Ⅲ型混凝土軌枕道床縱、橫向阻力試驗(yàn)分析

楊全亮,朱 彬

(1.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

目前,我國新建、改建鐵路有砟軌道普遍鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕。但對(duì)于Ⅲ型軌枕道床縱、橫向阻力尚未完全明確,現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于Ⅲ型軌枕道床阻力基本參照Ⅱ型軌枕道床確定。這就低估了Ⅲ型軌枕維持軌道幾何形位的能力,無法體現(xiàn)Ⅲ型軌枕的技術(shù)優(yōu)勢。因此,有必要通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)分析對(duì)Ⅲ型軌枕道床縱、橫向阻力加以確定。

道床縱、橫向阻力是道床抵抗軌道縱、橫向移動(dòng)的阻抗力,包括軌枕與道床間的摩阻力和軌枕盒內(nèi)道砟及砟肩抗推力。其主要影響因素包括:軌枕類型及每公里鋪設(shè)根數(shù),道砟材質(zhì)、級(jí)配、顆粒尺寸,道床斷面尺寸,道床飽滿、密實(shí)程度等。道床縱、橫向阻力是有砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)、檢算的重要基本參數(shù):縱向阻力是進(jìn)行橋上無縫線路縱向力及位移計(jì)算的基本參數(shù),橫向阻力是進(jìn)行無縫線路穩(wěn)定性檢算的基本參數(shù)。因此,合理確定Ⅲ型軌枕道床縱、橫向阻力對(duì)于無縫線路設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí),為軌道設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù)。

本次試驗(yàn)采用現(xiàn)場原位測試和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法,確定道床縱、橫向阻力值。試驗(yàn)地點(diǎn)選取武漢至襄樊增建第二線云夢段。該段線路設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為200km/h,一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。軌道結(jié)構(gòu)采用:60kg/mU75V新軌,彈條Ⅱ型扣件,Ⅲ型有擋肩鋼筋混凝土軌枕(每 km鋪設(shè)1667根),一級(jí)碎石道砟。路基地段道砟設(shè)計(jì)厚度為 30cm,單線道床頂面寬度 350 cm,砟肩寬為 45cm,砟肩堆高 15cm,道床邊坡 1∶1.75。橋梁地段道砟設(shè)計(jì)厚度為 35cm。試驗(yàn)時(shí)線路已經(jīng)按照設(shè)計(jì)要求經(jīng)過多次大機(jī)搗固及穩(wěn)定作業(yè),堆砟飽滿,即將開通運(yùn)營。該段道床主要設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 道床主要設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

2 道床縱向阻力試驗(yàn)分析

2.1 測試方法

道床縱向阻力采用現(xiàn)場原位測試方法測試,將被測軌枕所有扣件松開并抽出膠墊,利用相鄰軌枕提供的縱向反力推移被測軌枕。測試采用千斤頂施加縱向推力,測力儀記錄推力數(shù)值,百分表記錄軌枕位移?？紤]到加力裝置位于軌枕中部,為避免軌枕左右位移不均勻造成測量誤差,在軌枕兩端各安裝 1塊百分表,取其位移平均值作為軌枕位移觀測值。測試裝置如圖1所示。

圖1 道床縱向阻力現(xiàn)場原位測試

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

測試選取包括路基及橋梁地段共 29個(gè)樣本。通過對(duì)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可見,Ⅲ型軌枕道床縱向阻力隨著軌枕縱向位移增大而增大。當(dāng)位移超過 2mm時(shí),縱向阻力仍呈增長趨勢,道床未見明顯破壞跡象。實(shí)測道床縱向阻力-位移數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線見圖2。

根據(jù)上述實(shí)測數(shù)據(jù),對(duì)于Ⅲ型軌枕道床縱向阻力采用最小二乘法進(jìn)行擬合,擬合曲線方程式為

r=2.87-9.10x+20.31x3/4

式中,r為道床縱向阻力,kN/枕;x為軌枕位移,mm。

通過顯著性檢驗(yàn)得到相關(guān)系數(shù) R=0.73。

圖2 實(shí)測道床縱向阻力-位移散點(diǎn)圖

當(dāng)位移為 2mm時(shí),實(shí)測道床縱向阻力平均值為18.08kN/枕,擬合值為 18.83kN/枕,均滿足目前 12 kN/枕的設(shè)計(jì)要求。換算為單位長度每股鋼軌阻力為

為了滿足道床縱向阻力非線性本構(gòu)關(guān)系,簡化橋上無縫線路設(shè)計(jì)計(jì)算,同時(shí)參考國外對(duì)于縱向阻力簡化使用情況,建議Ⅲ型軌枕道床縱向阻力采用雙線性函數(shù)。根據(jù)我國多年來無縫線路設(shè)計(jì)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),車輛下道床阻力與無載阻力相同,機(jī)車下道床阻力為無載阻力的 1.55倍。Ⅲ型軌枕單位長度每股鋼軌道床縱向阻力可按照表2進(jìn)行取值。

表2 Ⅲ型混凝土軌枕道床縱向阻力 kN/m?軌

3 道床橫向阻力試驗(yàn)分析

3.1 測試方法

道床橫向阻力采用試驗(yàn)現(xiàn)場原位測試方法測試,將被測軌枕所有扣件松開,并抽出膠墊,利用鋼軌提供的反力橫向推移被測軌枕。測試采用千斤頂施加橫向推力,測力儀記錄推力數(shù)值,百分表記錄軌枕位移。測試裝置如圖3所示。

圖3 道床橫向阻力現(xiàn)場原位測試

3.2 數(shù)據(jù)處理及分析

測試選取包括路基、路橋過渡及橋梁地段共 42個(gè)樣本。實(shí)測道床橫向阻力-位移數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖見圖4。

圖4 實(shí)測道床橫向阻力-位移散點(diǎn)圖

道床橫向阻力主要用于無縫線路穩(wěn)定性檢算?？紤]到無縫線路失穩(wěn)破壞通常發(fā)生在道床橫向阻力較為薄弱的地段,故對(duì)于橫向阻力實(shí)測數(shù)據(jù)的處理采用偏于保守的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。即以實(shí)測數(shù)據(jù)的均值減去2.5倍標(biāo)準(zhǔn)方差,作為道床橫向阻力最小可能值,并將該最小可能值轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性檢算中采用的單位長度阻力。具體數(shù)據(jù)處理過程如表3所示。

表3 道床橫向阻力統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

對(duì)表3中單位長度橫向阻力 q和位移 f進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析,結(jié)果如下

q=25.11-1012.87f+1014.10f3/4

通過顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù) R=0.98。

采用無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算統(tǒng)一公式進(jìn)行該段線路穩(wěn)定性檢算。當(dāng) f=0.2cm時(shí),可得等效道床橫向阻力Q為

式中 C1C2——道床阻力系數(shù);

C3/4——積分常數(shù)。

通過上述統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)于鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕有砟軌道而言,等效道床橫向阻力可取值為 115N/cm。由等效道床橫向阻力與無縫線路允許升溫幅度之間關(guān)系計(jì)算可得,不同曲線半徑地段鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕的允許升溫幅度。為了便于與Ⅱ型軌枕進(jìn)行比較,現(xiàn)將兩者允許升溫幅度計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 Ⅱ型、Ⅲ型軌枕無縫線路允許溫升對(duì)比 ℃

4 結(jié)語

通過對(duì)鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕道床縱、橫向阻力的試驗(yàn)分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕道床縱、橫向阻力隨著位移增大而增大。當(dāng)位移超過 2mm時(shí),存在一定塑性變形,但未出現(xiàn)明顯破壞跡象。

(2)當(dāng)Ⅲ型軌枕位移達(dá)到 2mm時(shí),道床縱向阻力平均值為 18.08kN/枕,道床橫向阻力平均值為 13.76 kN/枕,均滿足設(shè)計(jì)要求并保留一定能力儲(chǔ)備。

(3)在進(jìn)行橋上無縫線路縱向力及位移計(jì)算時(shí),建議Ⅲ型混凝土軌枕道床縱向阻力采用雙線性函數(shù)模型。

(4)當(dāng)采用統(tǒng)一公式進(jìn)行無縫線路穩(wěn)定性檢算時(shí),Ⅲ型混凝土軌枕等效道床橫向阻力取值為 115N/cm。鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕線路在不同曲線條件下的允許升溫幅度為 43～82℃,要比Ⅱ型軌枕線路高約10～18℃?？梢?采用Ⅲ型混凝土軌枕對(duì)于擴(kuò)大無縫線路的鋪設(shè)范圍是非常有利的。

(5)有砟軌道道床縱、橫向阻力是兩項(xiàng)重要的鐵路工程基本參數(shù),是在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等工程實(shí)踐過程中對(duì)客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)與總結(jié),對(duì)于后續(xù)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。因此,應(yīng)當(dāng)重視類似參數(shù)數(shù)據(jù)的積累,為相關(guān)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制和修訂工作提供科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù),適應(yīng)當(dāng)前大規(guī)模鐵路建設(shè)的需要。

[1]TB10082— 2005,鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]盧耀榮.無縫線路研究與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3]鐵建設(shè)函[2003]205號(hào).新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[4]同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系.Mathematica實(shí)用手冊[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.

[5]廣鐘巖,高慧安,等.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社,2005.