Ⅲ型混凝土軌枕道床縱、橫向阻力試驗分析

楊全亮,朱 彬

(1.鐵道部經濟規劃研究院,北京 100038;2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

目前,我國新建、改建鐵路有砟軌道普遍鋪設Ⅲ型混凝土軌枕。但對于Ⅲ型軌枕道床縱、橫向阻力尚未完全明確,現行規范中關于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Ⅲ型軌枕的技術優勢。因此,有必要通過現場原位試驗分析對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、橫向移動的阻抗力,包括軌枕與道床間的摩阻力和軌枕盒內道砟及砟肩抗推力。其主要影響因素包括:軌枕類型及每公里鋪設根數,道砟材質、級配、顆粒尺寸,道床斷面尺寸,道床飽滿、密實程度等。道床縱、橫向阻力是有砟軌道無縫線路設計、檢算的重要基本參數:縱向阻力是進行橋上無縫線路縱向力及位移計算的基本參數,橫向阻力是進行無縫線路穩定性檢算的基本參數。因此,合理確定Ⅲ型軌枕道床縱、橫向阻力對于無縫線路設計、施工及養護均具有重要的現實意義,同時,為軌道設計、施工規范和驗收標準的制定提供科學依據。

本次試驗采用現場原位測試和數理統計分析方法,確定道床縱、橫向阻力值。試驗地點選取武漢至襄樊增建第二線云夢段。該段線路設計速度目標值為200km/h,一次鋪設跨區間無縫線路。軌道結構采用: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1667根),一級碎石道砟。路基地段道砟設計厚度為 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。橋梁地段道砟設計厚度為 35cm。試驗時線路已經按照設計要求經過多次大機搗固及穩定作業,堆砟飽滿,即將開通運營。該段道床主要設計參數指標見表1。

表1 道床主要設計參數指標

2 道床縱向阻力試驗分析

2.1 測試方法

道床縱向阻力采用現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,測力儀記錄推力數值,百分表記錄軌枕位移。考慮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 道床縱向阻力現場原位測試

2.2 數據處理及分析

測試選取包括路基及橋梁地段共 29個樣本。通過對測試數據統計可見,Ⅲ型軌枕道床縱向阻力隨著軌枕縱向位移增大而增大。當位移超過 2mm時,縱向阻力仍呈增長趨勢,道床未見明顯破壞跡象。實測道床縱向阻力-位移數據點及擬合曲線見圖2。

根據上述實測數據,對于Ⅲ型軌枕道床縱向阻力采用最小二乘法進行擬合,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。

通過顯著性檢驗得到相關系數 R=0.73。

圖2 實測道床縱向阻力-位移散點圖

當位移為 2mm時,實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/枕的設計要求。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關系,簡化橋上無縫線路設計計算,同時參考國外對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。根據我國多年來無縫線路設計和運營經驗,車輛下道床阻力與無載阻力相同,機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 道床橫向阻力試驗分析

3.1 測試方法

道床橫向阻力采用試驗現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 道床橫向阻力現場原位測試

3.2 數據處理及分析

測試選取包括路基、路橋過渡及橋梁地段共 42個樣本。實測道床橫向阻力-位移數據散點圖見圖4。

圖4 實測道床橫向阻力-位移散點圖

道床橫向阻力主要用于無縫線路穩定性檢算。考慮到無縫線路失穩破壞通常發生在道床橫向阻力較為薄弱的地段,故對于橫向阻力實測數據的處理采用偏于保守的數理統計方法。即以實測數據的均值減去2.5倍標準方差,作為道床橫向阻力最小可能值,并將該最小可能值轉化為穩定性檢算中采用的單位長度阻力。具體數據處理過程如表3所示。

表3 道床橫向阻力統計分析結果

對表3中單位長度橫向阻力 q和位移 f進行多項式回歸分析,結果如下

q=25.11-1012.87f+1014.10f3/4

通過顯著性檢驗的相關系數 R=0.98。

采用無縫線路穩定性計算統一公式進行該段線路穩定性檢算。當 f=0.2cm時,可得等效道床橫向阻力Q為

式中 C1C2——道床阻力系數;

C3/4——積分常數。

通過上述統計分析,對于鋪設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系計算可得,不同曲線半徑地段鋪設Ⅲ型混凝土軌枕的允許升溫幅度。為了便于與Ⅱ型軌枕進行比較,現將兩者允許升溫幅度計算結果列于表4。

表4 Ⅱ型、Ⅲ型軌枕無縫線路允許溫升對比 ℃

4 結語

通過對鋪設Ⅲ型混凝土軌枕道床縱、橫向阻力的試驗分析,可以得出如下結論:

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

(2)當Ⅲ型軌枕位移達到 2mm時,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,均滿足設計要求并保留一定能力儲備。

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

(4)當采用統一公式進行無縫線路穩定性檢算時,Ⅲ型混凝土軌枕等效道床橫向阻力取值為 115N/cm。鋪設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℃。可見,采用Ⅲ型混凝土軌枕對于擴大無縫線路的鋪設范圍是非常有利的。

(5)有砟軌道道床縱、橫向阻力是兩項重要的鐵路工程基本參數,是在設計、施工及運營養護等工程實踐過程中對客觀規律的認識與總結,對于后續工程實踐具有指導作用。因此,應當重視類似參數數據的積累,為相關鐵路技術標準的編制和修訂工作提供科學準確的依據,適應當前大規模鐵路建設的需要。

[1]TB10082— 2005,鐵路軌道設計規范[S].

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