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道砟膠對過渡段道床參數(shù)的影響規(guī)律研究

朱永見，亓偉，陳攀

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

我國350 km/h高速鐵路除特大橋梁外，包括臨近正線的到發(fā)線都采用了無砟軌道；而普速鐵路長度1 km及以上的隧道內(nèi)，除特殊情況外也全部采用了無砟軌道，從而導(dǎo)致有砟-無砟過渡段的大量存在[1-2]。因有砟-無砟接合部有砟側(cè)的道床難以用大型機械搗固和穩(wěn)定，使這個區(qū)域的剛度突變和沉降差異更為顯著。與路橋、路隧過渡段相比，其中短波不平順特征明顯，對車輛和軌道部件傷損的影響相對嚴(yán)重。因此，研究有砟-無砟過渡段的剛度均化和不均勻沉降控制具有重要的理論與現(xiàn)實意義。目前，有砟-無砟過渡段的結(jié)構(gòu)形式比較多[3-4]，其中設(shè)置輔助軌、改變軌枕長度或間距、采用軌枕墊及合成軌枕等，主要還是針對過渡段剛度差異采取的措施，而采用道砟黏結(jié)不僅可以減小過渡段的剛度差異，還可以減小沉降差異，而沉降差異引起的軌面變化對行車安全和舒服性的影響比剛度差更大[5-6]。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果[7-11]，道砟黏結(jié)不僅可以通過改變斷面黏結(jié)形式使道床剛度均勻變化，還可以大大減小黏結(jié)區(qū)域及整個軌道結(jié)構(gòu)的后期沉降，與此同時，將軌枕與道床有效黏結(jié)提高了軌道的穩(wěn)定性，可將道床縱、橫向阻力提高8倍和17倍以上。考慮到室內(nèi)試驗與現(xiàn)場的差異性，本文選擇某新建重載鐵路2處隧道地段的有砟-無砟過渡段進行現(xiàn)場試驗，分析道砟黏結(jié)對道床參數(shù)的影響規(guī)律。

1試驗方案及測點布置

道砟黏結(jié)影響的參數(shù)主要包括道床支承剛度和道床縱、橫向阻力。道床支承剛度是減緩過渡段剛度差異的關(guān)鍵因素，應(yīng)重點研究其影響規(guī)律；道床的后期沉降主要由枕下部分引起，而黏結(jié)區(qū)域的累積變形很小[11]，故枕下黏結(jié)厚度是評價道床后期累積變形的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)對其進行檢查；道床縱、橫向阻力是影響無縫線路穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，研究其規(guī)律可為分析道砟黏結(jié)對無縫線路的影響提供參數(shù)依據(jù)。

1.1試驗方案

試驗工點位于某新建重載鐵路隧道地段的彈性支承塊式和長枕埋入式無砟軌道與有砟軌道的過渡區(qū)域，配套Ⅲ型軌枕和有砟過渡枕，施工長度20 m，通過改變道床的斷面黏結(jié)形式實現(xiàn)三級過渡，從無砟向有砟依次為全斷面黏結(jié)(6.8 m)、部分?jǐn)嗝骛そY(jié)(6.6 m)和局部斷面黏結(jié)(6.6 m)[12]，見圖1。

1.2測點布置

道砟膠雖然約束了道砟顆粒的移位，但隨著列車的通過，道砟顆粒之間的受力狀態(tài)還可能進一步調(diào)整，因此，應(yīng)分階段對道床支承剛度進行測試。為此，本文對膠結(jié)前、膠結(jié)2 d后及4個月后的道床支承剛度進行了測試，同時，為盡可能減小同一根軌枕多次測試帶來的影響，每次選擇不同的軌枕進行測試，測點布置圖見2。

圖2　道床支承剛度測點布置圖Fig.2 Testing points for the stiffness of ballast bed

過渡段范圍內(nèi)枕下黏結(jié)厚度(h)均一樣，為檢測h，施工過程中每段均預(yù)留了一個檢查孔[12]，等施工完成后，將檢查孔內(nèi)的道砟挖出，測量h，檢查孔的測點圖見3；對膠結(jié)2 d后的道床縱、橫向阻力進行了現(xiàn)場測試，測點圖見3。

圖3　檢查孔和道床縱、橫向阻力測點圖Fig.3 Testing points for the longitudinal and lateral ballast resistances and inspection holes

2測試方法及原理

2.1道床縱、橫向阻力

道床縱、橫向阻力是指道床阻止軌枕沿線路縱、橫向位移的力，其值定義為軌枕產(chǎn)生2 mm位移時對應(yīng)的加載值，對于Ⅲ型軌枕或有砟過渡枕，重載鐵路分別要求為≥12 kN/枕和≥10 kN/枕[2]?？紤]到道砟膠將軌枕與道砟黏結(jié)在一起，軌道的幾何形位只能由扣件系統(tǒng)來調(diào)整，因此加載過程不能對軌道的幾何形位影響太大，但加載值太小又不能很好的說明道砟膠對道床縱、橫向阻力的提高程度，綜合考慮各方面因素，本文將加載最大值取為29 kN。

測試之前，先拆除測試軌枕上的扣件、墊板等部件，當(dāng)有輔助軌時，測試軌枕上輔助軌對應(yīng)的扣件及墊板也要全部拆除；縱向阻力測試時，支承反力軌枕上的扣件、墊板也應(yīng)拆除。縱向阻力測試時，位移計位于測試軌枕的兩端各1個，計算時取平均值，見圖4，橫向阻力測試時，位移計位于非加載端鋼軌內(nèi)、外各1個，見圖5。

圖4　道床縱向阻力測試圖Fig.4 Test the longitudinal ballast resistance

圖5　道床橫向阻力測試圖Fig.5 Test the lateral ballast resistance

2.2道床支承剛度

道床支承剛度是用于評價道床彈性和承載力的力學(xué)指標(biāo)，是指軌枕在道床的支承面上產(chǎn)生單位下沉所需的單股鋼軌作用到軌枕上的荷載值。測量時將加力架安裝在軌枕一端，以鋼軌作支撐反力，在軌枕上加載，由非側(cè)限條件下道床所受垂直荷載與垂向位移關(guān)系曲線的斜率表示道床支承剛度K[2]。K按下式計算：

K=(P35-P7.5)/ (S35-S7.5)

(1)

式中：K為道床支承剛度，kN/mm；P35和P7.5為軌枕承受的荷載值，kN；S35和S7.5為軌枕承受P35和P7.5荷載時道床的下沉量，mm。

測試道床支承剛度時，先拆除測試軌枕上的扣件、墊板等部件，當(dāng)用相鄰軌枕作為基準(zhǔn)點時，基準(zhǔn)點軌枕上的扣件、墊板等也要拆除，當(dāng)有輔助軌時，測試及基準(zhǔn)點軌枕上輔助軌對應(yīng)的扣件及墊板也要拆除。位移計分別安裝于鋼軌的兩側(cè)，計算時取其平均值作為鋼軌處軌枕的垂向位移，見圖6。

圖6　道床支承剛度測試Fig.6 Test the stiffness of ballast bed

3試驗結(jié)果及分析

3.1道床縱、橫向阻力

采用2.1的方法，按圖3對道床縱、橫向阻力進行測試。測試結(jié)果見圖7和圖8。

從圖7可以看出，隨著縱向加載力的增大，軌枕縱向位移逐漸增大，全斷面和部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時，加載值與位移近似成線性關(guān)系；局部斷面黏結(jié)時，隨著加載值的增大，位移呈線性增加，但隨著加載值的進一步增加，軌枕與道床之間的黏結(jié)逐漸破壞，位移變化速率迅速增大。

從圖8可以看出，隨著橫向加載力的增大，軌枕橫向位移逐漸增大，加載值與位移近似成線性關(guān)系，全斷面與局部斷面黏結(jié)的斜率相差不大，但均大于部分?jǐn)嗝骛そY(jié)。

圖7　膠結(jié)道床縱向阻力測試圖Fig.7 Test the longitudinal glued ballast resistance

圖8　膠結(jié)道床橫向阻力測試圖Fig.8 Test the lateral glued ballast resistance

對比圖7~8可知，膠結(jié)道床的縱、橫向阻力并非遵循從局部斷面黏結(jié)到全斷面黏結(jié)逐漸增加的規(guī)律。分析其原因主要有2個：一是枕底與道砟的黏結(jié)，采用噴槍傾斜施工，見圖9，故枕底與道砟的黏結(jié)區(qū)域具有很大的隨機性，而枕底對道床阻力影響又很大[13]；二是枕上黏結(jié)區(qū)域的道砟在施工過程中需要先刨開再回填，回填的質(zhì)量難以保證均勻。

即便如此，軌枕加載29 kN，全斷面和部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時軌枕的縱、橫向位移在0.43~0.8 mm，局部斷面黏結(jié)時軌枕的縱、橫向位移在0.74~1.5 mm，與規(guī)范要求相比，全斷面和部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時，可使道床縱、橫向阻力提高到規(guī)范要求值的6倍以上，局部斷面粘結(jié)時，可使道床縱、橫向阻力提高到規(guī)范要求值的3倍以上；考慮到枕底與道砟的黏結(jié)區(qū)域?qū)植繑嗝嬗绊懽畲?，在道床阻力不足的地段，?yīng)黏結(jié)肩砟。

圖9　黏結(jié)枕底道砟Fig.9 Glue the ballast under tie

3.2道床支承剛度

采用2.2的方法，按圖2對道床支承剛度進行測試，測試結(jié)果見圖10~11。

圖10　道床支承剛度測試圖(測點1)Fig.10 Test the stiffness of ballast bed (site 1)

圖11　道床支承剛度測試圖(測點2)Fig.11 Test the stiffness of ballast bed (Site 2)

從圖10~11可以看出，與碎石道床的支承剛度(K0)相比，道砟膠結(jié)2 d后(K2)和4個月后的道床支承剛度(K4)均有較大提高，但K2具有較大的離散性且數(shù)值偏大，而K4與K0相比在縱向上的分布規(guī)律卻基本一致，說明道砟膠結(jié)后道床的整體性迅速增強，但隨著列車的振動碾壓，膠結(jié)道床的受力狀態(tài)又得到了進一步的調(diào)整。因此，K4可以較真實地反映道砟膠對道床剛度的影響規(guī)律。假定K0沿線路縱向是連續(xù)分布的，利用內(nèi)插的方法計算出4個月后測點對應(yīng)的K0，按照斷面黏結(jié)形式作K4與K0的比值圖見圖12。

圖12　K4/K0與K0的關(guān)系圖Fig.12 Relationship between K4/K0and K0

從圖12可以看出，K4與K0和斷面黏結(jié)形式有關(guān)；全斷面黏結(jié)時，當(dāng)K0≤70 kN/mm，K4/K0逐漸增加，而后趨于穩(wěn)定，保持在2.8左右；部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時，當(dāng)K0在49~82 kN/mm時，K4/K0趨于穩(wěn)定，保持在1.66左右；局部斷面黏結(jié)時，當(dāng)K0≤35 kN/mm，K4/K0先逐漸增加到7.3，而后又降低到1.35。

分析可知，膠結(jié)道床的受力狀態(tài)經(jīng)過調(diào)整之后，K4/K0先逐漸增加，而后趨于穩(wěn)定，趨于穩(wěn)定的臨界值K0各不相同；全斷面和部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時，K4/K0趨于穩(wěn)定的臨界值K0分別為61~70 kN/mm和50 kN/mm左右；局部斷面粘結(jié)時，由于測點處道床較松散，其臨界值K0較難確定，但通過對比分析全斷面和部分?jǐn)嗝骛そY(jié)時K4/K0的穩(wěn)定值可以看出，其比值穩(wěn)定于1.35是合適的，因此，局部斷面結(jié)黏的臨界值K0應(yīng)在35 kN/mm左右。

綜上所述，道砟膠對K0的影響與K0和斷面粘結(jié)形式有關(guān)，隨著K0的提高，K4/K0逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定；當(dāng)K0≥70 kN/mm時，K4/K0主要與斷面黏結(jié)形式有關(guān)，從全斷面黏結(jié)向部分?jǐn)嗝骛そY(jié)逐漸減小，其值分別穩(wěn)定于2.8，1.66和1.35，說明通過改變斷面黏結(jié)形式可以達到從無砟向有砟道床剛度的分級均勻變化。

3.3枕下黏結(jié)厚度

對兩個施工點6個檢查孔的枕下黏結(jié)厚度(h)進行測量，結(jié)果表明h為210~260 mm(道床厚約350 mm)。

4結(jié)論

1)K2具有較大的離散性且數(shù)值偏大，而K4與K0的分布規(guī)律基本一致，說明道砟膠結(jié)后道床的整體性迅速增強，但隨著列車的振動碾壓，膠結(jié)道床的受力狀態(tài)還會得到進一步的調(diào)整，故K4可以較真實地反映道砟膠對道床剛度的影響。

2)K4與K0和斷面黏結(jié)形式有關(guān)，隨著K0的提高，K4/K0逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，當(dāng)K0≥70 kN/mm，h為210~260 mm時，K4/K0主要與斷面黏結(jié)形式有關(guān)，全斷面、部分?jǐn)嗝婧途植繑嗝骛そY(jié)時，比值分別為2.8，1.66和1.35。

3)全斷面/部分?jǐn)嗝婧途植繑嗝骛そY(jié)時，可將道床縱、橫向阻力提高到規(guī)范要求值的6倍和3倍以上，但考慮到局部斷面黏結(jié)受枕底黏結(jié)區(qū)域影響大，在道床阻力不足的地段，應(yīng)黏結(jié)肩砟。

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(編輯陽麗霞)

摘要:為研究道砟膠對道床參數(shù)的影響規(guī)律，選取某新建重載鐵路2處隧道地段的有砟-無砟過渡段進行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明：道砟膠結(jié)后道床的整體性迅速增強，但隨著列車的振動碾壓，膠結(jié)道床的受力狀態(tài)得到進一步調(diào)整，故K4(道床膠結(jié)4個月后的支承剛度)可以較真實地反映道砟膠對道床剛度的影響；隨著K0(碎石道床的支承剛度)的提高，K4/K0逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，當(dāng)K0≥70 kN/mm，h(枕下黏結(jié)厚度)為210~260 mm時，K4/K0主要與斷面黏結(jié)形式有關(guān)，全斷面、部分?jǐn)嗝婧途植繑嗝骛そY(jié)時，比值分別為2.8，1.66和1.35；全斷面/部分?jǐn)嗝婧途植繑嗝骛そY(jié)時，可將道床縱、橫向阻力提高到規(guī)范要求值的6倍和3倍以上，但考慮到局部斷面黏結(jié)受枕底黏結(jié)區(qū)域影響大，在道床阻力不足的地段，應(yīng)黏結(jié)肩砟。

關(guān)鍵詞：道砟膠；過渡段；道床剛度；道床阻力

Research on the influenced of ballast glue in transitions on parameters of ballast bed ZHU Yongjian, QI Wei, CHEN Pan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：To order to study the influence of ballast glue on the parameters of ballast bed, field tests were carried out in two transitions between the ballasted track and ballastless track in two tunnels of a newly-built heavy haul railway. The conclusions are: The integrity of ballast bed can be reinforced rapidly after using ballast glue, however, with the train passing through and vibration happened, the stress conditions of the glued ballast bed will be re-adjusted. As a consequence, K4(the stiffness of ballast bed after using ballast glue for 4 months) can fully reflect the influence of ballast glue on the stiffness of ballast bed. With the increasing of K0 (the stiffness of ballast bed), K4/K0increases correspondently and remains stable in the end. When K0≥70 kN/mm and h (the glued thickness under tie) is 210~260 mm, K4/K0is relate to the bonding method of the section. When using the full bonding section form, partial bonding section form and local bonding section form, K4/K0are 2.8, 1.66 and 1.35 respectively. By using the full or partial bonding section form and local bonding section form, the longitudinal and lateral ballast resistances can at least be increased 6 times and 3 times respectively. Considering that the bonding zone under the tie has the biggest effect on the local bonding section form, the shoulder of ballast bed should be bonded when the ballast resistance is low.

Key words：ballast glue; transition; the stiffness of ballast bed; ballast resistance

中圖分類號：U213.7+1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0034-06

通訊作者：朱永見(1987-),男,河南太康人，博士研究生，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)及軌道動力學(xué)研究；E-mail：zyjian1987@163.com

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題

收稿日期：*2015-05-05