不同充填層材料的板式無砟軌道振動特性

曾曉輝 ，王 平，胡華鋒，顏 華，吳玉芬，林紅松，傅麗霖

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限公司科學技術研究院，四川 成都 610031；3.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；4.中國鐵路總公司 科技管理部，北京 100084）

板式無砟軌道是中國高速鐵路的主要軌道結構形式，津京、京滬、哈大、滬寧、成綿樂、成灌等線路均采用板式無砟軌道.目前板式無砟軌道主要有3類，即CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ，其軌道結構從上到下均為鋼軌、扣件、軌道板、充填層（高度調整層）、混凝土底板、路基（橋面）［1－4］.

CRTSⅠ板式無砟軌道的軌道板之間采用混凝土凸形擋臺連接，軌道板與混凝土底板之間采用低彈性模量的CA 砂漿充填［1］.CRTSⅡ板式無砟軌道的軌道板之間采用螺栓縱向連接，軌道板與混凝土底板之間采用高彈性模量的CA 砂漿充填［2］.CRTSⅢ板式無砟軌道的軌道板與混凝土底板間采用自密實混凝土充填［3］.充填層施工方法主要有袋注法和模注法［5－6］.

國內(nèi)外許多學者對板式無砟軌道系統(tǒng)的振動特性進行了模擬.文獻［7－9］的計算結果表明，高阻尼的CA 砂漿墊層有利于降低軌道板振動，選擇CA砂漿的彈性模量既要考慮板下支承剛度，又要考慮板式軌道的強度，其合理范圍為1 000～1 500 MPa.向俊、郝丹等［10－12］的計算表明，隨著CA 砂漿剛度的增大，軌道板及鋼軌豎向位移最大值均隨之減小，為降低軌道板的振動，CA 砂漿阻尼應盡可能大.趙坪銳等［13－14］的計算表明，CA 砂漿剛度的減小會顯著增大基床表層的動應力.卿啟湘［15］的研究表明，CA 砂漿層的彈性、阻尼特性對軌道及軌下結構動力性能的影響極大，而增加CA 砂漿層的厚度對整體混凝土層的豎向動應力影響較大，對混凝土道床板以下結構的豎向動應力影響卻非常有限.

目前，有關不同充填層材料對板式無砟軌道振動影響的試驗研究尚未見報道.本文建造了1∶5的無砟軌道模型，選擇了4種配合比的充填層材料，通過測試軌道板及混凝土底板激振后的振動加速度來研究充填層材料對無砟軌道振動的影響.

1 試驗及材料

圖1為板式無砟軌道的試驗模型，其中單塊軌道板長1.0m，寬0.5m，軌道板內(nèi)分布雙層鋼絲網(wǎng)，采用C60混凝土施工.混凝土底板寬約0.75m，厚度約7.0cm，其中分布φ6mm 鋼筋網(wǎng)，并在鋼筋網(wǎng)上部鋪上鋼絲網(wǎng)罩面，采用C40混凝土施工.混凝土底板下部為初步壓實的土層.每股道之間有寬度約0.1m，深度約0.1m 溝槽，用細砂填充以便吸、排水.

圖1 板式無砟軌道的試驗模型Fig.1 Experiment setup of slab track

充填層厚度為1.5cm，其配合比及28d抗壓強度如表1所示.由表1可見，SL－1的28d抗壓強度與CRTSⅢ自密實混凝土接近，CA－1的28d抗壓強度與CRTSⅡ的CA 砂漿接近，CA－2的28d抗壓強度與CRTSⅠ的CA 砂漿接近，CA－3中乳化瀝青摻量最高，其28d抗壓強度僅0.46MPa.分別采用袋注法與模注法進行施工.

如圖2所示，采用“錘擊法”測定軌道板及混凝土底板的振動加速度.測試時以軌道板中部為錘擊點，分別測試軌道板邊角及相鄰混凝土底板的振動加速度隨時間變化.為消除扣件系統(tǒng)對充填層減、隔振作用的影響，試驗時未安裝扣件與鋼軌，且僅考慮充填層垂向振動.

2 結果及討論

2.1 軌道板的振動

2.1.1 袋注法

CRTSⅠ板式無砟軌道大多采用袋注法進行施工，施工時軌道板的激振特性如圖3 所示.由表1，圖3可見，隨著充填層材料強度的增加，軌道板振動加速度幅值增大，且CA－3的軌道板振動加速度幅值遠大于其他配合比.這可能與CA－3的彈性模量（剛度）較小、充填層“錘擊”后變形較大有關.而SL－1由于彈性模量最大，加速度幅值最小.

表1 充填層材料的配合比及抗壓強度Table 1 Mixing proportions and compressive strength of the packing materials

圖2 板式無砟軌道模型振動加速度測試Fig.2 Vibration acceleration tests of the slab track

圖3 袋注法施工時軌道板的振動特性Fig.3 Vibration character of the slab using bag pouring method

上述結果表明，在板式無砟軌道結構中，充填層需有一定剛度，這有利于減小軌道板的振動.SL－1的振動加速度幅值與CA－1，CA－2的振動加速度幅值較接近（均較小），這可能與充填層彈性模量降至一定水平時，彈性模量對軌道板振動加速度影響較小有關.而軌道板振動持續(xù)時間與加速度幅值恰好相反.如圖3（d）所示，CA－3 的振動加速度衰減最快，約0.012s即衰減至0；SL－1振動加速度衰減最慢，直到0.025s時，軌道板仍有一定幅度的振動.除SL－1外，其他3種充填層材料均含有一定量的瀝青，而瀝青為黏彈性材料，具有一定吸、減振能力，因此振動很快衰減至低幅值.

2.1.2 模注法

CRTSⅡ的CA 砂漿和CRTSⅢ自密實混凝土均采用模注法施工.采用模注法施工時軌道板的振動加速度隨時間變化如圖4所示.

圖4 模注法施工時軌道板的振動特性Fig.4 Vibration character of the slab using model pouring method

由于采用模注法施工，充填層將軌道板及混凝土底板黏結成為一個整體，有利于增加振動體的質量，降低振動加速度.因此使用SL－1和CA－1砂漿軌道板的振動加速度較小.使用CA－2砂漿時，軌道板的振動加速度較大，這可能與該砂漿的彈性模量較小，黏結強度較低有關.

2.1.3 袋注法與模注法對比

采用袋注法與模注法施工的軌道板振動特性如圖5所示.

圖5 袋注法與模注法施工的軌道板振動特性比較Fig.5 Comparison of vibration character of slabs between bag pouring method and model pouring method

圖5表明，采用CA－2砂漿作為充填層材料時，由袋注法與模注法施工的軌道板振動加速度幅值差別較大，且模注法施工的軌道板振動加速度幅值遠大于袋注法施工的軌道板振動加速度幅值，這可能與模注法施工時，充填層表面遍布未能及時排出的氣孔，使軌道板與充填層有效接觸面積減小，實際彈性模量降低，產(chǎn)生較大變形有關.采用CA－1和SL－1砂漿作為充填層材料時，由袋注法與模注法施工的軌道板振動加速度幅值差別不大，這可能是由于2種充填層材料的彈性模量較高，不處于振動加速度對彈性模量的敏感范圍，因此振動加速度幅值均較小，且差別不大.

由圖5可見，模注法施工的軌道板振動加速度衰減速率大于袋注法施工的軌道板振動加速度衰減速率，這是由于模注法使軌道板與充填層、混凝土底板連接成為一個整體，導致振動衰減較快，而采用袋注法施工時，振動由互不相連的結構層位移傳遞，因此衰減較慢.

2.2 混凝土底板振動

2.2.1 袋注法

袋注法施工混凝土底板振動加速度隨時間的變化如圖6所示.由圖6可見，采用CA－2砂漿時，混凝土底板振動加速度稍低于CA－1與SL－1砂漿，但振動時間小于SL－1砂漿；當采用CA－3砂漿時，混凝土底板的振動加速度最小，且振動時間最短，這表明振動大多被CA－3砂漿隔離；采用SL－1砂漿時，混凝土底板振動時間最長，振動幅度最大.

2.2.2 模注法

模注法施工混凝土底板振動加速度隨時間的變化如圖7所示.由圖7可見，使用CA－1砂漿作為充填層材料的混凝土底板振動加速度最大，而使用SL－1砂漿的混凝土底板振動加速度最小.

2.2.3 袋注法與模注法對比

袋注法與模注法施工的混凝土底板振動特性對比如圖8所示.由圖8可見，模注法施工的混凝土底板振動加速度小于袋注法，且使用SL－1砂漿時混凝土底板振動加速度較小，而采用CA－1砂漿和CA－2砂漿時，袋注法與模注法施工的混凝土底板振動加速度幅值相差不大.

圖6 袋注法施工時混凝土底板的振動特性Fig.6 Vibration character of concrete bed using bag pouring method

圖7 模注法施工時混凝土底板的振動特性Fig.7 Vibration character of concrete bed using model pouring method

圖8 袋注法與模注法施工時混凝土底板振動特性比較Fig.8 Comparison of vibration character of concret beds between bag pouring method and model pouring method

總而言之，采用袋注法施工時，如果使用SL－1砂漿作為充填層材料，軌道板與混凝土底板振動時間較長，如果使用CA－3砂漿作充填層材料，則軌道板振動加速度幅值較大，而使用CA－1砂漿或CA－2砂漿，不管是軌道板與混凝土底板的振動加速度幅值，還是二者的振動時間，均能很好兼顧；采用模注法施工時，如果使用SL－1砂漿，軌道板振動加速度與混凝土底板振動加速度均較小，是較為優(yōu)秀的充填層材料，而使用CA－2砂漿作為充填層材料，將導致軌道板振動加速度較大，因此這種砂漿不宜用作充填層材料.

3 結論

（1）采用袋注法施工時，使用CA－3砂漿的軌道板振動加速度遠大于另外3種砂漿，而混凝土底板振動加速度則遠小于外3種砂漿；使用SL－1砂漿的混凝土底板振動加速度幅值與振動時間均較大.

（2）采用模注法施工時，使用CA－2砂漿軌道板的振動加速度遠大于其他砂漿；而使用CA－1砂漿的混凝土底板振動加速度幅值與振動時間相比于其他砂漿均較大.

（3）在僅考慮軌道板與混凝土底板振動的情況下，采用袋注法施工時，宜選用CA－2砂漿作為充填層材料，而模注法施工時，則宜選用SL－1砂漿作為充填層材料，也即袋注法CRTSⅠ與模注法CRTSⅢ是較為理想的板式無砟軌道結構.

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