破坏前应变随荷载重复次数的增加呈线性增长温度越高、压缩强度比越大应变梯度越大即应变随循环次数的增幅越大砂浆层越容易发生疲劳破坏疲劳寿命越短随着荷载重复次数的增加当应变出现骤变时(约为 )认为砂浆层出现疲劳破坏 设压缩强度比的最小值恒定为 当温度为 时若压缩强度比最大值小于 应变梯度小于 /次不易出现疲劳破坏当压缩强度比最大值为 时若温度小于 则荷载重复次数小于 次时不易出现疲劳破坏.冻融与列车反复荷载同时作用对于砂浆层力学性能的影响 在冻融循环试验的基础上对 砂浆圆柱体试样进行压缩疲劳试验 冻融试验后压缩强度降低荷载重复次数与垂直应变仍呈线性增长且应变梯度差异不大 可见砂浆部分劣化后大部分的重复荷载由没有劣化的砂浆承担 对于经过冻融循环试验后的 砂浆当冻结最低温度为 时应变梯度约为 /次当荷载重复次数不大于 时应变不大于 当冻结最低温度为 时、冻融循环次数最大达到 次时应变梯度最大约为 /次当荷载重复次数不大于 时应变不大于 砂浆层受到冻融作用出现劣化随冻融循环次数增加劣化范围不断扩大 砂浆压缩强度降低未出现劣化的部分砂浆继续承担列车重复荷载劣化范围的 砂浆应变增加最终导致轨道板与砂浆层之间的离缝产生我国对于寒冷地区 型板式无砟轨道的研究侧重于冻融作用下轨道结构材料强度与层间粘结强度的弱化规律 对于冻融作用和列车荷载作用耦合作用下砂浆层力学性能变化相关的研究较少.劣化状态检查方法.薄板插入法从板角或板边插入.厚薄板可大致测得轨道板下板角与板边附近位置离缝范围及形状 其特点在于操作简单快速但适用范围仅限于轨道板板角及板边.及以上离缝病害的检测.注水法在轨道板上钻孔注水通过观察水位下降来判断轨道板下是否出现离缝 此法特点在于能快速准确地判断板下是否存在离缝但会破坏轨道板仅适用于验证前期试验结果准确性.落锤试验法采用小型落锤式弯沉仪()在轨道板上落下重锤测定荷载、位移以及荷载和位移各自的最大值测定时间差求得支承弹簧系数与应答位移延迟时间 若板底有离缝则支承弹簧系数较小且应答位移延迟时间变大 其特点在于能够量化判断指标但支承弹簧系数对于板中位置离缝较难判断准确因此具体的判断标准未定仅能依靠相对量判断 砂浆劣化状态.敲击回音法采用冲击锤敲击轨道板并收集打击力和声压的时域波形通过快速傅里叶变换()得到频域波形 选择共振频率下声压振幅最大值与打击力振幅最大值的比值(振幅比)作为判断指标 有离缝的位置比没有离缝的位置声音更大共振振幅比超过./时认为出现离缝 此法特点在于明确离缝判断的量化标准但测定范围有限轮廓模糊 采用特征值分析进一步确定敲击位置对声音性质的影响提高离缝判断的精确度 结合机器学习使敲击回音检测离缝的过程更加机械化与智能化目前我国采用远红外线成像方法能够检测多数 以内的脱空深度采用冲击弹性波与 平面成像技术能够较好地识别脱空位置及脱空面积但频谱信号随激振锤硬度、下落高度而变化因此对于脱空情况的定量研究开展相对较少.判断标准与预防保护措施.关于维修标准的讨论根据 年日本轨道综合技术研究所发布的轨道板各部位维修指南 砂浆层的维修标准按照轨道板支承面积变化时轨道板应力小于容许应力的容许应力法制定维修判断标准如表 所示铁道建筑技术 ()祝文君 等:日本寒冷地区无砟轨道砂浆层病害与维护进展表 年规范中 砂浆的维修标准损伤类型等级判定值离缝(离缝量).缺损(缺损幅)判定等级立刻维修计划维修注意(记录)年 月日本铁路构造物等设计标准轨道构造解说中提出需要考虑轨道板的耐久性 年研究发现即使 砂浆层外围出现缺损轨道板仍具有较好的耐久性因此考虑到轨道板耐久性与 砂浆外围部分疲劳寿命的关系提出了如表 所示的维修标准表 砂浆侧面维修标准损伤类型区间等级判定值缺损(缺损幅)平板式轨道板框架式轨道板 判定等级立刻维修计划维修注意(记录)年研究发现在列车荷载作用下根据轨道板支承状态的不同轨道板板角位置的位移不同据此确定新的维修判断标准对钢筋混凝土轨道板若板角位移在.以上需要立刻维修在.范围内则需要计划维修对预应力钢筋混凝土轨道板若板角位移在.以上需要立刻维修在.则需要计划维修.关于预测模型的讨论根据压缩疲劳试验疲劳破坏前 砂浆应变随荷载重复次数的增加线性增长考虑初期应变情况得到大致的压缩疲劳曲线 应变在 区间可能发生骤变将此时的荷载重复次数定义为疲劳寿命考虑卸载后 延迟弹性应变修正初期应变得到 砂浆压缩疲劳寿命的计算方法如图 所示图 砂浆压缩疲劳寿命计算方法 板式无砟轨道砂浆层病害维修技术.维修方法.边框维修法轨道板板角或板边下方位置出现离缝时常用维修思路是凿除破损位置后重新填筑维修材料 边框维修法的主要维修材料包括合成树脂或 砂浆若维修时间紧张可使用急硬性 砂浆 此法主要适用于范围较大的砂浆层病害但需要凿除劣化部分砂浆增加施工成本.离缝注入法或穿孔压入法离缝注入法或穿孔压入法均适用于轨道板板中下方砂浆层发生病害的情况维修材料选择高流动性 砂浆乳或合成树脂 材料流动性强且流动范围较大但耐冻性能不佳 如图 所示离缝注入法的特点在于作业容易、价格便宜但维修材料的流动范围限制无法确保维修材料完全填满轨道板下 穿孔压入法砂浆注入范围大注入效果好但施工过程中需要新的注入孔穿孔时需注意避开钢筋图 离缝注入法.更换砂浆更换砂浆时需要考虑结构服役区段的环境特点可选择普通 砂浆、超早强性 砂浆、耐冻性 砂浆、耐海水性 砂浆或树脂材料.维护方法应用情况实际应用中可同时选择上述几种方法有针对性地配合维修 若砂浆层病害伴随轨道出现高低不平顺或轨道板出现小裂纹时可选择边框维修法与离缝注入法结合若轨道反复出现高低不平顺或轨道板出现弯曲裂纹可选择更换砂浆(下转第 页)铁道建筑技术 ()吴刚:超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施题、泥岩地层超大直径盾构结泥饼防治、盾构近接高风险源施工等超大直径土压平衡盾构存在的共性问题并提出了针对潜在问题的应对措施以期能够在施工中进一步验证其有效性也可为同类超大直径盾构工程提供一定参考和借鉴参考文献 竺维彬钟长平米晋生等.超大直径复合式盾构施工技术挑战和展望.现代隧道技术():.钱七虎陈健.大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考.隧道建设(中英文)():.杨钊唐冬云刘朋飞等.城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究:以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例.隧道建设(中英文)():.郭保和徐纯杰赵赢.珠海隧道超大直径泥水盾构机针对性设计研究/.隧道建设(中英文).:./.王树英胡钦鑫王海波等.盾构泡沫改良砂性渣土渗透性及其受流塑性和水压力影响特征研究.中国公路学报():.王树英令凡琳黄硕.泡沫改良粗粒渣土渗透性计算模型及适用性对比研究.岩石力学与工程学报():.竺维彬刘健美郑翔等.基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究.隧道建设(中英文)():.朱碧堂余金王凌等.富水砾砂 泥质粉砂岩复合地层渣土改良试验研究.土木与环境工程学报(中英文)():.胡勇.考虑施工动态影响的施工期管片上浮分析.铁道建筑技术():.曹鹏飞郭小龙胡宇琛等.水位变化下盾构隧道管片纵向变形特征研究.铁道建筑技术():.(上接第 页)结束语()寒冷地区砂浆层劣化的主要原因是冻融循环作用 劣化后的砂浆在列车重复荷载作用下短期内不会影响使用但随劣化范围不断扩大最终可能出现轨道板与砂浆层离缝病害()采用落锤试验法和敲击回音法能够判断板底离缝敲击回音法更适用于机械化与智能化 薄板插入法适用于判断板边或板角较大离缝 注水法适用于验证前期试验结果的准确性()砂浆层病害维修标准可按轨道板应力、耐久性及板角位移为指标制定等级按等级开展计划维修或立刻维修 本文归纳压缩疲劳试验结果得到 砂浆压缩疲劳寿命的计算模型()根据病害发生位置与严重程度选择边框维修法、离缝注入法及更换砂浆法进行整治维修我国从损伤机理、影响因素等方面研究了冻融循环作用下无砟轨道混凝土损伤但缺乏冻融循环对砂浆层静动力学性能及损伤机理的影响研究未得到较为准确的材料耐久性与服役寿命预测模型 参考新干线板式无砟轨道结构病害分析与整治维修能够提早有效预防病害提升结构性能参考文献 高橋 貴蔵斉藤 成彦三澤 祥文.凍害受強度特性関基礎研究.:日本工学会.工学年次論文集 広島市.:.常青.严寒地区高速铁路板式无砟轨道 砂浆灌筑施工技术.铁道建筑技术():.吴韶亮李海燕史懿等.严寒地区 型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层服役现状研究.铁道建筑():.高橋 貴蔵桃谷 尚嗣谷川 光.軌道充層()圧縮疲労特性.工学():.高橋 貴蔵三澤 祥文渕上 翔太.軌道劣化進展予測.():.闫斌娄徐瑞利谢浩然等.冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响.交通运输工程学报():.高橋 貴蔵渕上 翔太谷川 光.軌道底面生隙間検査補修予防保全.():.稲葉 紅子高橋 貴藏渕上 翔太.打音試験軌道充層劣化状態検査.():.吴佳晔王涛张远军.无砟轨道板脱空检测技术研究.铁道建筑():.高橋 貴蔵 桃谷 尚嗣渕上 翔太.軌道耐荷特性基軌道充層補修基準関研究.構造工学論文集 :.高橋 貴蔵桃谷 尚嗣谷川 光.軌道充層側面劣化対補修目安値提案.鉄道総研報告:鉄道総合技術論文誌():.梅野晃平.高流動 補修材用充層補修方法施工関検討.新線路(.):.任娟娟张书义许雪山等.寒区无砟轨道服役性能演化与提升技术研究进展.中国铁路():.袁勇.基于高聚物注浆技术的无砟轨道抬升施工工艺研究.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()