无砟轨道 结构病害分析及养护维修技术之轨道板裂缝问题 - 图文

石家庄铁道大学毕业论文

无砟轨道结构病害分析与

养护维修技术

——CRTSII型板式轨道板裂缝问题研究

Ballastless Track Structure Defect Analysis and

Maintenance Technology : Research on Cracks in Boards of CRTSII

2014 届 土木工程 学院 专 业 土木工程 学 号 学生姓名 指导教师

完成日期 2014年5月31日

毕业论文成绩单

学生姓名 学号 班级 专业 铁道工程 毕业论文题目 无砟轨道结构病害分析与养护维修技术-CRTSII型板式轨道板裂缝问题研究 指导教师姓名 指导教师职称 评 定 成 绩 指导教师 评阅人 得分 得分 答辩小组组长 成绩： 得分 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书

题 目 学生姓名 无砟轨道结构病害分析与养护维修技术—CRTSII型板式轨道板裂缝问题研究 学号 土木工程学院 班级 导师 姓名 专业 铁道工程 导师 职称 承担指导任务单位 一、主要研究内容 通过现场实习、调查、文献研究等，结合理论计算、仿真分析，进行深入研究，基本内容包括：病害的特征、分类、影响及检查方法；病害的成因；病害的形成与发展机理；病害的预防措施；病害的控制措施与控制标准；修理技术等。研究方向包括(但不限于)：CA砂浆伤损问题、轨道板与CA砂浆层的离缝问题、轨道板裂缝问题、底座板裂缝问题、钢轨波形磨耗问题、高速道岔病害等等。最后针对无砟轨道轨道板裂缝深入分析，根据关于CRTSII型板裂缝的相关调查和国内外有关资料研究，对CRTSII型板裂缝问题进行深入的专项性研究，提出有关CRTSII型板裂缝的特征、成因、分类、控制标准、预防措施及修补方法。 二、基本要求 1.论文条理清晰，结构严谨，内容完整； 2.搜集资料要全面，相关研究要紧密结合我国高速铁路发展的现状； 3.文整规范。 三、应收集的资料及参考文献 1.国内外高速铁路发展情况； 2.高速铁路的结构特点； 3.无砟轨道结构及其优势； 4.无砟轨道的病害； 5.无砟轨道的养护维修制度和养护维修方法； 6.CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝的成因和分类； 7.CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝的控制措施及维修方法。 四、进度计划 第1周 - 第 5周：熟悉资料，查阅相关文献，实习、调研，撰写开题报告,完成英文翻译； 第6 周 - 第9周：病害的特征、分类、影响、检查方法、成因等分析研究； 第10 周 - 第13 周：病害的形成与发展机理、预防措施、控制措施与控制标准、修理技术等研究； 第14周 - 第15周：文整，总结，答辩 教研室主任签字 时 间 年 月 日 毕业论文开题报告

题 目 学生 无砟轨道结构病害分析与养护维修技术-CRTSII型板式轨道板裂缝问题研究 学号 班级 专业 铁道工程 一、研究背景

高速铁路已成为当代重要的交通运输方式。近几年来，我国高速铁路飞速发展,新设备 新技术、新标准在高速铁路上的广泛应用使得中国成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、在建规模最大的国家。而且，中国高铁的速度代表了目前世界的高铁速度。根据2011年发布的《中长期铁路规划》高速铁路总里程将达到1.6万公里以上，铁路快速客运网将覆盖全国90%以上人口。高速度、高密度、长距离跨线运输也成为我国客运专线主要运营特点，并且逐步完善成熟。 无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒体道砟道床而组成的轨道结构形式。由于无砟轨道相比有砟轨道具有显著的优点，在各国铁路得到了迅速的发展。铁路发达国家已经把无砟轨道作为高速铁路的主要结构形式进行全面推广，并取得了显著地经济效益和社会效益。国内外无砟轨道的发展，在数量上经历了由少到多、在技术上由浅到深、在品种上经历了由单一到多种的过程。 随着高速铁路的发展，列车运行速度提高，运量加大，铁路轨道的各种磨耗病害问题也随之而来，而高速列车对行运平稳性和安全性有更高的要求，这就使得养护维修工作变得更加困难。所以，即使无砟轨道具有整体性好、稳定性好、坚固耐用、轨道变形小等优点，有利于高速行车，在一定程度上减小养护维修量、降低了工作难度，无砟轨道的各种病害仍然影响的高速列车的行车安全，很多人对高速铁路无砟轨道结构线路维护技术还缺乏全面系统地了解和认识，经验不足，掌握不准，故更好的对无砟轨道结构病害进行分析，掌握良好的养护维修技术对高铁列车的安全平稳运行具有十分重要的意义。 二、国内外研究现状 伴随着无砟轨道的运用，针对无砟轨道的病害问题，各国围绕着各种具体病害作了大量的研究工作，都取得了一定的成果，我国在无砟轨道维护工作也处于世界先进水平，但也有不尽人意的地方，相应的问题，其研究工作尚在进行中。 三、论文研究的主要内容 通过现场实习、调查、文献研究等，结合理论计算、仿真分析，进行深入研究，内容包括：病害的特征、分类、影响及检查方法；病害的成因；病害的形成与发展机理；病害的预防措施；病害的控制措施与控制标准；修理技术等。研究方向包括(但不限于)：CA砂浆伤损问题、轨道板与CA砂浆层的离缝问题、轨道板裂缝问题、底座板裂缝问题、钢轨波形磨耗问题、高速道岔病害等等。最后针对轨道板裂缝病害深入分析，提出有关CRTSII型板裂缝的特征、成因、分类、控制标准、预防措施及修补方法。 四、所采用的方法和手段 （1）查阅相关资料，分析和总结国内外的研究成果。 （2）研究国内外对无砟轨道病害的处理办法，根据其特点改善养护维修的方法。 五、预期达到的结果 （1）总结出无砟轨道结构的几种病害特征分类； （2）研究无砟轨道的病害机理，检查方法； （3）通过病害特点得出无砟轨道病害的预防措施、控制措施和标准使得养护维修工作符合现代高速铁路安全要求。 （4）完成对CRTSII型板式轨道板裂缝的特征、成因、分类的研究；完成对CRTSII型轨道板裂缝的控制标准的研究；完成对CRTSII型板裂缝的预防措施及修补方法的研究。 .六、进度计划 第1周 - 第 5周：熟悉资料，查阅相关文献，实习、调研，撰写开题报告,完成英文翻译； 第6 周 - 第9周：病害的特征、分类、影响、检查方法、成因等分析研究； 第10 周 - 第13 周：病害的形成与发展机理、预防措施、控制措施与控制标准、修理技术等研究； 第14周 - 第15周：文整，总结，答辩 指导教师签字 时 间 年 月 日

摘 要

如今，高速铁路得到了充分的发展，成为重要的交通运输方式。高速铁路轨道结构的主要形式包括：有砟轨道和无砟轨道。但由于随着行车速度的提高,有砟轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的严重激振,轨道破损和变形加剧,从而使维修工作量显著增加,维修周期明显缩短。所以如今主要采用无砟轨道，相比有砟轨道优点明显。但随着高速铁路的发展，列车运行速度提高，运量加大，铁路轨道的各种磨耗病害问题也随之而来，而高速列车对行运平稳性和安全性有更高的要求，这就使得养护维修工作变得更加困难。很多人对高速铁路无砟轨道结构线路维护技术还缺乏全面系统地了解和认识，对无砟轨道的病害还不是很了解，经验不足，掌握不准。

通过总结出无砟轨道结构的几种病害特征及分类，通过研究无砟轨道的病害机理，病害特点，提出有效的检查方法，得出无砟轨道病害的预防措施、控制措施和标准使得养护维修工作符合现代高速铁路安全要求。其次，本文着重介绍了CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝的影响、特征、成因。随后，本文介绍了CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝的国内外控制标准、预防措施以及修补方法。

关键词： 高速铁路 无砟轨道 病害 养护维修

Abstract

Today, high-speed rail has been fully developed, has become an important means of transportation.The main form of high-speed railway track structure includes:Ballasted and ballastless track rail.However, due to the speed with increasing traffic,Severe excitation frequencies below 120Hz range ballasted track produced uneven subsidence and track damage and aggravate deformation,So that a significant increase in the workload of maintenance, repair cycle is shortened.So now mainly uses ballastless track, compared to ballasted track obvious advantages.But with the development of high-speed railway, train speed, volume increase, a variety of wear disease problems has cropped up in railway track.High-speed trains on the line smooth operation and security have higher requirements, which makes maintenance and repair work more difficult.Many people on the high-speed railway line ballastless track structure maintenance techniques still lack a comprehensive and systematic knowledge and understanding on the ballastless track diseases is not very understanding, lack of experience, grasp allowed.

By summing the ballastless track structure characteristics and classification of several diseases and studying the mechanism of ballastless track diseases, disease characteristics,we can propose effective method and draw ballastless track disease prevention and control measures and standards .So that maintenance and repair work meet modern safety requirements for high-speed rail.Then,the paper mostly introduces the impacts what cracks make，the characteristics of cracks and how they form. Subsequently the paper introduces the domestic and foreign controlling standards what are made to prevent cracks and the measures how to repairt them．

Key words: high Speed Rail ballastless track plant disease maintenance technology

目 录

第1章 绪论 ............................................................ 1 1.1 研究背景和意义 ................................................... 1 1.1.1研究背景 ...................................................... 1 1.1.2研究意义 ...................................................... 2 1.2 无砟轨道的常用结构形式介绍 ....................................... 2 第2章 高速铁路无砟轨道主要病害 ........................................ 4 2.1 CA砂浆损伤 ....................................................... 4 2.1.1 CA砂浆常见伤损病害 ........................................... 4 2.1.2 CA砂浆伤损修复的原则 ......................................... 5 2.2轨道板裂缝 ........................................................ 6 2.2.1道板裂缝的特征 ................................................ 6 2.2.2轨道板裂缝形成的原因 .......................................... 6 2.2.3轨道板裂缝的预防措施 .......................................... 7 2.3轨道板内部问题 .................................................... 7 2.4轨道板内钢筋异常 .................................................. 8 2.5 无砟轨道底座板裂缝 ................................................ 8 2.6钢轨波形磨耗 ...................................................... 9 2.6.1线路条件对波磨的影响 .......................................... 9 2.6.2走行部构造对波磨的影响 ....................................... 10 2.6.3其它影响因素 ................................................. 10 2.6.4波磨的减缓措施及思路 ......................................... 11 2.7 无砟轨道道岔病害 ................................................. 12 2.8 预埋套管伤损病害 ................................................. 14 2.9混凝土伤损 ....................................................... 14 2.10高速铁路路基病害 ................................................ 15 第3章 CRTSII型板式轨道轨道板裂缝的分类及裂缝成因分析 ................. 17 3.1 混凝土的材料特点及裂缝的影响 ..................................... 17 3.1.1 钢筋锈蚀 ..................................................... 17 3.1.2 混凝土碳化 ................................................... 17 3.2 混凝土裂缝形成原因 ............................................... 17 3.2.1 设计原因 ..................................................... 17

3.2.2 配合比原因 ................................................... 18 3.2.3 材料原因 ..................................................... 18 3.2.4 施工及现场养护原因 ........................................... 18 3.3 混凝土开裂机理 ................................................... 19 3.3.1 塑性收缩 ..................................................... 19 3.3.2 温度收缩 ..................................................... 19 3.3.3 自生收缩和干燥收缩 ........................................... 19 3.3.4 在强度增长过程中受到外加荷载作用 ............................. 19 3.4 轨道板裂缝的特征 ................................................. 19 3.5 轨道板裂缝的出现部位 ............................................. 20 3.6 轨道板裂缝成因分析 ............................................... 20 3.6.1 荷载裂缝 ..................................................... 20 3.6.2 温度裂缝 ..................................................... 21 3.6.3 混凝土收缩引起裂缝 ........................................... 22 3.6.4 钢轨的伸长引起裂缝 ........................................... 23 3.6.5 混凝土骨料塑性沉落引起裂缝 ................................... 24 3.6.6 新旧混凝土粘结不良引起裂缝 ................................... 24 3.6.7 钢筋锈蚀裂缝 ................................................. 24 3.6.8 碱骨料反应裂缝 ............................................... 24 3.6.9 施工工艺不当造成的裂缝 ....................................... 24 3.6.10 冻胀裂缝 .................................................... 25 3.6.11 其他因素引起的裂缝 .......................................... 25 第4章 CRTSII型板式轨道板裂缝预防措施及修补方法 ....................... 26 4.1 裂缝控制标准 ..................................................... 26 4.1.1 相关行业混凝土裂缝控制标准 ................................... 26 4.1.2无砟轨道裂缝控制标准 ......................................... 28 4.2 裂缝的预防措施 ................................................... 29 4.2.1 优化结构设计 ................................................. 29

4.2.1.1 混凝土保护层厚度 ....................................... 29 4.2.1.2 钢筋配置 ............................................... 30 4.2.2 优化原材料 ................................................... 31 4.2.3 优化混凝土配合比 ............................................. 31 4.2.4 改进施工工艺 ................................................. 31

4.2.5 裂缝的针对性防治 ............................................. 33 4.3 裂缝的修补方法 ................................................... 35 4.3.1 开槽填补法 ................................................... 35 4.3.2 低压注浆法 ................................................... 35 4.3.3 表面封闭法 ................................................... 36 4.3.4 树脂灌注法 ................................................... 36 4.3.5填充密封法 ................................................... 37 第5章 总结 ......................................................... 39 参考文献 .............................................................. 41 致谢 .................................................................. 42 附录 .................................................................. 43

石家庄铁道大学毕业论文

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

高速铁路已成为当代重要的交通运输方式，新技术、新标准在高速铁路上的广泛应用使得中国成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、在建规模最大的国家。而且，中国高铁的速度代表了目前世界的高铁速度。根据2011年发布的《中长期铁路规划》高速铁路总里程将达到1.6万公里以上，铁路快速客运网将覆盖全国90%以上人口。高速度、高密度、长距离跨线运输也成为我国客运专线主要运营特点，并且逐步完善成熟。

高速铁路轨道结构主要类型：有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道是铁路的传统结构。它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。但随着行车速度的提高,有砟轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的激振严重,轨道破损和变形加剧,从而使维修工作量显著增加,维修周期明显缩短。基于这一情况,许多专家认为,从经济角度和维修管理角度看,高速铁路应采用无砟轨道。特别是在桥隧结构上,由于无砟轨道减少了二期恒载和建筑高度,采用无砟轨道更为有利。除此以外,无砟轨道还具有使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石砟飞溅等优点,因此无碴轨道在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用,其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区,无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。

无砟轨道的技术优点包括：线路稳定、平顺，有利于铺设无缝线路和高速行车、维修工作量少、坚固耐久、整洁美观，使用寿命长、在隧道、地铁中减少开挖面积。所以被广泛应用于高速铁路和客运专线。

但随着高速铁路的发展，列车运行速度提高，运量加大，铁路轨道的各种磨耗病害问题也随之而来，而高速列车对行运平稳性和安全性有更高的要求，这就使得养护维修工作变得更加困难。所以，即使无砟轨道具有整体性好、稳定性好、坚固耐用、轨道变形小等优点，有利于高速行车，在一定程度上减小养护维修量、降低了工作难度，无砟轨道的各种病害仍然影响的高速列车的行车安全，很多人对高速铁路无砟轨道结构线路维护技术还缺乏全面系统地了解和认识，对无砟轨道的病害还不是很了解，经验不足，掌握不准。

1

石家庄铁道大学毕业论文

1.1.2 研究意义

无砟轨道的广泛应用，就要求需要总结出无砟轨道结构的几种病害特征及分类，通过研究无砟轨道的病害机理，病害特点，提出更有优势的检查方法，得出无砟轨道病害的预防措施、控制措施和标准使得养护维修工作符合现代高速铁路安全要求。能够更好的指导高速无砟轨道的养护维修工作。

由于防止和减小无砟轨道轨道板裂缝的产生和发展是无砟轨道结构设计和施工过程中的重要内容之一。通过对无砟轨道轨道板裂缝的特征和成因的分析，提出了一些预防和控制轨道板裂缝的措施，为铁路养护维修工作作出一定的帮助。

1.2 无砟轨道的常用结构形式介绍

国内高速铁路常用的有：CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式无砟轨道，CRTSⅠ、Ⅱ型双块式无砟轨道、道岔区轨枕埋入式无砟轨道。无砟轨道的主要结构由长钢轨、扣件系统、轨道板、CA砂浆、混凝土底座及凸形挡台等组成。以下给出具体的分类：

CRTSⅠ型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场浇注的钢筋混凝土底座上，由凸形挡台限位，适应ZPW－2000 轨道电路的单元轨道板无砟轨道结构型式。

CRTSⅡ型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇筑的具 有滑动层的钢筋混凝土底座（桥梁）上，适应ZPW－2000 轨道电路的连续轨道板无砟轨道结构型式。如图1-1：

图 1-1 CRTSII型板式无砟轨道结构示意图

2

石家庄铁道大学毕业论文

CRTSⅢ型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇注的钢 筋混凝土底座（桥梁）上，并对每块板限位，适应ZPW－2000 轨道电路的连续轨道板无砟轨道结构型式。

CRTSⅠ型双块式无砟轨道：将预制的双块式轨枕组装成轨排，以现场浇注混凝土方式将轨枕浇入均匀连续的钢筋混凝土道床内，并适应ZPW－2000 轨道电路的无碴轨道结构型式。

CRTSⅡ型双块式无砟轨道：将预制的双块式轨枕通过机械振动法嵌入现场浇注的均匀连续的钢筋混凝土道床内形成整体，并适应ZPW－2000 轨道电路的无碴轨道结构型式。如下图

图1-2 CRTSⅡ型双块式无砟轨道示意图

道岔区轨枕埋入式无砟轨道：将预制混凝土岔（轨）枕组装成标准道岔轨排，现浇入混凝土形成均匀连续钢筋混凝土道床，并适应ZPW-2000轨道电路的无砟轨道结构。

以上的轨道结构形式成为我国高速铁路轨道的主流形式。

3

石家庄铁道大学毕业论文

第2章 高速铁路无砟轨道主要病害

高速铁路无砟轨道病害主要包括CA砂浆常见伤损问题、轨道板与CA砂浆层的离缝问题、轨道板裂缝问题、轨道板内部问题、轨道板内钢筋异常、底座板裂缝问题、钢轨波形磨耗问题和高速道岔病害问题等。

2.1 CA砂浆损伤

2.1.1 CA砂浆常见伤损病害

(1)砂浆层与上下结构的离缝：砂浆层与轨道板或底座板(支承层) 之间出现离缝伤损是高速铁路式无砟轨道结构中较为常见的伤损形式之一。具有影响范围较大、产生原因较复杂以及初期难以被发现等特点。砂浆层离缝伤损将会使砂浆层与轨道板或底座板(支承层) 粘结失效，削弱无砟道床的整体性，影响轨道静态几何形位和动态稳定性。如果伤损未及时进行修复，在列车荷载和环境因素共同作用下还会对无砟道床耐久性产生影响。因此，高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道线路中需加强对砂浆层离缝伤损的检查力度，在查明原因的基础上，采取有针对性的预防或修复措施。

砂浆层离缝伤损产生的原因主要有轨道板温度梯度引起的板端翘曲、轴向温度荷载引起的轨道板或底座板(支承层) 伸缩、砂浆层灌注不饱满、列车动力荷载及基础不均匀沉降等。由于砂浆层离缝产生的主要原因各有不同，其离缝宽度、深度等表现形式均有所不同，现场往往是多种因素共同作用致使砂浆层出现伤损。

(2)竖向裂缝：竖向裂缝是砂浆层伤损的另一种常见形式。裂缝间距一般为20-50cm不等，裂缝宽度一般在0.1mm左右，裂缝会影响轨道的使用耐久性，如果不及时修复，在列车动荷载作用下将会发生缺损掉块现象。

产生原因：砂浆竖向裂缝与砂浆配方、现场施工工艺、运营条件以及环境温度变化等因素有关。主要原因为砂浆自收缩及轨道板或底座板裂缝的延伸。

(3)缺损掉块：砂浆层存在的缺损掉块或剥离的现象，主要是轨道板板间接缝部位和轨道板精调爪附近的砂浆层缺损掉块伤损，且随时间变化日趋严重。

产生原因：砂浆层缺损掉块伤损多是由于砂浆层过度老化以及在列车荷载作用下砂浆层离缝和竖向裂缝等伤损诱发产生的。板间接缝和轨道板精调爪放置点等处，砂浆层更易出现缺损掉块伤损。砂浆施工完成拆除精调爪后，如未及时对此处进行补灌或此处封堵海绵等未清除彻底，导致补灌砂浆与原砂浆层无法有效粘结，在列车动荷

4

石家庄铁道大学毕业论文

载作用下，则会出现砂浆层缺损掉块伤损。砂浆层缺损掉块处易导致积水渗入，影响砂浆层耐久性。

图2-1 砂浆离缝、缺损裂缝

(4)泛浆：指的是砂浆层与轨道板或底座板(支承层) 间出现泛白浆，为砂浆层常见伤损问题，尤其是轨道板板间接缝部位和轨道板精调爪附近的砂浆层缺损掉块较为突出。

产生原因：由于砂浆层离缝使轨道板与底座板(支承层) 之间产生缝隙，在列车动载作用下二者之间出现拍打，雨水进入后产生的冲蚀作用将缝隙中的微细颗粒和水与氢氧化钙反应生成的碳酸钙等物质一并带出，从而形成白色析出物，虽尚未影响行车安全，但缝隙内水的冲刷作用及冻融将导致裂缝扩展，进而影响砂浆层耐久性和轨道几何状态的保持。

2.1.2 CA砂浆伤损修复的原则

砂浆层伤损修复应根据具体伤损类型按照相关规范要求进行实施。对于砂浆层离缝伤损，首先应对伤损产生的主要原因进行分析，从根本上避免修复后再次出现伤损的现象，同时离缝伤损修复过程中应根据不同原因采取针对性措施。对由于温度荷载引起的砂浆层与轨道板或底座板(支承层) 间的离缝，应在轨道板设计纵连锁定温度范围内对轨道板进行应力放散、重新锁定，并采用低黏度树脂材料按规范要求，对离缝伤损进行注浆修补; 对于基础不均匀沉降引起的砂浆层离缝伤损宜在解决基础沉降问题的基础上对离缝进行修补，并应考虑与扣件系统的高低调整配合作业。对于Ⅰ级伤损的砂浆层离缝和裂缝，应进行观测记录，并定期观察其发展变化; 对Ⅱ级伤损应列入维修计划，适时维修，宜采用低压注浆法进行处理; 对Ⅲ级伤损应及时维修，宜采用封闭注浆法进行处理。对于砂浆层缺损掉块伤损，可根据缺损面积大小，选择采用直接修补或立模修补方法进行处理。具体修补工艺应按照相关技术规范要求实施。

5

石家庄铁道大学毕业论文

(2)运营条件。机车、货车及客车走行部性能差异较大，对钢轨的不均匀磨耗不会累加。在波磨的生成与发展过程中，作用最大的是货车，其次是客车，再次是机车。因此客货混跑线路上因货车与客车的作用部分抵消，波磨较少出现，而单跑货车或单跑客车的线路上波磨容易出现。

通过曲线的所有列车中，如某一速度段的列车数量占明显优势，则波磨易于形成。这些地段包括进出车站附近的曲线地段、长大坡道上的曲线地段、以及列车限速的小半径曲线地段。

曲线地段列车施行制动时，外轨上制动力与蠕滑力迭加后更易达到饱和，促成轮对粘滑振动形成。在半径500—600 m以上的曲线地段，列车制动是波磨形成的主要原因之一。

2.6.4 波磨的减缓措施及思路

预防波磨的关键，一是消除曲线地段轮对的粘滑振动；二是消除由粘滑振动引起的钢轨不均匀磨损的累加效应。在可行性和经济性等方面，还存在较多的值得进一步研究的问题。只要设法使波磨形成与发展速率减缓到不控制换轨的程度，就达到了对波磨问题研究的目的。切实可行的减缓波磨的措施必须易于操作、经济合理且能兼顾其它轨道病害。这是考虑减缓措施最基本的两个出发点。为此，提出了以下减缓波磨的措施及思路。

(1)减小轨道不平顺。减小轨道不平顺对减缓波磨及其它轮轨病害均十分有利。减小轨道不平顺可减少粘滑振动的发生机率及钢轨不均匀磨损的累加效应，从而有效地控制波磨发展速率。减少轨道不平顺主要是指减少诸如钢轨接头、轨面剥离、擦伤及钢轨死弯等脉冲不平顺。脉冲不平顺导致轮轨冲击，引发轮对粘滑振动，是对波磨形成和发展影响最大的轨道不平顺。计算表明，在完全平顺的轨道上，货车在半径600 m以上的曲线地段几乎不会发生轮对粘滑振动，但因接头不平顺的作用，在半径2 000 m的曲线上也可能发生轮对粘滑振动。多数波磨从接头附近始发的现象说明了这一点。

(2)加大轨道弹性、提高轨道阻尼。轨道增弹减振对减少轮轨其它病害也是有利的。增加轨道弹性可有效地减小轮对粘滑振动发生机率，而提高轨道阻尼则可明显降低波磨的发展速率。

(3)适当降低曲线地段外轨超高。过超高加大轮对粘滑振动，而欠超高抑制甚至消除轮对粘滑振动。车速较低且轴重较大的货车对波磨形成和发展的影响最大。因此，在主要运行货车的线路上，外轨且主要出现磨损型波磨的曲线地段铺设淬火轨，可采用尽量降低外轨超高的办法减缓波磨。

11

石家庄铁道大学毕业论文

(4)钢轨倒换。轮对在曲线上可能发生粘滑振动从而形成波磨，但在直线上，发生粘滑振动的机率却很小，说明直线地段波磨形成和发展的条件不充分。如将曲线地段的波磨轨倒换至直线上，因粘滑振动消失，磨耗功显著降低，波磨的发展将得到明显抑制。

(5)钢轨打磨。钢轨打磨是最有效的减缓波磨的措施之一。波磨一旦出现，又反过来激化和加剧轮对粘滑振动，促进波磨进一步发展，波深越大则波磨发展越快，构成恶性循环。钢轨打磨中断了这种恶性循环的发展过程，减缓了波磨发展速率。

(6)提高钢轨材质强度及耐磨性能。提高钢轨耐磨性能，是最主要的减缓措施之一。轮对粘滑振动是波磨的成因，但波磨的形成和发展却表现为钢轨不均匀磨损或不均匀塑性变形的逐步累积。能够减缓轨头磨损和塑性变形的措施就能减缓波磨，钢轨耐磨性能的提高，无疑会延缓波磨的形成与发展过程。

(7)增大轮对轴刚度。轮对轴刚度偏小是易于激发轮对粘滑振动的因素之一，如采用空心车轴，并增加轴径，使轴刚度提高1倍，可有效地抑制钢轨波磨。

(8)增大一系悬挂阻尼。设置一系悬挂的机车和客车，一系无阻尼或阻尼偏小是激发轮对粘滑振动的主要因素。因此，增设或加大一系阻尼是有效减缓波磨的措施之一。也是迅速衰减轮轨冲击振动，减缓轮轨系统中其它病害的重要技术措施。

(9)控制涂油润滑。以减缓曲线外轨侧磨为目的的轮缘或轨侧涂油润滑，对减缓波磨是不利的。同时，过量涂油对减缓钢轨剥离也不利。因此，涂油润滑绝不是越勤越好。但目前对合理的涂油工工艺还缺乏深入系统的研究。

2.7 无砟轨道道岔病害

在高速铁路中，道岔有其特殊的地位，几乎无一例外地通过单开道岔实现两股轨道的连接。高速道岔在其功能上和结构上与常速道岔相比，虽无原则上的区别，但要求安全性和舒适性更高。

道岔常见的几种病害：道床翻浆冒泥、岔枕爬行、偏斜、尖轨爬行、限位器顶死、尖轨侧弯、尖轨与基本轨不密贴、轨距扩大，特别是尖轨前、尖轨、及辙叉前后、辙叉病害、接头多种病害（低接头、错牙、轨面高低差、鞍型磨耗、轨端飞边掉块、打塌、坍塌）、 道岔方向、水平不良。

(1)道床翻浆冒泥：高速铁路道岔翻浆冒泥主要是由于更换道岔时，封锁时间短，施工准备不足或受既有线纵断面赢下影响致使枕下清碴厚度不足，排水不良造成。特别是道岔头、尾处受电务信号机座影响排水，冒泥更加突出。

(2)岔枕爬行、偏斜：道岔运营一段时间后，极易出现岔枕爬行、偏斜，主要集中在转辙部及尖轨跟端附近，特别是连接杆处较为突出，影响框架尺寸。上述病害主

12

石家庄铁道大学毕业论文

要是由于连接杆处道碴缺少、不易捣固形成吊板等原因造成的，尖轨跟端主要由于列车碾压、冲击力过大，造成接头病害，加剧道床板结及扣压力不足等原因形成的。解决方法是将岔枕通过角钢连接，形成框架，增大爬行阻力，尖轨跟端保持接头平顺。整组道岔及前后保证道床饱满，各种螺栓扣压力达到标准，道岔连接杆拆除捣固、消灭空吊板。

(3)尖轨爬行：限位器其前后间隙要求在（7.5±1.5）mm但由于尖轨跟端的连接除夹板阻力外，仅有三套扣件的压力，在列车的碾压作用下，极易造成尖轨爬行超限，使道岔转换阻力增大。防止尖轨爬行采取的办法是保证支距扣板、轨距杆与轨底边缘的密贴及螺栓的扣压力。经对比试验表明，解决尖轨爬行的最有效的办法是将尖轨跟端接头夹板和钢轨的下额及轨底斜坡与夹板接触部分打磨除锈后，用 10.9s 级高强大六角头螺栓代替原普通接头螺栓，使用增力搬手，确保尖轨跟端接头螺栓扭力矩达到1500N.m，或将尖轨跟接头冻结，并保证接头柜面平顺。

(4)尖轨侧弯：由于制造、运输、存放及装卸等原因造成尖轨侧弯，上道后造成尖轨与基本轨不密贴，轨距超限，尖轨侧磨，列车通过产生晃车。对能矫直的尖轨，利用施工天窗或维修天窗使用氧气乙炔烤尖轨的轨腰和轨底矫直尖轨，对侧弯较严重的利用备用尖轨进行更换，将换下的运回工厂，进行整治。

(5)尖轨尖轨与基本轨不密贴：尖轨尖轨与基本轨不密贴的主要原因一是基本轨框架尺寸不符合规定，框架过大。二是电务开口及动程不符，调整片使用不当造成的，除此还有以下几种原因：a.尖轨 50m 断面内刨切长度不够；b.尖轨顶铁过长；c.转辙机的位置与尖轨动作杆的位置不在同一水平直线上；d.基本轨弯折点错后；e.基本轨或尖轨有硬弯。这五种情况相对前述两种要少的多。如属框架原因应及时调整， 如因开口不当应督促电务共同处理，尖轨调整片不能一味在一动连杆处加厚，应采取撤出一动调整片，加厚二动调整片，同时加大一动动程的方法加以解决。

(6)辙叉部分病害：辙叉是整个道岔的中心，它的稳固对整个道岔起着相当大的作用，所以辙叉也是病害发生率较多的地方，其主要表现在以下几个方面：a.辙叉空吊。这是因为维修保养中捣固不实，造成辙叉较低，辙叉前后高低不平，软硬不均，道床病害，翻浆冒泥等。b.查照间隔和护背距离超限。主要原因是扣件松弛，叉心磨耗、飞边，加之列车冲击。c.叉心掉块。这是因为叉心较低，叉心前后高低方向不好，产生高低差，加大了叉心的作用力，使叉心受到了较大的冲击力，也有辙叉本身铸造 的质量问题。

整治方法:a.清筛辙叉部分的道床，防止翻浆冒泥，要保持排水良好。b.捣固时要捣实，叉心及前后接头要捣实。辙叉要略高于护轨，及时消除辙叉前后接头的高低、水平、方向和轨距超限。c.复紧扣件螺栓，达到扭矩标准。打磨辙叉及接头飞边，使

13

石家庄铁道大学毕业论文

叉心理论尖端侧面保持平顺。d.焊补叉心掉块，焊补后第二天打磨一次，三天打磨第二次，一周打磨第三次，打到列车碾压没有飞边为止。

(7)接头多种病害：对接头多种病害应进行综合整治。根本目的是保持轨面的平顺，主要采取夹（错口）、焊（掉块、打塌）、磨（鞍形磨耗）、调直低接头、调整轨缝、加大接头螺栓扭力矩等手段进行综合整治。还需及时清筛脏污道床，恢复道床弹性，保持道床饱满，排水畅通，消灭空吊板，力求“上平，下稳”。

(8)道岔方向、水平不良：形成原因:a.在道岔更换施工中道岔中心与设计中心不符，未及时拨正。岔后通长岔枕位置不正，未考虑上下行标高相差过大，造成上下行渡线衔接不良。b.岔心两端断面与钢轨断面有一定误差，造成岔心前后引轨方向不良。c.在列车的反复碾压下，直股胶垫较曲股胶垫薄，造成直股存在不易发现的小漫坑和水平三角坑。解决办法:a.做好道岔前后线路的整修，经常保持高低、方向平顺，整治道岔方向时以直股为基准。对道岔前后线路方向不良且经常发生变化的地段，测 定道岔位置及前后大方向，然后埋设地锚拉杆。b.超平线路，对上下行标高相差 35mm 以上的岔区进行抬道整治，相差在 35mm以下的岔区，均匀顺坡。c.捣垫结合作业。除用道岔捣固机或手动电镐按规定进行捣固外，对个别空吊板及水平不良处所，在轨下或辙叉下加垫不同厚度的调高垫板进行整平，特别是更换辙叉心后，通过加垫不同厚度的调高垫板，做好顺坡，可以消灭辙叉前后的高低、水平不良。d. 方正轨枕到标准位置。

2.8 预埋套管伤损病害

无砟轨道扣件系统紧固部件普遍采用预埋尼龙套管，部分尼龙套管随着线路运营老化，造成扣件系统失效，影响行车安全。

预埋套管因埋在混凝土轨道板中较难取出，较为快捷的取出方法是采用水钻钻取，但维修前需要进行套管定位，维修施工步骤如下：

（1）拆除扣件，露出预埋套管； （2）用定位装置定位套管位置； （3）使用适合的钻头，钻取套管； （4）吸出孔内残水并烘干；

（5）倒入锚固树脂，旋入新套管并定位； （6）待树脂固化后，组装扣件； （7）清理施工垃圾，保持环境。

2.9 混凝土伤损

14

石家庄铁道大学毕业论文

混凝土伤损指无砟轨道混凝土结构伤损，主要包括轨道板承轨槽掉块且扣件系统无法紧固、轨道板混凝土掉块且钢筋裸露、侧向挡块大面积掉块以及上文中的混凝土底座及路基混凝土裂缝等。

混凝土伤损维修时防止因混凝土损伤造成钢筋裸露锈蚀或结构功能丧失等。维修的部位在强度上应该符合原混凝土要求，并且有良好的粘结性和耐腐性，并应防止脱落造成更多隐患，需要在伤损部位进行植筋等、维修施工步骤概述如下：

(1)凿除松动混凝土；

(2)对混凝土损伤面进行植筋，清除混凝土损伤面尘土； (3)涂刷底漆；

(4)根据原混凝土形状制模并填入树脂； (5)待树脂固化后拆除模具； (6)清理施工垃圾，保持环境。

2.10 高速铁路路基病害

高速铁路路基病害按表现形式可分为翻浆冒泥、路基下沉、挤出变形、边坡坍方、边坡冲刷、陷穴、滑坡、水侵路基、冻害等。

以下是几种比较主要的病害表现：

(1)翻浆冒泥：路基强度因含水过多而急剧下降，在行车作用下发生裂缝、鼓包冒泥等现象，称之为翻浆。翻浆冒泥一般易发生于基床土质不符合要求的部位，特别是以细粒土作路基填料、风化石质作基床，降雨量大的路堤和路堑地段为病害多发地段一定条件的含粘粒、粉粒的基床表层土在和列车反复振动的作用下，发生软化或触变、液化，形成泥浆。列车通过时轨枕上下起伏使泥浆受挤压抽吸而通过道床孔隙向上翻冒，造成道碴脏污、板结进而使道床降低或丧失弹性。轨道几何尺寸变化．危及行车安全。翻浆冒泥分为土质基床翻浆、风化石质基床翻浆和裂隙泉眼翻浆。

(2)路基下沉：路基下沉主要是路基填筑密度不够和强度不足所致，表现形式有路基下沉、道砟囊或道砟袋。填方路基下沉导致断面尺寸改变的病害现象，为路堤沉陷。由于路基土密实度不足或地基松软。在水、荷重、自重及振动作用下发生局部或较大面积的竖向变形。一般经过列车运行一段时间后。下沉会趋于缓解。但有时冈荷重增加或水的作用使沉降速率加大。局部下沉也会造成陷槽使线路不平顺。

(3)边坡塌方：坍方的表现形式有剥落、碎落、滑坍和崩坍。剥落、碎落、滑坍主要发生在路堑边坡。剥落是指边坡表层土壤，岩石风化成零碎薄片，从坡面上脱落下来的现象，剥落碎屑的堆积。会堵塞边沟，影响路基稳定。

(4)挤出变形：表现形式有路肩隆起、侧沟被挤，路肩外挤和边缘外膨。主要是

15

石家庄铁道大学毕业论文

由于土体强度不足而产生的剪切破坏或塑性流动，基床内土经常处于软塑状态，在基床内的影响深度较大，在列车荷载的作用下，基床上发生剪切破坏，发乍外挤变形。外挤是因为基床强度不足引起，外挤分为路肩隆起。

由于无砟轨道结构随着高速铁路的发展才发展，很多技术还不是很成熟，故无砟轨道存在很多的病害问题，有个能够克服掉，有些还必须进行损害后养护维修工作，上文列出了一些现如今主要的病害，使得我们要投入更多的精力去研究，保证铁路运行安全。

16

石家庄铁道大学毕业论文

第3章 CRTSII型板式轨道轨道板裂缝的分类及裂缝成因分析

3.1 混凝土的材料特点及裂缝的影响

由于轨道板裂缝的主要表现是混凝土开裂，在此先对混凝土开裂的一般情况进行研究。混凝土作为钢筋混凝土结构基本材料之一，由多种相态，多种物质构成的复合材料。混凝土内部并不是连续的、紧密的实体，而是处于不连续状态，存在诸多裂隙、空洞、孔道、疏松等缺陷。这些缺陷就成为引发混凝土构件出现裂缝的内在因素。

混凝土裂缝会影响结构的耐久性：混凝土出现裂缝后，在开裂部位形成结构的薄弱环节，加大了混凝土与周围环境的接触面积，加速混凝土的劣化速度；若混凝土为钢筋混凝土，开裂部位钢筋保护层厚度被严重削弱，该部位钢筋因保护层厚度不足而导致钢筋锈蚀，进而弱化结构的安全性。

3.1.1 钢筋锈蚀

混凝土裂缝会引起钢筋锈蚀，导致钢筋发生膨胀，使混凝土保护层脱落，严重的产生纵向裂缝，影响正常使用。钢筋锈蚀导致钢筋有效截面减小，破坏钢筋与混凝土的黏结，使结构承载能力降低，甚至导致结构破坏，是影响钢筋混凝土结构耐久性的最重要的因素。

3.1.2 混凝土碳化

混凝土裂缝会导致空气中的二氧化碳CO2进入混凝土中，足够的空气湿度会使其形成碳酸，即H2CO3。随后碳酸与氢化钙互相作用，产生碳酸钙CaCO3。若Ca(OH)2晶体中的碳酸钙未溶解，混凝土孔隙水的pH值就会降低到钝化极限值，即钢筋失去其抗腐蚀性。

3.2 混凝土裂缝形成原因

混凝土裂缝的形成是多方面原因共同作用的结果, 经系统分析混凝土产品的形成过程, 得出混凝土裂缝产生的主要原因。

3.2.1 设计原因

17

石家庄铁道大学毕业论文

⑴设计结构中断面突变导致应力集中，产生构件裂缝；

⑵设计中对构件施加预应力不当，造成构件裂缝（偏心、应力过大等）； ⑶设计中构造钢筋配置过少或过粗等引起构件裂缝（如墙板、楼板）； ⑷设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形。

3.2.2 配合比原因

⑴设计中水泥等级或品种选用不当； ⑵配合比中水灰比（水胶比）过大；

⑶单方水泥用量越大、用水量越高，表现为水泥浆体积越大、坍落度越大、收缩也越大；

⑷配合比设计中砂率、水灰比选择不当，造成水灰比和易性偏差，导致混凝土离析、泌水、保水性不良，增加收缩值；

⑸配合比设计中混凝土膨胀剂掺量选择不当，造成混凝土收缩开裂。

3.2.3 材料原因

⑴粗细骨料含泥量过大，造成混凝土收缩过大；

⑵粗细骨料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生；

⑶混凝土外加剂、掺和料选择不当、掺量不当或产品质量不达标，严重增加混凝土收缩；

⑷水泥品种原因，矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大，粉煤灰及矾土水泥收缩值较小，快硬水泥收缩大；

⑸水泥等级及混凝土强度等级原因：水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响很大，混凝土设计强度等级越高，混凝土脆性越大，越易开裂。

3.2.4 施工及现场养护原因

⑴现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生；

⑵对大体积混凝土工程，缺少两次抹面易产生表面收缩裂缝；

⑶大体积混凝土浇筑，对水化热计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位，引起混凝土内部温度过高或内外温差过大，混凝土产生温度裂缝；

⑷现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。

18

石家庄铁道大学毕业论文

3.3 混凝土开裂机理

3.3.1 塑性收缩

混凝土的塑性收缩指混凝土浇筑后至凝结前产生的收缩, 其主要原因也是混凝土表面水分的蒸发。骨料粒径越大，混凝土的塑性收缩将越大。施工时出现的塑性裂缝可以通过抹面压实去除。如果不及时处理, 将同混凝土自生收缩、干燥收缩一并作用, 加剧混凝土的开裂。

3.3.2 温度收缩

由于高性能混凝土水泥用量大、水化热高，因此混凝土内部温度将升高, 混凝土膨胀；由于构件非绝热状态，混凝土外部温度将降低。当混凝土收缩产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土将开裂。浇筑温度高、水泥用量大、采用早强水泥和早强减水剂将加剧温度收缩。

3.3.3 自生收缩和干燥收缩

混凝土的自生收缩和干燥收缩构成混凝土的总收缩。混凝土自生收缩从混凝土的凝结开始，主要持续在混凝土硬化后的几周内，尤其是混凝土凝结后的前几天。自生收缩是由于水泥水化造成的，水泥越细、水泥用量越大、环境条件越干燥，混凝土的自生收缩越大。混凝土的干燥收缩是混凝土凝结后在干燥的空气中，因混凝土由表及里持续失水而引起的混凝土收缩。由于混凝土表面收缩大、内部收缩小，致使混凝土表面受拉、内部受压，当混凝土表面拉应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土将产生裂缝。环境越干燥、风速越大, 混凝土的干燥收缩越大。掺加粉煤灰等混合材料有利于减小收缩。

3.3.4 在强度增长过程中受到外加荷载作用

在混凝土强度未达到设计强度时对混凝土施加外荷载，在混凝土内部发生超过其允许应力、应变的应力、应变，使混凝土在其相对薄弱部位首先破坏并扩展形成裂缝。

3.4 轨道板裂缝的特征

CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝主要有：

①混凝土与轨枕交接处的四个角端有40°左右的角裂缝； ②轨道板中间有横向或斜向的裂缝；

19

石家庄铁道大学毕业论文

③裂缝在初凝结束后2～3d和2个月左右多会出现并逐步发展； ④裂缝宽度无法测量、肉眼可见、裂缝不贯通轨道板。

下图 是某一典型的CRTSII型无砟轨道轨道板裂缝调查示意图( 调查区段是研究人员在我国试验段某桥上的CRTSII型无砟轨道) 。

图3-1 CRTSII型无砟轨道轨道板混凝土裂缝示意图

3.5 轨道板裂缝的出现部位

⑴钢筋安装不规范部位。轨枕周围钢筋保护层不足，混凝土浇筑过程中无法填充钢筋与轨枕间的空隙，在环境温度发生变化时引起混凝土开裂。

⑵轨道板混凝土表面收光抹面作业不到位部位。多次抹面技术控制不到位，未能排除泌水，以及混凝土内部的水分和气泡，导致在表面混凝土内部浅层部位存在薄弱环节。

⑶下部结构断面突变明显部位。

⑷混凝土性能不良及施工过程质量控制不良部位。

3.6 轨道板裂缝成因分析

尽管混凝土内部存在着各种缺陷和内部应力，但还必须有一定的外界条件，具体的说就是，轨道板裂缝的产生原因可分为两类: 一是结构型裂缝，是由外荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝；二是材料型裂缝，是由非受力变形变化引起的，主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。

3.6.1 荷载裂缝

荷载裂缝亦称受力裂缝，其宽度随荷载加大而增宽，而荷载裂缝产生的机理与构

20

石家庄铁道大学毕业论文

件截面的受力状态有关，即当截面上的主拉应力达到混凝土的抗拉强度时，出现与主拉应力方向垂直的裂缝。

图3-2 轨道板荷载裂缝

在设计计算过程中，荷载工况考虑不周、配筋不合理、结构尺寸不足、构造处理不当、施工阶段不按图纸施工等均有可能产生荷载裂缝，轨道结构受外载作用时，当荷载应力大于轨道结构混凝土的抗拉强度,施工阶段不按图纸施工等时，就会引起混凝土的开裂。由于轨道板有“起吊”这一工序，如果吊点位置设计不合理，在起吊过程中很可能产生较大的弯矩，使得轨道板开裂。

荷载裂缝一般与受力钢筋呈正交或斜交状态。若裂缝是由于钢筋与混凝土黏结应荷载作用引起的混凝土结构的裂缝固然重要，但在实际工程中只占很小的比例。绝大多数的可见裂缝都是由非荷载性质的间接作用引起的，以下将一一列出：

力过大造成的，则该裂缝方向与钢筋长度方向一致，且呈针状或劈裂状。

3.6.2 温度裂缝

温度裂缝主要是由温差造成的，混凝土是体积敏感性材料，同时也是热传导性能差的材料，由于道床板受温度的升降变化作用，使得道床板发生翘曲或上拱而产生裂纹。即由于混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其他裂缝最主要特征是随温度变化而变化。温差可分为以下三种: 水化热引起的混凝土内外温差、结构整体的温度升降差、结构从上表面至下表面的温度梯度。

⑴水化热引起的混凝土内外温差。混凝土浇筑初期，水泥在水化过程中要产生大量的热量，并且其大部分热量是在3d以内放出。由于混凝土是热的不良导体, 水化热积聚在混凝土内部不易散发，其内部的温度大多在浇筑后的3d～5d达到最高值。而混凝土表面温度为室外环境温度, 这就形成了内外温差，就会产生温度应力和温度变形，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。温度应力与温差成正比，温差越

21

石家庄铁道大学毕业论文

大，温度应力也越大，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便开始产生温度裂缝。这种温度差可达15℃以上，德国雷达轨道在设计时取用了25℃的温度差。初期混凝土内外应变差可达0.25‰，在长期的使用过程中考虑到混凝土徐变的影响，这种应变仍约为初始应变的1∕2。。浇筑初期混凝土强度很低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，其强度相应提高，对混凝土内部降温收缩变形的约束越来越强，以致产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不抵温度应力时，即产生温度裂缝。

⑵结构整体的温度升降差。混凝土结构在季节性变化和日照的循环变化下，结构整体发生均匀的温度升降变化，从而使混凝土结构发生伸缩。这种伸缩在没有纵向约束或约束很小时，产生的温度力可以不予考虑，但由于无砟轨道混凝土结构纵向受到很多的约束，使得混凝土结构越长则引起的温度应力就越大，从而导致混凝土出现贯通裂缝。无砟轨道混凝土结构在一个日照的循环下，结构的整体温差在炎热的夏季可以达到25℃～30℃。在随季节性变化的年温度周期性变化中，混凝土温度最高与最低时的温度差可达50℃～70℃ 。

⑶结构从上表面至下表面的温度梯度。混凝土结构在太阳照射下，其上表面温度高，下表面温度低。由于混凝土的热传导性能差，轨道板在沿高度方向上存在温度梯度。温度梯度会导致轨道结构发生翘曲和轨道板表面出现横向裂缝。在重庆北碚的一次测量中，19 cm厚的轨道板在当地最高气温为38℃时，上下表面的温差达到了15℃，变化规律近似为指数函数曲线变化。

3.6.3 混凝土收缩引起裂缝

混凝土是由气、液、固三相组成的假固体(指浇筑过程到养护)，其中尚有未水化的水泥颗粒，还要吸收周围的水分。另外液、固相间的胶凝体，因水分散失，体积会缩小，引起收缩裂缝。混凝土的收缩类型有很多种，其中引起混凝土开裂的主要有干燥收缩、自生收缩、碳化收缩和塑性收缩。在混凝土硬化之前，处于塑性状态，硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规律的塑性收缩裂缝。掺入混凝土中的拌合水，约有20％的水分是水泥水化反应所必需的，硬化后期混凝土内自由水分蒸发，吸附水的逸出就会引起混凝土的干燥收缩，还会产生碳化收缩。

22

石家庄铁道大学毕业论文

图3-3 轨道板收缩裂缝

干燥收缩是指混凝土硬化后，在干燥或外界温度很高的环境下，混凝土内部的水分不断向外散失，引起混凝土由内向外的干缩变形裂纹。

自生收缩是指在水泥水化的过程中，水泥与水发生水化反应，水化后体积会收缩，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。

碳化收缩是因受空气中CO2，的作用而导致水泥砂浆体积缩小现象。影响混凝土碳化收缩的两个最基本因素是CO2 的浓度和湿度。CO2：作为一个反应物，当然浓度越高，碳化反应越迅速，因而碳化收缩也越大。但湿度却不然，当相对湿度为55％ 时，碳化收缩达最大值。当相对湿度>55％ 时，碳化收缩随相对湿度的增加而减小；当相对湿度<55％ 时，碳化收缩则随相对湿度的减小而减小；当相对湿度<25％ 时，碳化收缩几乎停止。

塑性收缩是指混凝土浇筑后仍处于塑性状态，由于表面水分蒸发过快而产生的裂纹，这类裂纹多出现在表面，形状不规则、长短宽窄不一、呈龟裂状，深度一般不超过50㎜。塑性收缩一般发生在混凝土浇筑后的10 ～ 12 h，暴露在不饱和空气环境下( 相对湿度小于95% )、风速较大、气温较高时容易发生。对于低水胶比的高强混凝土，其收缩大部分发生在早期，如果养护不当，使混凝土在一开始便出现大量微裂纹。但当轨道板是高度很小的薄板结构时，如果混凝土中掺有含泥量大的粉砂则可能被穿透。产生的主要原因是混凝土表面水分蒸发过快，或者是过快地被基础和模板吸水，以及混凝土本身的水化热高等原因造成混凝土产生急剧收缩，此时混凝土强度趋近于零，不能抵抗这种变形应力而导致开裂。

3.6.4 钢轨的伸长引起裂缝

无砟轨道施工若不能及时松开扣件，钢轨的伸缩将带动轨枕在新浇混凝土中移动从而产生裂缝。双块式和长枕埋入式无砟轨道施工时一般是先将钢轨、双块式轨枕或长轨枕精确定位和扣件拧紧，然后再浇筑混凝土。当白天太阳直射，外界温度比较高

23

石家庄铁道大学毕业论文

时，钢轨的温度发生急剧升高，从而导致钢轨伸长。这时由于混凝土正处于初凝状态强度趋近于零，不能抵抗这种变形应力而导致开裂。

3.6.5 混凝土骨料塑性沉落引起裂缝

混凝土在浇筑时，在振动棒和重力的作用下，骨料下沉、水泥浆上升，这种沉落直到混凝土硬化时方才停止。当这种塑性沉落受到模板、钢筋及预埋件的抑制( 或者模板沉陷、移动) 时，将会出现沿钢筋走向的裂缝。这种裂缝大多出现在混凝土浇筑后0.5 h～3.0 h 之间，此时混凝土尚处在塑性状态。这种裂缝大多出现在混凝土浇注后半小时至3小时之间，混凝土尚处在塑性状态，混凝土表面消失水光时立即产生，沿着梁及板上面钢筋的走向出现，主要是混凝土塌落度大、沉陷过高所致。

3.6.6 新旧混凝土粘结不良引起裂缝

无砟轨道CRTSII型轨道，由于轨枕是预先制作的，所以若不采用其它措施很容易出现新旧混凝土粘结不良引起的裂缝。同时，运营后随着列车通过次数的增加，裂缝还将进一步扩大。

3.6.7 钢筋锈蚀裂缝

轨道板混凝土保护层受空气中的二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低；或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，两者均可引起钢筋表面氧化膜被破坏，从而使钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水发生锈蚀反应。钢筋锈蚀物中氢氧化铁的体积比原来增长约2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，即锈蚀裂缝。

3.6.8 碱骨料反应裂缝

碱骨料反应(简称ASR) 是指水泥中的碱性物质与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。碱骨料反应因时间较为缓慢，不易在短时间内被发现，给混凝土工程带来的危害是相当严重的。

发生碱骨料反应需要具有三个条件: 首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。

3.6.9 施工工艺不当造成的裂缝

24

石家庄铁道大学毕业论文

混凝土施工过程中未严格按照工艺要求进行质量控制，则有可能产生施工裂缝，主要原因有:

⑴ 拌制混凝土时不按配合比计量，任意加水，致使浇筑质量不均匀、收缩不一致产生裂缝；

⑵ 轨道板模型下五个支腿的位置不合适需要调整或混凝土从搅拌到浇筑的时间过长，致使大量网状不规则的裂缝产生；

⑶ 轨道板脱模油使用不当造成脱模阻力不均衡，脱模前没有吹气松动轨道板或吹气孔堵塞，脱模时混凝土强度值不够高，需要延长养护时间，或其它由于未按照规范要求养护造成轨道板表面混凝土开裂；

⑷ 轨道板脱模前真空吊具的五个伸出腿不同步，造成预裂缝处产生裂纹，吊装起板过程中吊具的吊点设计不合理或没有做到轻吊轻放也可能导致成品板开裂。

3.6.10 冻胀裂缝

混凝土，在大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。冬季施工时，外部环境气温一般为-10℃ ～0℃ ，厂房内温度一般为1℃ ～15℃ ，厂房内外温差>15℃ 以上，无法满足轨道板出厂温差<15 ℃的要求，若因车间内没有采取防冻措施，使混凝土受冻而产生裂缝，即称为冻胀裂缝。

3.6.11 其他因素引起的裂缝

此外，结构基础不均匀沉陷、冻胀以及预应力施工不当等均会引起无砟轨道轨道板产生裂缝。无砟轨道轨道板裂缝种类多种多样，其产生的原因也错综复杂，各种因素相互影响。

由上述结构裂缝分析中看出，轨道板结构中出现裂缝是经常发生的，出现裂缝的类型很多，产生的原因也是多种多样的。因此,对投入使用建筑物的鉴定时，必须分析裂缝形成的原因，测量裂缝的大小，简述裂缝的形态变化发展或稳定与否,据此来分析判断对结构的影响程度。在判断的基础上根据裂缝出现部位和重要性、裂缝的大小及危害程度，采取不同的补强措施，以确保结构的安全使用。

25

石家庄铁道大学毕业论文

第4章 CRTSII型板式轨道板裂缝预防措施及修补方法

4.1 裂缝控制标准

4.1.1 相关行业混凝土裂缝控制标准

⑴ 德国DIN1045-1标准

根据不同的暴露种类，将结构进行分析。根据结构分析确定的钢筋混凝土构件裂缝宽度容许值如表4-1所示。

表4-1 DIN1405-1中对裂缝宽度的限制要求

腐蚀环境 暴露种类 干燥或持续潮湿状态 潮湿，很少干燥； 湿度适 中；潮湿和干燥交替

钢筋混凝土构件裂缝宽度Wk/mm 0.4 0.3

钢筋有腐蚀，由于碳化作用引起的腐蚀风险 除海水以外的氯化物引起的配筋腐蚀 湿度适中；潮湿，很少干燥 0.3 潮湿和干燥交替特殊要求

特殊要求

注: 对于特殊结构物如桥梁、水箱、车库有更高的要求。

⑵ 欧洲混凝土委员会

根据混凝土结构耐久性要求、结构所处条件及荷载作用的情况，对允许的最大裂缝宽度做出了规定，如表4-2所示。

表4-2 EuroCode 裂缝宽度（mm）

环境条件类别 一（室内正常环境） 二（露天环境） 三（水位变动区） 四（海水浪溅、盐雾作用区）

按耐久性要求 短期荷载组合 ＞0. 40 ＞0. 30 ＞0. 25 ＞0. 15

长期荷载组合 ＞0. 35 ＞0. 25 ＞0. 20 ＞0. 10

＞0. 10 ＞0. 10 ＞0. 10 ＞0. 05 按防水性要求 ⑶ 日本土木学会与建筑学会

日本土木学会标准中把允许裂缝宽度与保护层厚度结合在一起考虑，这就能更好

26

石家庄铁道大学毕业论文

地反映裂缝对结构产生的危害。日本土木学会与建筑学会允许的裂缝控制宽度如表4-3所示。

表4-3 日本允许裂缝宽度

基准 土木学会混凝土标准说明书( 2002)

建筑学会混凝土结构开裂与对策( 设计、施工) 指南与解说( 2002) 注：c 为保护层厚度( mm) 。

环境条件 一般环境 腐蚀环境 特别严重 腐蚀环境 一般环境

允许裂缝控制宽度 异性钢筋，普通钢筋: 0.005 c，( PC钢材: 0. 004 c) 0.004 c 0.0035 c 0.3 mm

⑷ 美国混凝土协会( ACI)

ACI规定不同环境下钢筋混凝土允许裂缝宽度不同，如表4-4所示。

表4-4 ACI裂缝宽度限值

外部环境 允许最大裂缝宽度/mm 干燥空气 0. 40 高湿环境，泥土中 0. 30 溶盐 0. 18 海水(水位有变化) 0. 15 水箱或储水池 0. 10

⑸ 我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)

钢筋混凝土和预应力混凝土构件应按所处环境类别和使用要求，选用相应的裂缝控制等级，并按下列规定进行受拉边缘应力或下截面裂缝宽度验算:

一级——严格要求不出现裂缝的构件； 二级——一般要求不出现裂缝的构件； 三级——允许出现裂缝的构件。

在荷载的标准组合下，并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度，应符合下列规定: ωmax≤ωlim，如表4-5所示。

27

石家庄铁道大学毕业论文

表4-5 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝控制宽度限值

环境类别

室内正常环境 室内潮湿，严寒寒冷地区露天与土接触环境 严寒寒冷地区冬季水位变动，滨海室外环境

三

0.2

一

—

三

0.2

二

—

钢筋混凝土结构

裂缝控制等级

三

预应力混凝土结构

裂缝控制等级

三

ωlim /mm

0.3（0.4）

ωlim /mm

0.2

⑹ 连续配筋混凝土路面

根据对已有CRCP 的调查，横向裂缝间距为0.3 m～0.6 m的路段破坏最多；横向裂缝间距为1.2 m～1.5 m的路段钢筋锈蚀最小；横向裂缝间距为1.5 m～2.5 m 的路段传荷能力最佳，弯沉及荷载应力最小；横向裂缝间距大于2.5 m的路段裂缝宽度较大，传荷能力减小并发生剥落。美国建议的裂缝间距为0.8 m～3.0 m，比利时建议的裂缝间距为1.0 m～4.0 m。裂缝宽度以不严重渗水为好，一般认为裂缝宽度应小于0.6 mm，低温下应不大于1.0 mm。

CRCP的配筋率通常是指纵向钢筋与混凝土的面积比，取值范围一般在0.5%～0.7%之间。配筋形式一般采用纵、横向变形钢筋搭接而成的钢筋网构造。钢筋网一般布置在板厚的1/3～1/2处，也有采用布置在板的上部及底部的双层钢筋网；钢筋的混凝土保护层最小厚度为6 cm。

4.1.2 无砟轨道裂缝控制标准

确定裂缝最大宽度所需考虑的因素主要为耐久性( 环境条件和构件使用条件)和外观要求。目前世界各国的规定不完全一致，但大致相同，如从结构耐久性要求，承载力要求及正常使用要求，最严格的允许裂缝宽度为 0.1 mm。近年来，许多国家已根据大量试验与泵送混凝土的经验将其放宽到0.2 mm。当结构所处的环境正常、保护层厚度满足设计要求、无侵蚀介质时，钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4 mm；在湿气及土中裂缝宽度为0.3mm；在海水及干湿交替中宽度为0.15 mm，沿钢筋的顺筋裂缝有害程度高，必须处理。根据各国不同规范确定的无砟轨道最大裂缝宽度如下表4-6 所示

28

石家庄铁道大学毕业论文 表4-6 无砟轨道最大裂缝宽度

规范或组织 DIN1045

裂缝宽度 0.3 mm

说明 XC4 环境类别二

欧洲混凝土委员会

0.3 /0.25 mm

0.3 mm 为短期效应组合 0.25 mm 为长期效应组合

日本土木学会与建筑学会

混凝土结构设计规范

铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定

0.005c /0.3 mm

0.005c为耐久性要求 0.3 mm 为外观要求 环境类别为二、三

0.2 mm × c /30

由表4-6的对比分析可以看出，各国规范对于裂缝宽度的限制均较高，其中日本按耐久性要求的裂缝宽度最严，当保护层厚度为30mm时，最大裂缝宽度仅容许为0.15 mm；DIN1045和欧洲混凝土委员会规定稍宽，为0.3 mm；我国混凝土结构设计规范则规定为0.2mm，介于其中。日本属于海洋性气候，易受氯盐的侵蚀，为保证其结构的耐久性，故而从严规定其裂缝宽度限值。欧洲环境条件较好，其防止钢筋锈蚀，多采用加厚保护层和增加水泥含量等措施，其裂缝宽度限值稍松。我国幅员辽阔，各地气候条件不同，裂缝宽度限值宜参照我国混凝土结构设计规范，考虑保护层厚度的影响，即无砟轨道允许裂缝宽度限值取为0.2mm，当混凝土保护层厚度超过30mm 时，裂缝宽度允许值取0.2 mm与系数c/30的乘积(混凝土保护层以≥50 mm为宜)。隧道内排水良好、无腐蚀性环境时裂缝宽度可适当放宽，距离隧道洞口200 m以上的隧道内裂缝宽度标准可按室内正常环境择，即裂缝宽度允许值取0.3 mm (保护层厚度为30 mm时)。

4.2 裂缝的预防措施

轨道板产生裂缝的原因非常复杂，多数情况下都是各种因素共同作用的结果，因此在进行轨道板裂缝控制时，必须综合考虑不同的因素才能取得积极有效的防裂效果。

接下来从整体上对裂缝的防治进行分析如下。

4.2.1 优化结构设计

4.2.1.1 混凝土保护层厚度

一般情况下，上层纵向钢筋放置于轨枕桁架钢筋之上，其混凝土保护层厚度约为

29

石家庄铁道大学毕业论文

50 mm。在直线地段，由于轨道板表面设置横向排水坡，轨道板边缘处纵向钢筋的保护层厚度将不足50 mm，在这种情况下可对钢筋位置进行调整，将纵向钢筋调至横向钢筋的下边，如图4-7，保护层控制得当还可以有效的防治钢筋锈蚀裂缝的发生。

图4-7 调整钢筋位置增大保护层示意图

4.2.1.2 钢筋配置

裂缝宽度取决于钢筋量（或配筋率）。根据中铁第四勘察设计院的崔国庆研究，图4-8为裂缝宽度、间距和配筋率的关系。

图4-8 裂缝宽度、间距与配筋率关系

通过该研究成果可以看出，轨道板配筋率越大，最大裂缝宽度越小，裂缝的间

距越小；反之亦然。武广铁路客运专线设计中轨道板按0.8%～0.9%的配筋率进行配筋，裂缝设计控制宽度为0.15 mm，裂缝间距1～2m左右。

在钢筋量确定的情况下，采用较小直径的钢筋可增大钢筋与混凝土的接触面，从

30

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/njl6.html