高速鐵路樁板結(jié)構(gòu)路橋過渡段無砟軌道動力特性試驗研究

李 棟,蘇 謙,2,劉 亭,謝 康,郭源浩

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

樁板結(jié)構(gòu)路基是一種由鋼筋混凝土承臺板、托梁、鉆孔灌注樁和地基土體構(gòu)成的新型路基結(jié)構(gòu)型式[1-2]，一般為三跨或多跨一聯(lián)，如圖1所示。列車荷載作用下，托梁將承臺板上部荷載傳遞到樁體，樁體再將荷載擴散到樁間土和樁基持力層。樁板結(jié)構(gòu)樁基豎向穿透松軟土層，樁周土體對樁的側(cè)向抗力使樁板結(jié)構(gòu)路基具有較大的縱橫向剛度，從而達到嚴格控制路基工后沉降的目的[3]。樁板結(jié)構(gòu)適用于對基礎(chǔ)變形控制嚴格的深厚軟弱地基、上覆軟土巖溶地基、濕陷性黃土地基的低路堤、路塹[4-8]，橋隧間短路基過渡段，岔區(qū)路基及既有路基加固，以及新建鐵路路基斜交超淺埋地鐵段[9-11]。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)

關(guān)于樁板結(jié)構(gòu)路基，詹永祥等[12]結(jié)合遂渝高鐵，對樁板結(jié)構(gòu)路基進行了動力模型試驗，研究了行車荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)路基動力響應規(guī)律；蔣關(guān)魯?shù)萚13]對遂渝高鐵某跨涵樁板結(jié)構(gòu)路基沉降進行了長期觀測，觀測結(jié)果表明：最終沉降量小于4 mm，滿足鋪設無砟軌道的沉降控制要求；凌秀權(quán)[14]以滬昆高速鐵路宜春段巖溶區(qū)樁板地基為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對樁板結(jié)構(gòu)地基作用機理進行了系統(tǒng)的研究分析。

雖然上述文獻對樁板結(jié)構(gòu)路基作用機理和工后沉降控制效果做了充分研究和論證，但是針對樁板結(jié)構(gòu)路橋過渡段上軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的動力響應規(guī)律卻鮮有研究。為進一步研究樁板結(jié)構(gòu)路基與橋梁過渡段無砟軌道結(jié)構(gòu)的動力特性，以杭長客專某樁板結(jié)構(gòu)路橋過渡段為例。通過現(xiàn)場行車測試，研究不同行車速度下樁板結(jié)構(gòu)過渡段及其相鄰橋梁上鋼軌和軌道板的振動響應情況，從而驗證樁板結(jié)構(gòu)路橋過渡段設計的合理性，為樁板結(jié)構(gòu)路基設計以及路基運營維修標準的制定提供指導和參考。

1 線路概況

杭長高鐵為設計速度350 km/h的雙線無砟軌道，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。該線新余北站線路段表層覆蓋有11.2～32.4 m厚殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為弱風化灰?guī)r，部分灰?guī)r中有巖溶發(fā)育。該地區(qū)軟土地基經(jīng)沉降估算分析，不滿足無砟軌道路基工后沉降的設計要求，地基應進行加固處理。同時巖溶發(fā)育地段，長期地下水侵蝕造成巖體多處空洞，也需進行加固處理。綜合考慮，在杭長高鐵深厚軟土路基和巖溶發(fā)育地段采用樁板結(jié)構(gòu)。

2 行車測試

本次試驗分過渡段和橋梁兩個測試斷面，橋梁測試斷面位于橋頭，毗鄰樁板結(jié)構(gòu)過渡段，測試里程為DK694+316.81～DK694+326.81，測試線路選取右線(大里程方向)。結(jié)合杭長高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試，現(xiàn)場采用CRH3型動車組實車測試，試驗測試有效行車16列，其中行車速度在40～80 km/h 9列，平均速度62.3 km/h；行車速度在140～185 km/h 7列，平均速度165 km/h。同一列車以相同速度經(jīng)過橋梁和過渡段兩測點斷面。

2.1 試驗內(nèi)容

測試內(nèi)容包括：輪軌力、鋼軌加速度、軌道板振動位移、軌道板振動速度和軌道板振動加速度。

2.2 試驗方法

本次試驗采用的主要測試傳感器有應變片、位移計、速度計和加速度計。于測點斷面鋼軌軌腰中和軸對稱垂直張貼應變花[15]，軌底安裝加速度計，軌道板邊緣安裝位移計、速度計和加速度計。測點斷面及傳感器布置如圖2所示。

圖2 測試傳感器布置

實測時，應變花組合按全橋方式接入橋盒，經(jīng)動態(tài)應變儀接入計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再根據(jù)室內(nèi)標定參數(shù)反演輪軌力；位移計、速度計和加速度計通過ICP式接口或電荷式接口接入動態(tài)應變儀后，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果分析

3.1 輪軌力

輪軌動態(tài)作用力包括輪軌橫向作用力和縱向作用力，是評價車輛對軌道動態(tài)作用性能的重要指標[16]。本文采用軌腰剪切應變法[17]測定車輛動荷載，該方法是依據(jù)軌腰剪力代數(shù)和輪載成正比的原理，經(jīng)室內(nèi)靜態(tài)標定結(jié)果反演輪軌力。室內(nèi)靜態(tài)標定所采用的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)場測點處一致，均為CRTSⅡ型板式無砟軌道。

試驗列車通過兩斷面時輪軌力實測最大值如圖3所示。

圖3 輪軌垂向作用力幅值折線

由圖3可以看出，隨著行車速度增加，過渡段和橋梁測點輪軌力均呈逐漸增大的趨勢。這是因為鋼軌在制作和安裝過程中無法保證表面的絕對光滑，當鋼軌表面存在高低不平順時，列車輪對通過不平順區(qū)域會對軌面產(chǎn)生豎向沖擊力，且沖擊力隨列車通過速度增加而逐漸變大。TB10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》中要求輪軌垂直力通常低于基準值120 kN，不得大于最大允許值170 kN。當列車速度達到185 km/h時，過渡段測點最大豎向輪軌力為98.964 kN，橋梁測點最大豎向輪軌力為103.273 kN，均低于基準值。由于過渡段軌道結(jié)構(gòu)整體剛度小于橋梁，列車經(jīng)過時，過渡段上軌下結(jié)構(gòu)變形更大，輪對作用于過渡段鋼軌上豎向應力相比橋梁上更小，所以相同行車速度下，過渡段測點最大輪軌豎向力略低于橋梁，但兩者差值不大，說明過渡段和橋梁段間鋼軌無明顯高低起伏現(xiàn)象，軌道平順性良好。

3.2 鋼軌加速度

列車運行時，在車輪動態(tài)沖擊下，整個軌道結(jié)構(gòu)中，鋼軌振動最為顯著。鋼軌加速度作為軌道結(jié)構(gòu)動力試驗主要測量指標之一，是鋼軌剛度對軌道結(jié)構(gòu)動力響應的綜合反應，被廣泛用于評價軌道的振動特性或輪軌沖擊效應[18]。

試驗列車通過時，過渡段和橋梁測點鋼軌垂向振動加速度實測最大值如圖4所示。

圖4 鋼軌加速度幅值曲線

從圖4可以看出，鋼軌加速度值隨行車速度增加而明顯增大，大致成指數(shù)增長關(guān)系。橋梁基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)剛度大于過渡段，所以同一行車速度下，橋梁上鋼軌加速度大于過渡段，鋼軌振動更為顯著。本次試驗最高行車速度185 km/h下，橋梁測點鋼軌加速度最大值為1 370.873 m/s2，過渡段鋼軌加速度最大值為1 013.565 m/s2。

對圖4中數(shù)據(jù)進行擬合，得出過渡段和橋梁上鋼軌加速度a(m/s2)與行車速度v(km/h)之間關(guān)系分別如式(1)和式(2)所示

a=363.6e0.005 3v

(1)

a=473.82e0.005 6v

(2)

由式(1)和式(2)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上鋼軌加速度最大值約為2 324 m/s2，橋梁上約為3 360 m/s2，兩者均低于規(guī)范中5 000 m/s2最大允許值。

3.3 軌道板豎向動態(tài)響應

列車通過時，軌道板豎向動態(tài)響應指標主要包括豎向動位移、振動速度和振動加速度。

3.3.1 動位移

振動位移是無砟軌道結(jié)構(gòu)動力特性分析的重要參數(shù)之一，其反映了列車荷載對軌道板動態(tài)作用強弱程度[19]。當列車以速度175 km/h通過過渡段和橋梁兩測點斷面時，軌道板動位移時程曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，過渡段和橋梁軌道板動位移變化趨勢相同，均呈“W”形分布?！癢”形曲線中4個峰值點為動車組緊鄰轉(zhuǎn)向架4個輪對經(jīng)過測點斷面時軌道板振動位移。過渡段軌道板最大振動位移約為0.29 mm，橋梁軌道板最大振動位移為0.14 mm。

不同行車速度下，軌道板動位移最大值變化趨勢如圖6所示。

圖6 軌道板動位移幅值線

從圖6可見，軌道板動位移與行車速度大致成正比例增長關(guān)系。隨著行車速度增加，過渡段與橋梁軌道板振動位移差值逐漸增大。當行車速度達到185 km/h時，過渡段上軌道板動位移最大值為0.309 6 mm，橋梁上為0.141 7 mm。

對圖6中數(shù)據(jù)進行擬合，得出過渡段和橋梁上軌道板動位移s(mm)與行車速度v(km/h)之間關(guān)系分別如式(3)和式(4)所示

s=0.001 4v-0.000 2

(3)

s=0.000 6v+0.029 6

(4)

由式(3)和式(4)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上軌道板動位移最大值約為0.498 mm，橋梁上約為0.239 mm。過渡段和橋梁軌道板振動位移均滿足驗收規(guī)范中不大于0.5 mm的要求，但過渡段軌道板振動最大位移接近規(guī)范容許最大值，需進行長期監(jiān)測研究。

3.3.2 振動速度、振動加速度

振動速度和振動加速度是判斷振動強弱程度及評價外界激勵對結(jié)構(gòu)振動沖擊力大小的重要指標，也是分析無砟軌道路基動力穩(wěn)定性的主要參數(shù)[20]。

當列車以速度175 km/h通過過渡段和橋梁兩測點斷面時，軌道板振動加速度時程曲線如圖7所示。軌道板振動加速度時程曲線中峰值為動車組轉(zhuǎn)向架通過測點斷面時周期性激振下動力響應結(jié)果。轉(zhuǎn)向架單個輪對作用于測點時，軌道板振動加速度特征不明顯，峰值為轉(zhuǎn)向架前后輪對疊加而成。

圖7 軌道板振動加速度時程曲線

從圖7可以得知，列車以速度175 km/h通過兩測點斷面時，過渡段軌道板振動加速度幅值范圍為1.024～1.985 m/s2，均值為1.549 m/s2；橋梁段軌道板振動加速度幅值范圍為2.169～3.092 m/s2，均值為2.576 m/s2。同一行車速度下，過渡段和橋梁軌道板振動加速度差異小，說明過渡段和橋梁間軌道結(jié)構(gòu)剛度變化無突變現(xiàn)象。軌道板振動速度和振動加速度最大值與行車速度關(guān)系如圖8和圖9所示。

圖8 軌道板振動速度幅值曲線

圖9 軌道板振動加速度幅值曲線

從圖8和圖9可知，軌道板振動速度和振動加速度均隨行車速度的增加而呈非線性增加，大致成指數(shù)關(guān)系。隨著行車速度增加，橋梁段軌道板振動速度增幅比過渡段更為顯著，加速度增幅無明顯差異。行車速度為185 km/h時，實測過渡段上軌道板最大振動速度為6.04 mm/s，最大振動加速度為1.649 m/s2；橋梁上軌道板最大振動速度為12.87 mm/s，最大振動加速度為2.202 m/s2。

對圖9中數(shù)據(jù)進行擬合，得出過渡段和橋梁上軌道板加速度a(m/s2)與行車速度v(km/h)之間關(guān)系分別如式(5)和式(6)所示

a=0.178 8e0.011 4v

(5)

a=0.225 8e0.011 7v

(6)

由式(5)和式(6)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上軌道板振動加速度幅值約為17.89 m/s2，橋梁上約為47.05 m/s2，兩者均滿足驗收規(guī)范要求。

4 結(jié)論

(1)輪軌力和鋼軌加速度值均隨行車速度增加而增加。鋼軌加速度與行車速度大致成指數(shù)增長關(guān)系，且在過渡段和橋梁上增長趨勢無明顯差異，這表明過渡段與橋梁間鋼軌平順性良好。

(2)軌道板振動豎向位移與行車速度大致成線性增長關(guān)系，過渡段與橋梁間軌道板豎向振動位移差值在高速下更為明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，高速下過渡段軌道板豎向振動位移是否滿足驗收規(guī)范要求需進行長期觀測研究。

(3)軌道板振動速度和振動加速度與行車速度大致成指數(shù)增長關(guān)系。隨行車速度增加，軌道板振動速度在橋梁上增加更為顯著，振動加速度在過渡段和橋梁上增長趨勢無明顯差異。

(4)根據(jù)現(xiàn)場行車測試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，預測行車速度達到350 km/h時，過渡段上鋼軌振動加速度約為2 324 m/s2，軌道板豎向振動位移約為0.498 mm，軌道板振動加速度約為17.89 m/s2；橋梁上鋼軌振動加速度約為3 360 m/s2，軌道板豎向振動位移約為0.239 mm，軌道板振動加速度約為47.05 m/s2。過渡段軌道結(jié)構(gòu)振動響應情況滿足驗收規(guī)范要求。