（道路与铁道工程专业论文）树脂砂浆板式轨道结构分析与试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前国内正处于一个发展高速铁路的黄金时期，无砟轨道将会得到更广泛 的应用。在我国修建客运专线的过程中，以板式无砟轨道为主，如何在现有的 板式无砟轨道的基础上进一步的改善提高，更好的应用于我国铁路的建设中己 显得迫在眉睫。传统的c a 砂浆材料虽有价格较低，使用成本较低的优点，但也 存在许多本身难以克服的缺点，本文在c r t s i 型板式无砟轨道结构型式的基础上 提出了一种的新的轨道型式，以树脂砂浆代替c a 砂浆做为调整层，并建立有限 元模型以及试验研究证明其可行性。 首先，对树脂砂浆材料的力学性能做了抗压试验、抗拉试验、抗剪试验， 试验结果表明，树脂砂浆材料的力学性能能够满足要求。 再次，根据c r t s i 型板式无砟轨道结构型式，对树脂砂浆板式轨道结构做 了初步设计研究，并建立有限元模型对结构作了力学分析，力学分析结果表明， 此结构是安全可靠的； 其次，对树脂砂浆板式轨道结构进行了试验研究，包括静载试验( 垂直静 载试验与水平静载试验) 、疲劳试验，结果表明，树脂砂浆板式轨道承载力满足 要求。 关键词：无砟轨道力学分析树脂砂浆试验研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c u r r e n t l yt h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr m l w a yi si nag o l d e na g ei nc h i n a b a l l a s t l e s st r a c kw i l lb em o r ew i d e l ya p p l i e di nt h ef u t u r e s 1 a bt r a c ki st h em a i n f o r mi nt h ec o n s t r u c t i o no fp a s s e n g e rl i n e i nc h i n a i ti si m m i n e n tt oi m p r o v et h e n o we x i s t i n gs l a bt r a c kf o r mt om a k ei tb e t t e ru s e di nt h ef u t u r ec o n s t r u c t i o n a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lc a m o r t a rm a t e r i a lh a st h ea d v a n t a g eo fc h e a p e rp r i c ea n d l o w e rc o s t i ts t i l lh a ss o m eu n c o n q u e r a b l ew e a k n e s s t h i sp a p e rb r i n g su pan e w t r a c kf o r mb a s e do nt h ec r s t1b a l l a s t l e s st r a c k r e s i nm o r t a rm a t e r i a lw i l l s u b s t i t u t ec am o r t a rm a t e r i a la st h ea d j u s t i n gl a y e r a l s ot h ep a p e rw i l lb u i l daf i n i t e e l e m e n tm o d e la n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn e w t r a c kf o r m f i r s t ，c o m p r e s s i o nt e s t ，t e n s i l et e s ta n ds h e a rt e s tw e r ed o n eo nr e s i nm o r t a r m a t e r i a lt op r o v ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr e s i nm o r t a rm a t e r i a lc a r ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s s e c o n d ，b a s e do nt h es t r u c t u r ef o r mo fc r s t is l a b ，ap r e l i m i n a r yr e s e a r c hw a s p r e c e d e do nt h es t r u c t u r eo fr e s i nm o r t a rs l a bt r a c ka n daf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a s b u i l dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t r u c t u r e t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v e t l l a tt h i ss t r u c t u r ei ss a f ea n dr e l i a b l e 1 1 1 i r d 。ae x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sd o n eo nt h es t r u c t u r eo ft h er e s i ns l a bt r a c k i n c l u d i n gs t a t i cl o a dt e s t ( v e r t i c a l a n dh o r i z o n t a ll o a dt e s t ) f a t i g u et e s t t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h er e s i nm o r t a rs l a bt r a c ka l s om e e tt h e r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k , m e c h a n i c a la n a l y s i s ，r e s i nm o r t a r , e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 弘 蔗垆 、) l 名7 签户，僦哆 刻 影肌 匕日广t o 指日 之一 ；一； 裂叶 名， 别叩 作1姚1 位期 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 )本文建立了；路基、桥梁上树脂砂浆板式无砟轨道有限元模型，对 树脂砂浆板式无砟轨道受力进行了分析，得出此结构是安全可靠的结论。 ( 2 )本文提出的树脂砂浆板式轨道结构作为一种新型的轨道结构型式是 安全可行的，为我国无砟轨道的快速发展贡献了一份力量。 论文作者签名： 马工趑 日期：叫年屈月乍日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，在 综合交通运输体系中处于骨干地位。近年来，我国铁路以前所未有的速度向前发 展，特别是铁路的全面提速和客运专线的建设。中国铁路跨越式发展思路为中国 铁路未来描绘了宏伟蓝图，同时也给铁路建设者带来了许多新的课题和挑战。 从世界范围来看高速行车已成为铁路现代化的重要标志。这是因为高速铁路具 有通过能力大、行车速度快、运输效率高等突出特点。我国疆域辽阔、人口众 多，又处于小康水平的发展阶段，更需要能力大、速度快、运价低廉、节省能 源、安全可靠的高速铁路。建设高速铁路是我国改革开放建立社会主义市场经 济的需要，是国民经济发展和人民生活水平提高的需要，也是强化和优化现代 化综合运输体系的需要，为妥善解决大通道运力紧张和城市间旅客运输开辟了 新的途径。 建设中国的高速铁路，是我国铁路人孜孜以求的夙愿，又是极具挑战性的伟 大事业。实现高速铁路的高速度、高安全性和高舒适性，土建工程中的轨道结 构起着重要的基础性作用。我国的高速铁路要与既有线兼容，运量大，天窗时 间短，其运输与维修的矛盾更为突出，积极推广应用少维修的无砟轨道具有重 要意义。 传统的有砟轨道结构自诞生之日起，就显现出稳定性差的缺点。传统的有砟 轨道采用碎石道砟作为道床，因为石砟道床的增弹减振、排水及方便维修养护 等特点，使得有砟轨道具有铺设方便、造价低、容易维修等优点，长期以来作 为世界各国普通铁路轨道的主要结构型式。但随着列车速度的提高，轨道的振 动加剧，石砟道床的变形越来越严重。在高速铁路上，石砟道床的变形非常快， 给轨道的维修造成困难，同时还因为石砟变形的小均匀性造成轨道的各种不平 顺，影响高速列车的舒适性和安全性。其次，高速铁路上，因高速行车造成强 大的列车风，致使道砟颗粒被风卷起，道床形状难以保持，不得不采用措施进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 行道砟表面封闭，从而使有砟轨道失去了方便维修这一最大的优势。此外，在 长大隧道及城市地铁中，因为维修不方便，不宜采用变形快维修量大的有砟轨 道。其原因在于碎石道床在列车荷载长期作用下，产生变形及道砟的磨损和粉 化。目前，高速铁路的发展趋势是运营速度3 0 0 k m h ，其对轨道结构的平顺性 和稳定性要求更高，有砟轨道结构的适应性问题已引起普遍关注。无砟轨道整 体性强，纵向、横向稳定性高，能持久地保持轨道的几何尺寸。养护、维修工 作量少，综合成本低，桥梁一期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合 经济效益高等优点，目前在国内外客运专线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。无砟轨道在高速铁路上大量 铺设已成为世界高速铁路发展趋势，目前无砟轨道技术发展比较成熟的国家主 要是德国和日本，我国客运专线和高速铁路无砟轨道技术尚处于起步阶段。在 我国即将大规模建设高速铁路的阶段，消化和吸收国外无砟轨道的设计理念、 设计理论和方法等，建立起自主的无砟轨道设计理论体系是我国科研和设计人 员目前需要解决的重要问题n 1 。 1 2 无砟轨道国内外研究现状 1 2 。1 国外无砟轨道研究应用现状 为了适应高速行车的需要，提高线路稳定性、可靠性和耐久性，减少线路维 修工作量，世界各国研发了多种形式的无砟轨道，其中德国和日本的无砟轨道 应用，走在各国的前列。具有代表性的无砟轨道主要有德国的r h e d a 无砟轨道、 z u b l i n 无砟轨道、b s g l 无砟轨道以及日本的板式无砟轨道等聆1 。 ( 1 ) 德国铁路无砟轨道研究与应用 自1 9 5 9 年开始研究、试铺无砟轨道，先后在路基、高架桥上以及隧道内 试铺了各种混凝土道床和沥青混凝土道床的无砟轨道。经过不断的改进、优化、 完善，不仅形成了德国铁路的无砟轨道系列，而且还形成了比较成熟的技术规 范和管理体系，研制了成套的施工机械设备和工程质量监测设备，为无砟轨道 在德铁的推广应用创造了良好的条件。到目前为止，德国铁路无砟轨道运营长 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 度达到8 0 0 延长公里，其结构形式以r h e d a 无砟轨道、z u b l i n 无砟轨道、b s g l 无砟轨道型式为主u 0 l 。 ( 2 ) 日本铁路无砟轨道的研究与应用 。 日本新干线的无砟轨道结构型式相对单一，以板式轨道为主，其应用是从 桥梁和隧道开始的，经历了温暖地区向寒冷地区、坚实的桥、隧道基础向土质 路基、普通轨道板向防震轨道板、平板型轨道向框架型轨道近4 0 年的发展历程， 并经运营实践不断地完善。其设计、制造、施工、维修检测等方面标准化、规 范化程度较高n 9 | 。 日本板式轨道研发过程中，曾提出多种结构设计方案，如a 型、m 型、l 型、 r a 型等。目前定型的板式轨道有a 型、框架型以及在特殊减震地区使用的减振 g 型，构成了使用与各种不同使用范围的板式轨道系列。至今，板式轨道在日本 既有线和新干线累计铺设长度达2 7 0 0 延长公里幢1 。 1 2 2 国内无砟轨道发展概况 我国无砟轨道的研制工作起步相当早，与国外的研究几乎同时起步。在 1 9 5 6 、1 9 6 1 年间，全国修建整体道床约8 k m 。从1 9 6 5 年即开始在长达山岭隧道 内大量铺设。进入9 0 年代后，随着京沪高速铁路可行性研究的进展，无砟轨道 在我国得到了更大的关注，提出了适用于高速铁路桥梁隧道结构上的三种无砟 轨道结构形式，即板式、长枕埋入式和弹性支承块式无砟轨道h 3 。 进入二十一世纪后，我国在无砟轨道铁路建设中取得了很大的发展。在建 成遂渝、武广、严寒地区等无砟轨道试验段的同时，京津城际铁路建设全面铺 设了c r t s i i 型板式无砟轨道。在即将开通的武广客运专线全线铺设了c r t s i 型 双块式无砟轨道，郑西客运专线全线铺设了c r t s i i 型双块式无砟轨道，其余在 建的客专、客货共线全部或者部分路段铺设了无砟轨道，结构形式以双块式轨 道、c r t s i 型板式轨道、c r t s i i 型板式轨道为主h 1 1 。 在吸收国内外先进经验的基础上，结合我国无砟轨道的建设经验，我国已 经发布了适应3 0 0 3 5 0 k m h 客运专线的通线( 2 0 0 8 ) 2 3 0 1 c r t s i 型板式无砟轨道、 适应2 0 0 2 5 0 k m h 客货共线铁路的通线( 2 0 0 8 ) 2 2 0 1 c r t s i 型板式无砟轨道和通 线( 2 0 0 8 ) 2 2 5 1 c r t s i 型双块式无砟轨道( 隧道地段) 等设计参考图。同时掌握 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了针对时速3 5 0 k m 高速铁路设计的c r t s ii 型板式无砟轨道技术瞄3 。 1 3 各种类型无砟轨道结构的特点 目前，国内应用广泛的成熟无砟轨道型式有c r t s i 型、c r t s i i 型双块式和 c r t s i 型、c r t s i i 型板式无砟轨道等类型3 。 i 3 1 双块式无砟轨道 双块式无砟轨道是将预制双块式轨枕置于现浇混凝土道床板中形成的整体 式结构。为了保证无砟轨道结构的平顺性、高稳定性要求，其核心在于保证扣 件锚固位置的精确和牢固，避免道床混凝土裂缝通过扣件位置，因此采用高强 度的预制桁架的双块式轨枕结构，以保证其制造质量与精度，阻断道床裂纹通 过扣件锚固点啪，。 双块式无砟轨道按整体式结构设计，分为c r t s i 型和c r t s ii 型双块式无砟 轨道型式。这两种型式的结构设计原理及结构组成相同，主要区别在于其施工 方法的不同。c r t s i 型双块式无砟轨道采用预组装轨排法按照自上而下的工艺流 程施工，c r t s i i 型双块式无砟轨道采用专用的固定架组装成段轨排，按照自下 而上的工艺流程施工，通过振动方式将轨枕“振入到道床混凝土中。 双块式无砟轨道为分层结构，桥上自上而下为道床板、钢筋混凝土底座、 梁体结构；路基上自上而下为刚度逐渐降低的层状结构，包括道床板、支承层、 基床表层、基床底层等。在路基、隧道地段沿线路纵向采用连续道床板结构， 列车横向力、温度力由道床板与支承层的层间粘结传递；桥上及桩板结构地段 采用分块式道床板结构，水平力通过底座与道床板间设置的限位凹凸台传递堙羽。 其结构图如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 5 0 9 一u c 篓避，。 州r a u 托a l y 幻n d e 口b 弹f h b l ) 地 图卜1r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道 ，e - 图卜2z i i b l i n 无砟轨道 1 3 2c r t s i 型板式无砟轨道 c r t s i 型板式无砟轨道为预制单元板式轨道结构，在路基、桥梁、隧道地段 结构组成相同，自上而下由轨道板、c a 砂浆调整层、钢筋混凝土底座、凸形挡 台等组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 板 图卜3c r t s i 型板式轨道 该轨道结构通用性强，弹性好，施工进度快，可修性好。c r t s i 型板式轨道 结构特点如下： ( 1 ) c r t s i 型板式轨道按明确的层状结构体系设计，并确保能够方便的维修 或更换。 ( 2 ) 轨道板承担了钢轨定位、传力、承载的多重作用。为减小轨道板的设计 强度和体积，采用比较坚实的混凝土基础。 ( 3 ) 为确保轨道板的定位，采用一层现浇、有较好的填充性能和传力能力的 c a 砂浆调整层。 ( 4 ) 为解决水平力的传递问题，在混凝土底座上设置圆形凸台结构作为专门 的传力部件。板式轨道的传力机理十分明确。竖向荷载的传递：从上至下逐层 传递。水平荷载的传递：通过凸形挡台作为主要的水平力传递部件。为减少水 平力对凸台的冲击，在凸台和轨道板之间设置缓冲层阻引。 1 3 3c r t s i i 型板式轨道 c r t s i i 型板式轨道为预制板式轨道结构，在路基、隧道地段自上而下由 轨道板、b m z 砂浆调整层、支承层等组成，桥梁上由轨道板、b m z 砂浆调整层、 钢筋混凝土底座、滑动层、侧向挡块等组成。沿线路纵向轨道板、底座及支承 层均为连接结构恤h 2 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i - - l 二二 ； 一_ l 。 ；煳冁 图卜4c r t s i i 型板式轨道 c r t s i i 型板式轨道结构特点如下： ( 1 ) c r t s i i 型板式轨道按明确的层状结构体系设计。 ( 2 ) 轨道板通过精确加工可以确保钢轨的精确定位，承力传力性能可靠、 耐久，满足不同线路平面线形时轨道板纵连的需要。 ( 3 ) 纵连结构保证轨道结构连续性。路基上列车纵横向力、温度力由轨道 板与n , i z 砂浆、支承层的层间粘结传递；桥梁上通过侧向挡块、锚固销钉及桥 梁端端刺等结构传递。 ( 4 ) 轨道板采用预设裂缝( 假缝) 设计方案，一方面裂缝控制不超过0 5 m m ， 另一方面实现轨道板轨枕化、 ( 5 ) 桥上i i 型板式无砟轨道，需要从粱轨相互作用的理论加以检算嶂“。 1 4 目前无砟轨道科研项目的研究进展情况 2 0 0 4 年9 月铁道部决定在遂渝线建设无砟轨道综合试验段，在2 0 0 7 年1 月进行了综合实车试验。随后在总结遂渝试验段的基础上，又建设了武广武汉 综合试验段和严寒地区无砟轨道试验段。 遂渝线无砟轨道综合试验段是我国第一条成区段铺设的、具有自主知识产 权的无砟轨道综合试验段。该试验段正线全长1 31 5 7 k m ，铺设长度1 8 、7 1 8 k m 。 该试验段有路基、桥梁、隧道、涵洞、站场等线下工程以及各种类型过渡段， 工程类别齐全。研发了单元板式、纵连板式、双块式及岔区轨枕埋入式无砟轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 道，首次实现了在路基、岔区及大跨桥上的成功铺设，初步建立了不同结构物 上无砟轨道的设计理论与方法。 武广客运专线武汉综合试验段位于武汉至咸宁间。综合试验段范围共有桥 梁3 0 座长3 0 3 9 1 k m ，占试验段全长的4 8 9 ，路基长度为3 1 7 6 4 k m ，占试验段 全长的5 1 1 0 ，车站2 座，本段无隧道。试验段设计时速3 5 0 k m 。共铺设了c r t s i 型双块式无砟轨道、c r t s i 型板式无砟轨道、c r t s i i 型板式无砟轨道和岔区轨 枕埋入式无砟轨道。综合实车试验表明试验段铺设的各种无砟轨道满足3 5 0 k m h 速度目标值的要求。 严寒地区无砟轨道试验段铺设四种严寒地区调整层砂浆材料：p m c 自流平砂 浆、s l - i 型水泥乳化沥青砂浆、s l 一2 水泥乳化沥青砂浆和环氧树脂砂浆；研制 了后张法预应力轨道板。试验结果表明各种砂浆填充层具有良好的拌和、施工 性能，砂浆流动性很好，在模腔和灌注袋中均能充盈饱满，砂浆表面无起皮和 大气泡，砂浆均质、密实。现场搅拌机械配套、可行：试验检验有关力学性能 均能达到技术条件规定指标嘲1 。 在吸收国内外先进经验的基础上，结合我国无砟轨道的建设经验，我国已 经发布了适应3 0 0 、3 5 0 k m h 客运专线的通线( 2 0 0 8 ) 2 3 0 1 c r t s i 型板式无砟轨道、 适应2 0 0 2 5 0 k m h 客货共线铁路的通线( 2 0 0 8 ) 2 2 0 1 c r t s i 型板式无砟轨道和通 线( 2 0 0 8 ) 2 2 5 1 c r t s i 型双块式无砟轨道( 隧道地段) 等设计参考图。同时掌握 了针对时速3 5 0 k m 高速铁路设计的c r t s ii 型板式无砟轨道技术哺3 。 1 5 本论文主要研究内容及主要研究意义 1 5 1 本文研究意义 目前国内正处于一个发展高速铁路的黄金时期，无砟轨道将会得到更广泛的 应用。在我国修建客运专线的过程中，以板式无砟轨道为主，如何在现有的板 式无砟轨道的基础上进一步的改善提高，更好的应用于我国铁路的建设中已显 得迫在眉睫，本文正是基于这种需要在日本板式无砟轨道的技术上，加以改进 创新提出的树脂砂浆板式轨道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 传统的c a 砂浆材料虽有价格较低，使用成本较低的优点，但也存在许多本 身难以克服的缺点：其一，由于c a 砂浆材料本身性能的限制以及由于原料及制 备方法的不稳定，c a 砂浆材料强度偏低，难以承受长期疲劳载荷：其二，在 c a 砂浆施工灌注时为了使水泥水化形成所需要的硅酸盐化合物使之具有最终 强度，需要加入过量的水；过量水的存在一方面在水泥制品硬化后要产生体积 收缩，另一方面水的残存在寒冷地区将产生结冰膨胀，使砂浆垫层易于出现开 裂，影响板式轨道的正常使用；其三、水泥硬化时间长，强度上升慢，影响施 工进度。 由上可见c a 砂浆的缺点是明显的，鉴于它的缺点选择一种更好的弹性垫 层材料来替代c a 砂浆已显得尤为重要，本文就是基于此考虑提出一种新材料 树脂砂浆来替代c a 砂浆，更好的适应我国快速发展的铁路事业。 1 5 2 本文研究内容 本文结合成灌客专的建设以及国内外无碴轨道的应用情况由中铁二十三局 提出一种新型的轨道结构一一树脂砂浆板式轨道结构，该结构拟取消凸台，并 将板底下c a 砂浆换成树脂层来提高与轨道板之间的粘聚，依靠增强的层间粘聚 起到水平传力和限位作用，为了验证树脂砂浆能够满足水平传力和限位作用， 为设计人员提供设计依据，本文主要做了以下工作： 1 系统总结了国内外无砟轨道的主要结构型式及技术特点 我国铁路正处于一个快速发展的时期，在高铁的快速发展中，无砟轨道是首 选的结构型式，在已建成的武广客专、郑西客专以及在建的京沪高铁都采用无 砟轨道的结构型式，同时有许多在建的城际铁路都选用了无砟轨道的结构型式， 其中以板式无砟轨道为主，可见无砟轨道的建设理念已深入我国高铁发展之中。 本文总结了日本、德国以及国内板式无砟轨道的技术特点，为对树脂平板式无 砟轨道的研究奠定了基础。 2 对树脂砂浆材料的力学性能做了试验研究 参考公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 以及水泥 混凝土试件制作与硬化水泥混凝土现场取样方法( t 0 5 5 1 2 0 0 5 ) 为实验标准， 对树脂砂浆材料的力学性能进行试验，包括抗压试验、抗剪试验、抗拉试验， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 由试验知树脂砂浆的力学性能较好。 3 建立路基上、桥梁上树脂砂浆板式轨道有限元模型，进行结构分析。 本文讨论了树脂砂浆合理宽度的取值，对于树脂砂浆的厚度只是采用了暂定 的2 0 咖，对于支承层的研究是由其他人来做在此只引用他的结果，本文着重分析 了路基不均匀沉降以及桥梁挠曲对结构的影响。 4 对树脂砂浆板式轨道结构承载力作了试验研究 在实验室铺设树脂砂浆板式轨道实尺模型，做了静载试验、疲劳试验，其中 静载试验包括疲劳试验前后的垂直静载试验与疲劳后的水平静载试验，试验过 程中轨道结构完好，未发生任何破坏，可知轨道结构满足承载力要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章树脂砂浆材料的力学试验研究 树脂砂浆技术源于日本板式轨道的成熟修补技术。采用树脂砂浆填充轨道 板可以利用其高弹性、强粘接性使轨道板与基础底座板强力而有效的粘接在一 起，既能起到提供轨道弹性，调整轨道的作用，同时还能满足轨道传力及纵、 横向限位作用，该技术可以取消传统板式轨道两端的限位凸台，完全依靠树脂 砂浆的特殊功能来满足轨道结构受力要求。这种轨道结构将板底下c a 砂浆换成 树脂层来增强与轨道板之间的联结，依靠增强的层间联结起到水平传力和限位 作用。因此，检验树脂砂浆材料的的各项力学性能是很有必要的，本章主要通 过力学试验验证树脂砂浆材料的各项力学性能h 3 羽。 2 1 树脂砂浆概述 树脂砂浆由环氧树脂、活性稀释剂、增韧剂、色料组成a 组分e s 一0 1 a 、改 性胺类固化剂b 组分e s 一0 1 b 、细骨料( 砂) c 组分e s 0 1 c 组成。不同的配合比 对其性能影响较大，参照现行的树脂砂浆技术条件( 暂规) ，可知树脂砂浆 的基本配合比如表2 1 所示： 表2 - 1树脂砂浆基本配合比 配合比树脂a固化剂b硅灰石粉细河砂 温暖地区1 0 03 0 一5 08 0 1 0 02 0 0 一3 0 0 寒冷地区 1 0 03 0 5 08 0 一1 0 01 0 0 一1 5 0 树脂砂浆的配制可参照附表2 1 所列的两种基本配合比进行。现场配制时， 应根据原材料、施工温度、施工机具设备、拌和工艺等具体条件，在基本配合 比的基础上作相应调整。本试验所在地属温暖地区，故采用温暖地区的树脂砂 浆配合比，在此基本配合比的基础上，根据使用的搅拌机的拌和容量，求出现 场配合比，具体步骤如下： 将材料的用量按实际使用的搅拌机拌和容量进行换算。以相当于一批配料 的树脂a 用量为基准求取其它各材料的用量，作为现场配合比，其它材料都使 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 用换算值； 添加砂的用量以拌和初期的流动度为6 0 - 3 0 0 秒来决定。 2 2 试验概况 树脂砂浆在树脂砂浆板式轨道结构中不仅要发挥其高弹性的优点，且还要 起到水平传力和限位作用，对其限位作用我们就要研究材料本身的各项力学性 能，故本试验的目的是检验树脂砂浆材料的力学性能，主要检测项目有： ( 1 ) 树脂砂浆的轴心抗压强度； ( 2 ) 树脂砂浆的轴心抗拉强度； ( 3 ) 树脂砂浆的抗剪强度。 为验证树脂支承结构的抗压、抗剪强度及粘结性能，拟对树脂粘接混凝土 复合结构的轴心抗压强度、轴心抗拉强度及抗剪强度进行检测，但目前缺乏此 类材料的相关检测规范和试验方法，因此，根据树脂砂浆和水泥混凝土在力学 性能上的某些相似性，参考公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j z 8e 3 0 2 0 0 5 ) 以及水泥混凝土试件制作与硬化水泥混凝土现场取样方法( t 0 5 5 1 2 0 0 5 ) 为实验标准，对树脂砂浆材料的力学性能进行试验h 3 羽。 三种强度检测都采用同样规格的试块进行，依据实验标准，每个试块为1 5 0 x 1 5 0 1 5 0 m m 立方体。在本次实验中的试块是由中铁二十三局提供，两端混凝 土尺寸为1 5 0 1 5 0x6 5 r a m ，中间树脂砂浆层为1 5 0 1 5 0 2 0 m m ，混凝土标号为 c 6 0 ，树脂砂浆材料的弹性模量为3 0 0 m p a 。为了更好的对树脂砂浆材料的各项力 学性能进行检测，试验中每种强度检测取3 组试块，其中每组中有3 个试块， 共计9 块( 为保证有9 块完好的试件，宜多备3 - 5 组) m 1 。 所需的试验设备有：6 0 0 k n 液压万能实验机、液压千斤项、自行设计的剪切 试验工装( 见2 - 9 图) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 抗压试验 2 3 1 抗压试验方法及步骤 试块采用试验前准备好的标准试块( 见2 2 ) ，在抗压实验中，采用轴心抗 压的实验方法，所用实验仪器为6 0 0 k n 液压万能实验机，如图2 - 1 所示： 图2 - 1 夹心试块抗压实验 试验步骤如下： 1 ) 复合结构达到强度后，截取标准试件。 2 ) 取出试件检查其尺寸及形状，相对两面应平行。量出棱边长度，精确 至l 册，井记录。试件受力截面积按其与压力机上下接触而的平均值计算。在破 型前，保持试件原有湿度，在试验时擦干试件。 3 ) 以平行于树脂夹层的两侧面为上下受压面，试件中心应与压力机几何中 心对中。 4 ) 取加载速度为05 m p a s - o8 b l p a s 。当试件接近破坏而开始迅速变形时， 应停止调整试验机油门，试件出现裂纹时，记录一次读数，直至试件破坏，记下 破坏极限荷载f ( n ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 抗拉试验结果及分析 依据实验标准树脂砂浆混凝土立方体试件抗压强度按下式计算： 厂：曼 地彳 ( 2 1 ) 式中：丸一立方体抗压强度( m p a ) ： f 一极限荷载( n ) ； 彳一受压面积( 聊聊2 ) 。 本次实验一共进行了9 次抗压实验，实验数据及分析结果见表2 - 2 ： 表2 - 2 树脂混凝士轴心抗压强度实验值 试件序号裂纹出现时韵压力值( 懋)破坏时的压力值( k n ) 11 7 05 2 0 22 0 05 2 3 34 0 05 3 8 42 0 05 0 8 51 7 55 1 2 62 0 04 9 0 72 5 05 0 9 8 1 8 04 8 0 9 1 5 0 4 8 0 其破坏情况如图2 2 和图2 - 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 2 试件序号2 的破坏情况 图2 - 3 试件序号8 的破坏情况 实验结果显示，试块的破坏首先是从混凝土开始的破坏开始的，先是混凝 土出现细微裂纹，发育到一定程度后，树脂砂浆和混凝土一块破坏。可见树脂 砂浆的抗压强度要大于c 6 0 混凝土的抗压强度。 2 4 抗拉强度试验 2 4 1 抗拉试验方法及步骤 试块采用试验前准各好的标准试块( 见22 ) ，为了检测树脂砂浆混凝土的 抗拉强度，本实验采用直接拉伸的方法来检测试件的抗拉强度，在此试验中， 拉伸试件装卡在试验机的上、下夹头中，采用粘贴式夹持方法( 见图2 - 3 ) ，该 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 方法操作简便，可以在试件中获得较为均匀的应力分布。在试件的端部各粘贴 一块一定厚度的钢板，通过加长件夹入拉力机的夹具内，沿中心轴线施加荷载。 操作方法为：试件两个截面先用高强a b 胶各粘贴一块厚4 0 r a m 、截面尺寸与混 凝土试件相同的粘贴钢板，试验前再与传力钢板用螺栓连接，并通过球绞与试 验机或力传感器相连，为尽可能避免拉伸试验时偏心的影响，在制作粘接钢板 及将试件装卡至试验机的操作中，使用水平尺进行校准。 上。 图2 - 3 拉伸试验加载方式示意图 在抗拉实验中，所用实验仪器也为6 0 0 k n 液压万能实验机，如图2 - 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 - 4 夹心试块抗拉实验 试验步骤如下： 1 ) 复合结构达到强度后，截取标准试件。 2 ) 取出试件，检查其尺寸及形状，相对两面应平行。量出棱边长度和粘结 面处的几何尺寸，精确至l 嘞，并记录。 3 ) 以平行于树脂夹层的两侧面为上下受拉面，试件中心应与拉力机加载中 心对中。 4 ) 将两受拉截面分别用高强度的a b 胶粘贴在测试工装的钢板上。 5 ) 高强度a b 胶凝结达到强度后，将装好工装的试件安装于拉力机上，取 加载速度为0 2 m p a s 一04 m p a s 。当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调 整试验机油门，直至试件破坏，记下破坏极限荷载f ( n ) ，记下破坏形式及破坏 截面。 2 42 抗拉试验结果及分析 树脂混凝土立方体试件抗拉强度按下式计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ，：兰 “a ( 2 2 ) 式中：，一方体抗拉强度( m p a ) ； f 一极限受拉荷载( n ) ； a 一受拉面积( 卅卅) 。 共进行了4 次抗拉试验，试验数据及分析结果见表2 - 3 表2 - 3 夹心试块轴心抗拉试验值 试件号 1234 混凝土标号 c 4 0c 4 0c 4 0c 6 0 破坏拉力值( k n ) 4 24 054 65 9 拉应力值( m p a ) l _ 8 6 718 0 02 0 4 42 6 2 2 破坏情况如图2 5 一图2 - 8 所示 图2 - 5 拉力值为4 2 k n 时的破坏情况 图2 - 6 拉力值为4 05 时的破坏情况 西南交通丈学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 - 7 拉力值为4 6 k n 时的破坏情况 图2 - 8 拉力值为5 9 k n 时的破坏情况 从试验的破坏情况来看，在直接拉伸的情况下，都是将混凝土拉断，树脂 砂浆层投有破坏的迹象，因此，由试验结果可知，树脂砂浆层的抗拉强度远大 于混凝土的抗拉强度，而树脂的粘接强度也要大于混凝土的抗拉强度。 2 5 抗剪强度试验 2 5 1 抗剪试验方法及步骤 试块采用试验前准备好的标准试块( 见2 2 ) ，在抗剪实验中，利用特制的 抗剪实验测试设备将树脂粘接的混凝土块固定于设各上，用液压千斤顶顶推试 件，测试树脂与混凝土粘接面的抗剪强度。实验仪器有液压千斤顶、剪切实验 工装，如图2 - 9 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 9 树脂抗剪实验 实验步骤如下： 1 ) 复合结构达到强度后，截取标准试件。 2 ) 取出试件检查其尺寸及形状，相对两面应平行。量出棱边长度和粘结 面处的几何尺寸，精确至l t a r a 并记录。 3 ) 将试件置于特制的剪切工装里，以平行于树脂夹层的一个侧面为剪切面， 该剪切面应与实验剪切机的设计面等高，千斤顶加载头尽量接近剪切面，以减 少加载产生的弯矩作用。 4 ) 试件固定好后，加上千斤顶加载头，开始加载。加载时按由快到慢的速 度原则加载，当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止加载， 本实验中采用的千斤项标定值为： 压力( m p a ) = 30 0 1 甜力( t ) t 03 2 3 3 y l p a 。 2 5 3 抗剪试验结果及分析 混凝土试件抗剪强度按下面公式进行计算： r = 一 p a ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 式中：r 剪切面的剪应力( m p a ) ； p 一千斤顶加载头压力( n ) ，根据千斤顶标定公式及实验值计算 a 一试件剪切面丽积( 删坍) 。 共进行1 0 次抗剪试验，试验数据及分析结果见表2 - 4 表2 _ 4 抗剪试验结果 试 牛序号123 4 5 剪切力( k n ) 1 1 5 5 31 1 05 38 3 8 86 5 s 67 72 1 7 换算剪城力 5 1 349 137 22 9 13 4 3 ( m p a ) 试件序号 67891 0 剪切力( k n ) 5 7 2 29 3 8 71 0 5 5 4”3 8 6 9 22 1 换算剪应力 25 44 1 746 95 0 64 1 0 ( m p a ) 、翟一。警，：擎，l 鞠温 。“。 图2 - 1 0 树脂砂浆混凝土剪切破坏情况 从试验的情况来看，破坏主要都发生在混凝土与树脂的粘结面，有局部的 混凝土被剪坏，在剪切过程中，发生很小的塑性变形，几乎是脆性翦断。说明 依靠树脂的粘接力来实现的抗剪力要小于混凝土及树脂本身的抗剪力。 本章小结 由以上实验结果分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 树脂砂浆的抗拉强度大于混凝土的抗拉强度，其与混凝土之间的粘接力也 大于混凝土的抗拉强度，树脂粘接混凝土试件的抗拉强度取决干混凝土的抗拉 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 强度。 ( 2 ) 树脂砂浆的抗压强度大于混凝土的抗压强度，在压力作用下，混凝土先被 压坏，然后树脂砂浆再行破坏，本实验中的树脂受压破坏原因主要混凝土被压 溃后，混凝土裂缝的反射及混凝土破坏后树脂受剪切而破坏。 ( 3 ) 树脂砂浆的抗剪强度非常高，最低为2 5 4 3 m p a ，一般在4 o m p a 左右，并 且此实验值只反映树脂与混凝土的粘接面上依靠树脂的粘接力提供的抗剪能 力，其抗剪强度完全能够满足铁路运行需求。 ( 4 ) 从实验结果来看，综合反映了树脂砂浆的各项力学性能均极其优良，使用 树脂砂浆代替c a 砂浆作为轨道填充层，并取消原限位凸台，不会削弱轨道构的 稳定性和安全性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第3 章树脂砂浆板式轨道结构分析 根据上一章的试验结果我们知道，树脂砂浆材料本身的力学性能是能够满 足取代c a 砂浆层，做为一中新的弹性调整层，但树脂砂浆做为弹性调整层既 要起到缓冲的作用，又要起到水平传力和限位的作用，当然如果树脂砂浆能够 像c a 砂浆一样板底全铺，依靠树脂砂浆自身的材料特性相信结构的稳定性安 全性肯定没有问题，但由于树脂砂浆的成本要比c a 砂浆高的多，所以我们要 对树脂砂浆的铺设宽度、厚度做到用量最少又能满足轨道结构的各项性能，本 章主要做了如何取树脂砂浆的合理宽度的计算，对于树脂砂浆的厚度问题，暂 取为2 0 m m ，因为现阶段没有实践的检验，能否做到2 0 r a m 的精度也难以回答， 但本人缺乏实践经验，只能在不影响结构稳定的情况下暂取树脂砂浆厚度为 2 0 m m 。本章还对在现有条件下对树脂砂浆板式轨道结构做了静力分析，并认为 结构是安全稳定的。 3 1 树脂砂浆板式轨道初步设计研究 树脂砂浆板式轨道结构是在日本板式轨道结构的基础上优化而来的一种新 型轨道结构，采用标准的预应力混凝土轨道板，取消两端的凸形挡台，以树脂 砂浆填充材料代替c a 砂浆调整层。日本板式轨道的纵横向力需靠轨道板与c a 砂浆层之间的摩擦和凸形挡台来抵抗，特别是凸形挡台。但受我国c a 砂浆制 备技术的限制，c a 砂浆质量不稳定，由此带来c a 砂浆层较大的养护维修工作量。 另外凸台施工工艺繁杂，轨道绝缘处理困难，板缝处排水路径不畅。 结合成灌线的具体情况，为达到线路的抗震要求，应进一步加强轨道结构。 因板式轨道的c a 砂浆层为其薄弱环节，需要对其进一步加强。将板下c a 砂浆 层换成树脂砂浆层，依靠树脂砂浆将轨道板和底座粘接在一起，限制轨道板的 纵向和横向位移。树脂砂浆不仅起到调整作用，还有水平传力和限位作用。进 而可以取消限位凸台，使轨道结构进一步简化n 羽q 1 4 1 。 树脂砂浆板式轨道的设计理念为取消日本板的凸形挡台，把日本板式轨道 强大的底座用博格板式轨道的支承层来代替，支承层能否像底座板那样为轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 结构提供一个强大而稳定的基础，在此项目研究中有另外的人负责研究，故在 此将不做为本文的重点，只借用他的结论支承层能够代替底座。 拟采用方案如下：轨道板长度为5 5 91 m m ，宽度为2 4 0 0 m m ，厚度为1 9 0 m m ， 板缝为3 2 m m 。树脂砂浆层长度与轨道板一致，厚度为2 0 m m ，宽度暂定为8 0 0 m e ， 有两条树脂砂浆层，分别为从沿轨道板边向内延伸8 0 0 m m 。树脂平板结构如图 3 1 所示。 量l 盟5删恤日曲盛d圈出以f 同 ；= 矿曳佩旷贰国 同 # n 一 o i 。 旷l i旷li 。i 一。1 扎4。忆。0 uuk之幽剿毋幽掣uu 一j 、 j+1 一 一一匿正薹i一。一一一一啊一l _ 。一型l - 一 l l !w l 、m 七。i女 昂疗制1 ：氍刊” d 8 蔑f 囝虎凫萨曳图i 崔 吲幽。崮掣剖掣幽幽 。i k。 ii _ 碍洲i 翊嗤韵h 憎i 棚啦蚋融丑棚i 捌躇蚓啦 图3 1 树脂平板的俯视图 树脂支承平板结构特点 l 、取消凸型挡台，采用粘接性能强，弹性性能好的树脂砂浆做为轨道板与 基础底座板之间的联结层，通过砂浆的强粘接性能使轨道板与基础层牢牢连接 在一起，有利于提高抗震性能，其较低的弹性模量，良好的弹性垫层，有利于 减震、吸震。列车荷载和温度荷载所产生的纵向、横向力，均由树脂砂浆的粘 接弹性能力来承担和传递。 低弹模弹性树脂填充层技术性能： ( 1 ) 弹性模量为3 0 0 m p a ； ( 2 ) 粘接强度1 5 肝a ； ( 3 ) 抗压强度9 8m p a ； ( 4