高速鐵路有砟道床質量評價指標優化方法研究

馬春生

(中國鐵路總公司，北京　100044)

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高速鐵路有砟道床質量評價指標優化方法研究

馬春生

(中國鐵路總公司，北京100044)

摘要：有砟軌道是我國高速鐵路所采用的最主要的軌道結構形式之一，有砟道床的質量狀態評價是新建線路及鐵路工務部門在日常養護維修工作中關注的重點。通過現場試驗，對現行規范中道床縱向阻力、橫向阻力及枕下支承剛度3項道床質量狀態評價指標的相關性進行研究，通過一次線性回歸對實測結果進行分析。并基于Pearson相關性數學模型，提出各項評價指標相關性的量化分析方法。最后基于分析結果，對有砟道床質量狀態關鍵評價指標中道床阻力的測試設備及測試方法進行優化。研究結果表明：道床縱、橫向阻力之間呈現了較強的正相關關系，而道床阻力與支承剛度間的相關性并不明顯。因此，建議相關規范在確定高速鐵路有砟道床質量評價標準時，考慮采用道床橫向阻力一項指標代替道床縱、橫向阻力兩項指標，以優化有砟道床評價體系。

關鍵詞：高速鐵路；有砟道床；橫向阻力；縱向阻力；支承剛度；相關關系；測試設備；測試方法

有砟軌道作為我國最主要的軌道結構形式之一，其良好的服役狀態是保證軌面的高平順性從而為列車提供穩定走行界面的關鍵。因而，如何評價并確保有砟道床處于良好的服役狀態是鐵路工務部門在日常養護維修工作中關注的重點。

目前評價線路整體狀態的指標主要包括反映道床密實程度的指標，如道床密實度、孔隙比；反映道床彈性的指標，如道床變形模量、軌枕垂向支承剛度；反映線路阻力的指標，如軌枕橫向阻力、縱向阻力等[1]，以上評價指標均由道床狀態所決定。我國行業標準《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)選取了道床密度、縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度作為新建有砟道床質量的靜態評價指標[2]。研究發現，各個道床評價指標之間并不相互獨立，而是具有一定的相關性，例如通常道床密實度越大，孔隙比越小，道床剛度越大，線路縱橫向阻力越大。

此外，不同的道床評價指標的測試方法以及測試的便宜程度也有所不同，例如道床密度采用常用的排水法測試，不僅費時費力、存在誤差且對道床狀態具有一定的破壞，難以適應高速鐵路天窗時間短、行車密度大的特點。相對而言，道床的縱、橫向阻力的測試則較為快速、準確且對道床擾動較少。同時，隨著無縫線路技術的發展，道床縱、橫向阻力對于保障道床幾何形位的作用更為突出。因此，擬針對《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)中規定的道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項指標開展研究，分析道床評價指標間的相關性。

在已有研究中，楊全亮[3]通過現場試驗，測定了Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力。Zakeri[4]測試了不同道床斷面參數對有砟道床阻力的影響規律。Koc等[5-6]研究了搗固維修作業對道床橫向阻力的影響。馬戰國[7]研究了不同施工階段不同下部基礎條件下道床橫向阻力的差異。Pen[8]采用試驗手段研究了不同道床斷面對軌枕橫向阻力在枕底、枕側和砟肩部分的分擔比例差異。高亮[9]基于道床流變特性，提出了橫向阻力測定方法的改進措施。王斌[10]通過試驗手段研究了固化道床對增強道床阻力的作用。馮青松[11]采用數值分析手段研究了清篩作業對道床阻力的影響，Zand[12]研究了不同行車條件下道床阻力的變化規律。在理論研究方面，北京交通大學的高亮、徐旸[13-17]等針對道砟顆粒的級配及道床臟污的評估指標進行了研究，并進一步分析了不同道床斷面形式對道床阻力的影響規律。

已有的研究主要存在以下兩方面的不足，一是僅針對單項道床阻力的評價指標進行了研究，但對于道床評價指標間的相關性缺乏系統性的研究，難以實現道床質量狀態的科學、全面評估，無法科學地指導道床的養護維修。二是由于傳統的測試方法難以滿足高速鐵路道床質量測試低擾動、高精度、高效率的測試要求，相應的測試方法及手段還有待進一步優化。本文將針對這兩項不足之處開展研究工作，具體內容如下。

1有砟道床質量狀態評價指標的相關性分析

1.1有砟道床質量狀態評價指標現場測試方案

為研究道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項評價指標之間的相關性，分別選取橋梁和路基兩種下部基礎的有砟線路進行研究，并通過現場試驗對3項指標分別進行了測試，在測試時為避免相鄰軌枕的影響，采用了“隔三測一”的方式。測試現場如圖1～圖3所示。

圖1　道床縱向阻力測試

圖2　道床橫向阻力測試

圖3　枕下支承剛度測試

1.2有砟道床質量狀態評價指標實測數據分析

3項道床質量狀態評價指標的實測結果如表1所示。

表1　道床評價指標現場測試數據匯總

本文對測試數據進行了線性回歸分析，得到的相關性結果如圖4～圖9所示。

圖4　路基上道床縱、橫向阻力相關關系

圖5　橋梁上道床縱、橫向阻力相關關系

圖6　路基上道床橫向阻力與支承剛度相關關系

圖7　橋梁上道床橫向阻力與支承剛度相關關系

圖8　路基上道床縱向阻力與支承剛度相關關系

圖9　橋梁上道床縱向阻力與支承剛度相關關系

1.3有砟道床質量狀態評價指標相關系數計算

為量化道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度兩兩間的相關性，采用Pearson相關理論，基于現場實測數據對道床的縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項測試指標間的相關性進行分析，Pearson相關性計算公式如下

(1)

Sx、Sy表達式如下

(2)

(3)

rxy取值在-1與+1之間，若rxy>0，表明兩組數據樣本是正相關；若rxy<0，表明兩個變量是負相關。

3種評價指標的綜合相關系數分析結果如表2所示。

表2　3種評價指標綜合相關系數匯總

由表2的分析結果可知，道床縱、橫向阻力之間的相關性較強，其值在下部基礎為橋梁及路基時均可達到0.9以上，說明當道床橫向阻力與縱向阻力具有正相關關系。而道床縱向阻力與道床支承剛度、道床橫向阻力與道床支承剛度間的相關性均較小，這說明無法通過道床阻力測試結果推算道床剛度的量值。相對而言，道床橫向阻力與道床剛度相關性更好，因此建議相關規范在確定高速鐵路道床質量評價標準時，考慮采用道床橫向阻力一項評估指標代替道床縱向阻力、橫向阻力兩項評估指標，以優化道床評價體系。

2道床橫向阻力的測試設備及測試方法優化

2.1道床橫向阻力的測試設備優化

為準確快速地測試道床的橫向阻力，針對道床阻力的測試設備進行了優化，優化后的道床橫向阻力測試設備如圖10所示。

圖10　道床橫向阻力測試設備

2.2道床橫向阻力的測試方法優化

在測試過程中，使用千斤頂施加橫向推力，通過壓力傳感器測量力的大小，位移計測量軌枕位移，并實時采集數據傳輸到計算機。使用自研的檢測設備測試道床橫向阻力具體步驟如下。

(1)卸下測試軌枕扣件上的螺母和彈條，抽出扣件橡膠墊板，使軌枕和鋼軌完全脫離，之后將加力架放置在鋼軌外側的測試軌枕上，扣件螺紋道釘螺栓穿過加力架圓孔。

(2)將千斤頂橫臥在加力架內，保證頂住加力架后壁，頂鐵緊靠鋼軌放置，然后在頂鐵和千斤頂之間放置壓力傳感器。

(3)將連接裝置套在另一側鋼軌外側的螺紋道釘上，并采用扳手緊固，使位移計指針所指位置處于垂直狀態。

(4)將位移計固定支架放置在鋼軌上；將位移計安裝到固定支架上，并使位移計頂住連接裝置突起部位。

(5)將壓力傳感器和位移計通過數據線連接到數據采集儀上，并將數據采集儀連接至筆記本電腦。

(6)開啟數據采集系統，并調試測試儀器，校正相關參數。

(7)使用千斤頂沿線路橫向緩慢加載，實時采集并存儲數據。

道床橫向阻力測試設備基本原理如圖11所示。

圖11　道床橫向阻力測試原理流程

本設備相比于已有設備的突出優點主要包括如下幾個方面：(1)測試結果可通過電腦實時顯示，結果直觀可見；(2)無需人工記錄、分析數據，避免了操作誤差，提高了測試精度；(3)單根軌枕測試時間可控制在2 min以內，極大提高了作業效率。

3結論

本文基于現場試驗實測數據，對現行標準中道床縱向阻力、橫向阻力及枕下支承剛度3項評價指標的相關性進行了研究。通過一次線性回歸對實測結果進行了分析，并基于Pearson相關系數構造方法對各項評價指標間的相關性進行了量化分析，建立了有砟道床評價指標相關性的分析體系。最后基于分析結果，提出了高速鐵路有砟道床關鍵性評價指標測試設備及測試方法的優化方案，并對行業規范提出了建議。得到以下主要結論：

(1)道床縱、橫向阻力之間的相關性較強，其值在下部基礎為橋梁及路基時均可達到0.9以上，且回歸結果的決定系數可達到0.8以上，說明兩者呈可靠的正相關關系。

(2)通過對比道床縱、橫向阻力與支承剛度間的相關性分析結果可知兩者相關性較小，其最大決定系數僅為0.53，說明無法通過道床阻力測試值推算道床剛度的量值。且相對而言，下部基礎為橋梁時，道床阻力與支撐剛度之間具有較好的相關性。這主要是由于橋梁下部基礎相比于柔性路基基礎，其在道床剛度測試時所引起的下部基礎應變較小所導致的。

(3)建議相關規范在確定高速鐵路道床質量評價標準時，考慮采用道床橫向阻力一項指標代替道床縱向阻力、橫向阻力兩項評價指標，以優化道床評價體系。

(4)從阻力及剛度的總體測試量值來看，下部基礎為橋梁相比于下部基礎為路基的有砟軌道更易達到穩定，這主要和下部基礎的剛度有關。

(5)本文所提出的道床橫向阻力測試設備及測試方法具有低擾動、高精度、高效率的特點，建議在道床質量評估時采用。

參考文獻：

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Research on Evaluation Index Optimization Method of High-speed Railway Ballasted Bed

MA Chun-sheng

(China Railway Corporation， Beijing 100044， China)

Abstract：Ballasted track is one of the most important type of track structures used in Chinese high-speed railway. Evaluation of ballasted bed quality is the focus during the construction of new railway lines and the daily maintenance of railway maintenance departments. In this paper， the correlation relationship of ballasted bed lateral resistance， longitudinal resistance and supporting stiffness in current norms are studied through field test， and then the experimental results are analyzed with linear regression. A quantitative method for analyzing the correlation of each evaluation index is proposed based on Pearson correlation mathematical model. Finally， testing equipment and testing method for critical ballasted bed quality evaluation are optimized based on analysis results. The results show that the correlation relationship between ballasted bed resistance and supporting stiffness is not obvious， but that between lateral resistance and longitudinal resistance is very positive. Therefore， this paper suggests using the single index of lateral resistance instead of both lateral resistance and longitudinal resistance to evaluate high-speed railway ballasted bed quality when setting relevant norms， with which the quality evaluation system of ballasted bed is optimized．

Key words：High-speed railway; Ballasted bed; Lateral resistance; Longitudinal resistance; Supporting stiffness; Correlation relationship; Testing equipment; Testing method

文章編號：1004-2954(2016)05-0020-05

收稿日期：2016-01-19； 修回日期：2016-01-29

基金項目：國家自然科學基金重大項目(U1234211)

作者簡介：馬春生(1969—)，男，高級工程師，E-mail：tdb_mcs@163.com。

中圖分類號：U213.7

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.005