道砟膠對(duì)道床參數(shù)的影響研究

王 斌,包進(jìn)榮,楊冠嶺,陳 嶸,王 平

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

隨著軌道交通的發(fā)展,列車速度已經(jīng)由原來幾十公里每小時(shí),發(fā)展到 350 km/h,高速列車從無砟軌道向有砟軌道過渡時(shí),巨大的沖力會(huì)導(dǎo)致道砟的振動(dòng)、道床粉化,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐傻理娘w濺。日本采用鐵絲網(wǎng)防止道砟飛濺,而京津城際采用了道砟膠防止道砟飛濺,鄭西客運(yùn)專線也采用道砟膠增強(qiáng)道床穩(wěn)定,延長道床的養(yǎng)護(hù)維修周期。此外,國內(nèi)外還應(yīng)用道砟膠改變道床剛度、提高道床阻力等,但并沒有具體資料可查。為進(jìn)一步了解道砟膠的性能,發(fā)揮其在改善道床參數(shù)等方面的作用,有必要進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究。本文通過在試驗(yàn)室進(jìn)行軌道實(shí)尺模型試驗(yàn),測(cè)試了噴道砟膠前后的道床縱向阻力、橫向阻力、支承剛度,并進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 道床模型設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)室鋪設(shè)實(shí)尺試驗(yàn)軌道,直接鋪設(shè)在剛性承軌臺(tái)上,因此沒有路基的影響[1]。試驗(yàn)所采用的道砟為一級(jí)道砟,根據(jù)我國鐵路的道床頂面寬度與坡度的對(duì)應(yīng)關(guān)系正線無縫線路曲線半徑≤600 m時(shí),道床頂面寬度為 3.5 m,邊坡坡度為 1∶1.75,本試驗(yàn)采用這一標(biāo)準(zhǔn)[2]。整個(gè)模型搗固程度相同,可認(rèn)為道砟具有相同的密度。此試驗(yàn)按每公里鋪設(shè)1667根Ⅲ型枕計(jì)算,則 2根軌枕中心線之間的距離為 0.6 m,最外邊軌枕中心距道床擋臺(tái) 0.4 m,試驗(yàn)中共鋪設(shè) 8根軌枕,按Ⅲ型枕來設(shè)計(jì)道床長度,則有 L=0.6×7+0.4×2=5 m。道床厚度為 500 mm。

道砟膠為聚氨酯樹脂粘合劑,由兩種組分化合而成,每種組分各由幾種單體經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)得到。噴膠前保證道砟干燥。在枕底、軌枕間及砟肩都噴膠,噴膠量為 48 kg/m3。

2 道床縱向阻力測(cè)試方法及結(jié)果分析

2.1 道床縱向阻力測(cè)試方法

在兩根軌枕之間放設(shè)液壓千斤頂,使千斤頂?shù)募虞d位置為軌枕長度方向的中間,受縱向力的軌枕的兩端側(cè)面安裝百分表,見圖1,測(cè)量軌枕的縱向位移,施加縱向力,采集百分表的讀數(shù)。其中一軌枕兩端側(cè)面的位移量平均值為軌枕的縱向位移,即百分表1與 2的位移量平均值[3]。每組測(cè)完,記錄卸載 5 min內(nèi)的回彈量。

圖1 道床縱向阻力測(cè)試示意

2.2 道床縱向阻力試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)時(shí)所加的荷載和測(cè)得的軌枕位移均值,可以得出單根軌枕的道床縱向阻力與軌枕位移的關(guān)系曲線。道床未噴道砟膠和噴膠以后,軌枕的道床縱向阻力與位移的關(guān)系曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 未噴道砟膠時(shí)道床縱向阻力

圖3 噴道砟膠后道床縱向阻力

未噴膠軌枕位移 2 mm時(shí)的道床縱向阻力為 20 kN,主要由枕底摩擦力和枕盒內(nèi)石砟被動(dòng)阻抗壓力產(chǎn)生,2 mm后軌枕滑動(dòng),位移不可逆。3組數(shù)據(jù)都是加載到極限荷載,此后力減小,位移持續(xù)增長。第一組數(shù)據(jù)比較離散,取后 2組數(shù)據(jù)最大值的平均值,可得此時(shí)道床縱向阻力為 168.2 kN,是沒有噴膠時(shí)阻力值的8.4倍,對(duì)應(yīng)的位移平均值為 1.22 mm。5 min內(nèi)可以恢復(fù)位移的 90.5%。噴膠后道砟與軌枕粘結(jié),形成整體,此時(shí)的道床縱向阻力主要由枕底、軌枕兩端與道砟的粘結(jié),以及軌枕一側(cè)道床整體的被動(dòng)阻抗壓力產(chǎn)生。

3 道床橫向阻力測(cè)試方法及結(jié)果分析

3.1 道床橫向阻力測(cè)試方法

利用反力墻用液壓千斤頂對(duì)軌枕施加一定的橫向力作用,測(cè)定軌枕的橫向位移,從而定出道床的最大橫向力,即為道床橫向阻力。軌枕的一端安裝百分表,見圖4,測(cè)量軌枕的橫向位移,施加橫向力,采集百分表的讀數(shù),位移量平均值為軌枕的橫向位移,即百分表1與 2的位移量平均值[4～5]。每組測(cè)完,記錄卸載 5 min內(nèi)的回彈量。

圖4 道床橫向阻力測(cè)試示意

3.2 道床橫向阻力試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)時(shí)所加的荷載和測(cè)得的軌枕位移均值,可以得出單根軌枕的道床橫向阻力與軌枕位移的關(guān)系曲線。道床未噴道砟膠和噴膠以后,軌枕的道床橫向阻力與位移的關(guān)系曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 未噴道砟膠時(shí)道床橫向阻力

圖6 噴道砟膠后道床橫向阻力

未噴膠軌枕位移 2 mm時(shí)的道床橫向阻力為 10.2 kN,由枕底摩擦力、枕側(cè)道砟摩擦力以及砟肩阻力 3部分組成產(chǎn)生,2 mm后軌枕滑動(dòng),位移不可逆。圖6中 4組數(shù)據(jù)都是加載到極限荷載,此后力減小,位移持續(xù)增長。道床和軌枕粘結(jié)成整體,力達(dá)到極限時(shí),道床模型發(fā)生整體位移。加載軌枕的絕對(duì)位移與本試驗(yàn)條件有直接關(guān)系,因此本試驗(yàn)記錄試驗(yàn)枕相對(duì)于相鄰軌枕的位移。第一組數(shù)據(jù)比較離散,取后 3組數(shù)據(jù)最大值的平均值,可得此時(shí)道床橫向阻力為 176.5 kN,是沒有噴膠時(shí)阻力值的 17.3倍,對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移平均值為 0.43 mm。卸載后 5 min內(nèi)恢復(fù)位移的 90.8%。此時(shí)的道床橫向阻力主要由枕底粘結(jié)力,枕側(cè)道砟粘結(jié)力以及噴膠后砟肩阻力產(chǎn)生。

4 道床支承剛度測(cè)試方法及結(jié)果分析

4.1 道床支承剛度測(cè)試方法

利用橫梁作反力墻,用電動(dòng)液壓千斤頂對(duì)軌枕施加一定的豎向力作用 P,測(cè)定軌枕的豎向位移 y,由公式 D=P/(2×y)可算出鋼軌支點(diǎn)處的道床剛度。百分表的布置如圖7所示,施加豎向力,采集百分表的讀數(shù),位移量平均值為軌枕的豎向位移,即百分表1、2與3的位移量平均值[6]。本次試驗(yàn)加到 90k N,此時(shí)枕底壓強(qiáng)沒有超過道砟的容許壓應(yīng)力(0.5 MPa),道床的變形可視為線性。每組測(cè)完,記錄卸載 5 min內(nèi)的回彈量。

圖7 道床支承剛度測(cè)試示意

4.2 道床支承剛度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)公式 D=P/(2×y),由測(cè)得的豎向力及其對(duì)應(yīng)的豎向位移可以計(jì)算出道床支承剛度。道床未噴膠時(shí)和噴膠以后,支承剛度和豎向力的關(guān)系曲線分別如圖8、圖9所示 。

圖8 未噴道砟膠時(shí)道床支承剛度

圖9 噴道砟膠后道床支承剛度

未噴膠道床在豎向力的作用下反復(fù)測(cè)幾組,道砟越壓越密實(shí),道床支承剛度也越來越大,最后穩(wěn)定。支承剛度 D與豎向力 P呈線性關(guān)系,擬合線性方程為:第一組 D=175.292-0.753×P,第二組 D=282.234-0.615×P,第三組和第四組數(shù)據(jù)比較接近,共同擬合線性方程為:D=300.017-0.464×P。

噴膠后,測(cè)得的第一組數(shù)據(jù)比較離散,對(duì)二、三組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以得到此工況下的擬合線性方程:D=428.941-0.753×P。卸載 5 min內(nèi)位移恢復(fù)了90.3%。

第一組與其后幾組測(cè)試結(jié)果之間離散性比較大,這是由于道砟顆粒在此荷載范圍內(nèi)有一個(gè)再排列或壓實(shí)的過程所致。未噴膠道床的道砟經(jīng)過再排列趨于穩(wěn)定,噴膠后道砟顆粒經(jīng)過壓實(shí)接近穩(wěn)定的彈性狀態(tài),只要荷載條件維持不變,兩種道床最后都呈現(xiàn)彈性可恢復(fù)的特性,壓力與沉降之間具有較好的線性關(guān)系。

道床支承剛度并不是一個(gè)定值,它與豎向力 P線性相關(guān)。道床穩(wěn)定時(shí),噴膠前后的支承剛度見表1。

由于基礎(chǔ)為剛性,且加載幾次后道砟被壓密實(shí),道床穩(wěn)定后,未噴膠時(shí)的剛度值較大,大于《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》中線路開通時(shí)所要求的最小值 100 kN/mm。但試驗(yàn)條件相同,可以進(jìn)行噴膠前后道床支承剛度變化的比較。豎向力為 140kN時(shí),有膠道床的剛度比無膠時(shí) 88.4 kN/mm,提高了 37.6%。

表1 噴膠前后道床穩(wěn)定時(shí)支承剛度比較

5 結(jié)論

(1)道砟膠可以起到增加道床縱、橫向阻力的作用。噴膠量為 48 kg/m3時(shí),如果枕底、枕間及砟肩都噴道砟膠,道床縱向阻力可以提高 8.5倍左右,70%左右的縱向阻力是由試驗(yàn)軌枕一側(cè)道床整體的被動(dòng)阻抗壓力提供;橫向阻力可以提高 17.4倍左右,85%左右的橫向阻力由枕側(cè)道砟粘結(jié)力以及噴膠后砟肩阻力提供。試驗(yàn)時(shí)卸載后軌枕 5min內(nèi)可以恢復(fù)位移的 90%左右,而沒有噴膠的道床軌枕位移 2 mm后出現(xiàn)滑動(dòng),并且位移不可逆。

(2)道砟膠可以起到調(diào)整道床支承剛度的作用。試驗(yàn)表明,道床支承剛度并不是一個(gè)定值,它與豎向力P線性相關(guān)。道床支承剛度的提高主要依賴于軌枕側(cè)面、端部與道砟的粘結(jié),因此,實(shí)際應(yīng)用中要提高剛度須在軌枕之間及砟肩噴膠,而不能僅在軌枕底部道砟噴膠。當(dāng)豎向力為 140 kN,枕底、軌枕之間及砟肩都噴膠,噴膠量為 48 kg/m3時(shí),支承剛度可以提高37.6%。卸載 5 min內(nèi)軌枕位移可以恢復(fù) 90%左右。

(3)道砟膠組織后的道床邊坡更加穩(wěn)定。道砟粘成整體,不會(huì)發(fā)生飛砟現(xiàn)象。噴膠后道砟僅在接觸點(diǎn)粘結(jié),排水性能不受影響。

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