道砟膠分段固化道床動力性能測試與分析

亓偉，劉玉濤，李成輝

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道砟膠分段固化道床動力性能測試與分析

亓偉，劉玉濤，李成輝

(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)

為解決有砟?無砟軌道過渡段病害較嚴重的問題，在部分線路上采用道砟膠分段固化道床技術(shù)控制道床的沉降。道床固化后，對過渡段固化道床進行動態(tài)測試。研究結(jié)果表明：道砟膠分段固化后的線路滿足安全性指標；分段固化后的道床動態(tài)剛度逐段增大，道床局部黏結(jié)斷面、部分黏結(jié)斷面、全黏結(jié)斷面分別達到91，126和273 kN/mm，較有砟道床斷面分別提高1.28倍、1.75倍和3.78倍；輪軌力、減載率、鋼軌垂向加速度自有砟軌道至道床全固化斷面逐漸增大；鋼軌垂向位移、軌枕垂向位移、軌枕垂向加速度自有砟軌道至道床全固化斷面逐漸減小，實現(xiàn)了從無砟軌道到有砟軌道的過渡效果。

有砟?無砟軌道；過渡段；道砟膠固化道床技術(shù)；動態(tài)測試；軌道剛度

隨著我國鐵路“十二五”規(guī)劃任務(wù)的完成以及“十三五”規(guī)劃的制定，國內(nèi)新建、已建重載鐵路(如大秦鐵路、朔黃鐵路、山西中南部通道等)線路中存在較多的有砟?無砟軌道過渡段。由于重載鐵路軸重大、行車密度高，在有砟?無砟軌道過渡段，軌道振動加劇，道床形態(tài)不易保持，有砟道床沉降造成的線路錯臺問題比較嚴重。為此，國內(nèi)外專家學者提出了眾多的過渡段處理措施，如加設(shè)輔助軌、采用寬軌枕、長軌枕、增加道床厚度等。但是，輔助軌在無線路沉降的情況下應(yīng)用效果不明顯、大機作業(yè)要求線路各構(gòu)件尺寸標準化、道床厚度增加影響線路穩(wěn)定性，使得上述措施難以實施或未解決過渡段病害問題。道砟膠固化道床技術(shù)是一種采用現(xiàn)場噴射道砟膠以實現(xiàn)道砟顆粒黏結(jié)、提高道床整體剛度的新型過渡段處理措施。通過室內(nèi)試驗可知，道砟膠的應(yīng)用可以顯著降低道砟顆粒間的應(yīng)力集中問題，起到降低道砟粉化、道床沉降的效果[1?3]。因此，部分重載鐵路有砟?無砟軌道過渡段采用道砟膠固化道床技術(shù)以解決道床沉降引起的線路錯臺問題。采用道砟膠固化道床技術(shù)可使道床力學性能發(fā)生變化，因此，需要對道砟膠固化道床力學性能進行測試。道床力學性能測試包括靜力學測試和動力學測試。文獻[4]通過道床靜剛度測試，得到道床分段固化后不同斷面的垂向靜剛度分別較固化前提高了2.8倍、1.66倍和 1.35倍，實現(xiàn)了從無砟軌道高剛度到有砟軌道低剛度過渡的目的。鑒于目前缺少固化道床動態(tài)測試，而軌道所受荷載為動循環(huán)荷載，不能僅靠靜力學測試結(jié)果評定道床過渡效果，需要進行固化道床的動態(tài)測試。對于文獻[5]在實驗室建立有砟道床足尺模型，采用落軸試驗測試有砟道床的動剛度、阻尼，落軸試驗結(jié)果僅反映單輪作用時的情況，而軌道所受荷載是列車的輪群荷載，兩者間存在差異，故需要現(xiàn)場試驗完善道床動態(tài)剛度的研究。另外，過渡段的動力學研究多為路橋過渡段的現(xiàn)場動態(tài)測試和軌道過渡段的理論分析，前人對各種工況下過渡段各測點的受力、變形、振動特性等展開研究時，路橋過渡的現(xiàn)場試驗以論證路基受力、變形為主，與軌道動態(tài)測試研究內(nèi)容有所差別，而軌道過渡段以理論分析為主，缺少試驗論證[6?11]。本文作者選定山西中南部通道一處道砟膠分段固化后的有砟?無砟軌道過渡段，通過測試道砟膠分段固化的有砟軌道動力學特性，評判道床分段固化的效果，同時完善有砟?無砟軌道過渡段固化道床動力學的研究。

1 試驗段概況

試驗工點位于山西中南部通道一處路隧涵過渡段的隧道內(nèi)，試驗段平面布置圖如圖1所示。試驗段全線采用75 kg/m的鋼軌。Ⅰ斷面的有砟道床全斷面采用道砟膠黏結(jié)(如圖2所示)，Ⅱ斷面的有砟道床部分斷面采用道砟膠黏結(jié)(軌枕下、砟肩采用道砟膠黏結(jié)，如圖3所示)，Ⅲ斷面的有砟道床局部斷面采用道砟膠黏結(jié)(軌枕下采用道砟膠黏結(jié)，如圖4所示)，Ⅳ斷面為有砟軌道，道砟膠相關(guān)用量、物力性能等見TJ/GB 116—2013“聚氨酯道砟膠暫行技術(shù)條件”[12]。

經(jīng)測試，Ⅰ~Ⅳ斷面軌道的道床靜剛度分別為200，120，95和70 kN/mm[4]，扣件剛度為60 kN/mm，軌枕采用Ⅲ型軌枕，軌枕間距600 mm。因為本過渡段位于隧道內(nèi)，軌道下部基礎(chǔ)剛度遠大于道床和扣件剛度，可以忽略不計，所以，軌下支承剛度()可由扣件剛度(1)和道床剛度(2)的疊加表示，即

圖1 現(xiàn)場總體平面布置圖

圖2 道床全黏結(jié)斷面

圖3 道床部分黏結(jié)斷面

圖4 道床局部黏結(jié)斷面

疊加后的軌道剛度如圖5所示。軌道剛度為軌下支承剛度與鋼軌抗彎剛度的疊加，因此，過渡段處軌道剛度僅與道床剛度有關(guān)。

2 測試內(nèi)容

本試驗主要測試道砟膠分段固化道床的動力性能，故動態(tài)測試內(nèi)容包括輪軌垂向力測試、鋼軌垂向位移測試、軌枕垂向位移測試等。測試點以有砟軌道與無砟軌道交界點為坐標原點，有砟軌道方向為正方向，測點分別布置于i測點(3.8 m處)、ii測點(10.5 m處)、iii測點(17.1 m處)、iv測點(23.7 m處)，見圖1。

在測試過程中，采用德國 IMC 公司的動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為100 μs，采樣方式為連續(xù)采樣；輪軌力采用全橋電路進行采集，應(yīng)變片為國產(chǎn)應(yīng)變花(電阻120 Ω)，具體布置、貼片情況參見文獻[13]；鋼軌與軌枕垂向位移由自制彈片式位移計進行采集(自制彈片式位移計安裝在打入路基深層的鋼釬之上，采集的是鋼軌與軌枕的絕對位移)。試驗列車整車質(zhì)量為5 000 t，軸質(zhì)量30 t，測試速度級為60，70，80和90 km/h，各速度級列車測試均往返多次。

3 測試結(jié)果及分析

道床動態(tài)剛度可由輪軌垂向力、鋼軌、軌枕位移的測試結(jié)果進行反映。為此，本次動測主要分析輪軌垂向力、鋼軌和軌枕的垂向位移、垂向加速度等，并由此得到動荷載作用下的道床動態(tài)剛度。

3.1 輪軌垂向力測試及減載率分析

列車通過測試點時的輪軌垂向力如圖6所示。由于線路不平順、貨物分配差異等原因使得輪軌力存在差異。將各輪軌力統(tǒng)計并求得平均值，即可得到不同車速通過過渡段各斷面時的輪軌垂向力，如圖7所示。

由圖7可知：從Ⅰ斷面到Ⅳ斷面輪軌垂向力逐漸減小，當車速80 km/h時，Ⅰ斷面到Ⅲ斷面的輪軌力較Ⅳ斷面的輪軌力分別增加了8.05%，3.94%和0.97%。由此可知，輪軌垂向力受軌下支承剛度影響較大，線路設(shè)計中要保證過渡段的軌下支承剛度平緩過渡。

圖6 列車速度60 km/h通過I斷面時的輪軌垂向力

圖7 不同行車速度時各測試點的輪軌垂向力

道床分段固化后，軌道剛度、道床剛度均相應(yīng)增加，從而導致輪軌力有所增加，這對于輪軌受力是不利的。試驗段軌道剛度增加僅由道床剛度增加導致，這是因為過渡段扣件剛度未作更換。因此，可通過合理更換扣件剛度降低軌道剛度，達到降低軌道剛度的目的。

此外，由圖7可知，隨著車速的增加，輪軌垂向力逐漸增大，以Ⅰ斷面為例，當車速自60 km/h提高至90 km/h時，輪軌垂向力分別增加了4.6%，12.9%和22.4%。

輪軌減載率是評定線路安全性的主要指標之一，輪重減載率為測試點輪對垂向減載量Δ與輪軌垂直力之比。線路安全指標要求輪重減載率小于0.6[14]，采用道床分段固化后，不同行車速度時各測試點輪重減載率如圖8所示，車速90 km/h時Ⅰ斷面處輪軌減載率最大為0.42，滿足規(guī)范要求。由圖8可見，自 I斷面到Ⅳ斷面減載率逐漸減小，以車速90 km/h時為例，Ⅰ斷面、Ⅱ斷面和Ⅲ斷面的減載率較有Ⅳ斷面的減載率分別增加了23.5%，17.7%，5.9%。隨著車速的增大，減載率逐漸增大，以Ⅱ斷面為例，車速90 km/h時的減載率較車速60 km/h時的減載率增加了17.6%。因為減載率受輪軌垂向力的影響較大，因此，試驗段內(nèi)減載率的變化規(guī)律與輪軌減載率的變化規(guī)律相似。

圖8 不同行車速度時各測試點的減載率

3.2 垂向位移測試

垂向位移是線路動態(tài)測試的主要內(nèi)容之一，包括鋼軌的垂向位移和軌枕的垂向位移。列車以速度 60 km/h通過Ⅰ斷面時的鋼軌垂向位移如圖9所示。鋼軌垂向位波動較大，1個轉(zhuǎn)向架內(nèi)列車荷載間相互影響。將鋼軌、軌枕垂向位移統(tǒng)計并求得平均值，即可得到不同車速通過過渡段各斷面時的鋼軌垂向位移、軌枕垂向位移。

圖9 列車速度60 km/h通過Ⅰ斷面時的鋼軌垂向位移

不同行車速度時各測試點的鋼軌的垂向位移如圖10所示。從圖10可見：道床固化后鋼軌的垂向位移明顯減小，Ⅰ斷面到Ⅳ斷面各測點的鋼軌與軌枕垂向位移逐漸增大。Ⅰ斷面、Ⅱ斷面、Ⅲ斷面在車速為 80 km/h時的鋼軌位移分別是Ⅳ斷面鋼軌位移的0.75倍、0.84倍和0.97倍，這說明道床剛度對鋼軌位移的影響顯著，道床分段過渡方案實現(xiàn)了道床剛度的均勻過渡。隨著列車速度的增大，各斷面內(nèi)的鋼軌位移與軌枕位移均有所增大，以Ⅱ斷面測試結(jié)果為例，車速由60 km/h提高至90 km/h時，鋼軌位移增加了10%。

軌枕的垂向位移見圖11。由圖11可見：固化道床段軌枕位移較有砟軌道與無砟軌道段的小，其中Ⅰ斷面的軌枕垂向位移最小時僅為Ⅳ斷面軌枕垂向位移的27.5%，這是由于Ⅰ斷面有砟道床全斷面采用道砟膠黏結(jié)，有砟道床與軌枕黏結(jié)成為一個整體，道床剛度得到極大提高，所以，測得的軌枕位移較小，表明道床固化方案可以顯著提高有砟道床的整體性，可較好地控制道床沉降問題。Ⅰ斷面至Ⅲ斷面軌枕的位移均勻變化，證明道床剛度過渡效果顯著。此外，隨著行車速度的提高，軌枕垂向位移逐漸增大。

圖10 不同行車速度時各測試點的鋼軌垂向位移

圖11 不同行車速度時各測試點的軌枕垂向位移

3.3 道床動態(tài)剛度分析

道床動態(tài)剛度是評判固化道床分段固化效果的主要評價指標之一，它是列車荷載經(jīng)過時枕上平均壓力與軌枕平均位移的比值，表征動荷載作用下的道床剛度特性。目前缺少較好的枕上壓力測試方法，本文的枕上壓力按輪軌垂向力的0.4倍進行取值分析[14?15]。雖然枕上壓力由推算得出，與現(xiàn)實間存在一定差異，但可以反映道床的動態(tài)特性。道床動態(tài)剛度如圖12所示?？梢姡孩駭嗝嬷立魯嗝娴来矂討B(tài)剛度實現(xiàn)了均勻過渡。以車速70 km/h時的道床動態(tài)剛度為例，Ⅰ斷面至Ⅲ斷面的道床動態(tài)剛度分別為273，126和91 kN/mm，較Ⅴ斷面的72 kN/mm分別提高了3.78倍、1.75倍和1.28倍。不同斷面的軌道動態(tài)剛度提高程度不同，動荷載作用下Ⅰ斷面的道床動態(tài)剛度較其靜剛度提高35%，Ⅱ斷面的道床動態(tài)剛度較其靜剛度提高5%以上，Ⅲ斷面的道床動態(tài)剛度較其靜剛度提高7%以上，Ⅳ斷面的道床動態(tài)剛度較其靜剛度提高3%以上。這表明，一方面，固化道床的斷面形式對道床剛度影響較大，在動荷載作用下，道床黏結(jié)斷面越大，道床剛度越大；另一方面，在動荷載作用下道床剛度與道床靜剛度間存在差異，在理論分析過程中應(yīng)考慮動荷載作用下的道床剛度改變量。

圖12 不同行車速度時各測試點的道床動態(tài)剛度

3.4 軌道振動特性測試

軌道振動特性是線路動態(tài)評價指標之一，本次測試包括鋼軌垂向加速度測試(如圖13所示)和軌枕垂向加速度測試。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計后的鋼軌的垂向加速度如圖14所示。從圖14可見：從Ⅰ斷面至Ⅲ斷面，鋼軌的加速度逐漸減小，這是道床固化后整體性提高的結(jié)果；道床整體性越高，即道床黏結(jié)面積越大，鋼軌振動就越大，因此，Ⅰ斷面鋼軌垂向加速度最大；隨著行車速度的提高，鋼軌加速度逐漸增大，在行車速度為90 km/h時，Ⅰ斷面的鋼軌加速度比行車速度為60 km/h時的鋼軌加速度增大95%。

軌枕的垂向加速度測試結(jié)果如圖15所示。從圖15可見：Ⅰ斷面至Ⅳ斷面內(nèi)，軌枕振動加速度逐漸增加，這證明道床分段固化可實現(xiàn)道床動態(tài)剛度的均勻過渡；隨著車速的增加，軌枕加速度逐漸增大、行車速度90 km/h時Ⅱ段軌枕加速度比60 km/h時的軌枕加速度增大94%。

圖13 列車以速度60 km/h通過Ⅰ斷面時的鋼軌垂向加速度

圖14 不同行車速度時各測試點的鋼軌振動特性

圖15 不同行車速度時各測試點的軌枕振動特性

4 結(jié)論

1) 道床分段固化可實現(xiàn)輪軌力、減載率、鋼軌垂向加速度自道床全固化斷面至有砟軌道逐漸減小的過渡效果。

2) 道床分段固化可實現(xiàn)鋼軌垂向位移、軌枕垂向位移、軌枕垂向加速度自道床全固化斷面至有砟軌道逐漸增大的過渡效果，起到了較好的控制道床沉降的作用。

3) 道床分段固化后的道床動態(tài)剛度自道床全固化斷面至有砟軌道逐漸減小，當車速70 km/h時，Ⅰ斷面至Ⅳ斷面的道床動態(tài)剛度分別為273，126，91和72 kN/mm。

4) 道床固化后道床剛度得到顯著提高，使得軌道剛度有所增加，這使得輪軌受力相應(yīng)增加，這不利于控制過渡段道床沉降、減少線路病害問題。建議有砟?無砟軌道過渡段將道床剛度分段過渡與扣件剛度分段過渡綜合考慮，以克服道床剛度增大造成的輪軌力增大問題。

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(編輯 趙俊)

Dynamic testing and analysis of ballasted track of different stiffness sections using polyurethane ballast reinforcement technique

QI Wei, LIU Yutao, LI Chenghui

(Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiatong University, Chengdu 610031, China)

The serious degradation of the railway track is observed in the transition zones between the ballasted track and the ballastless track. The degradation is aroused by the abrupt variation of the track stiffness which is led by the vertical settlement of the track. In order to solve these problems, the polyurethane ballast reinforcement technique was adopted to form a continuous and even stiffness transition in the ballasted bed which was divided into three different stiffness sections. The dynamic test was carried out for the track using the ballast reinforcement technique. The results show that the safety index of the track line can be achieved using the ballast reinforcement technique. The dynamic stiffness of the ballasted bed in the three section is 91, 126 and 273 kN/mm, respectively, which is corresponding to different amounts of bonding areas from small to large. And the stiffness of the ballasted bed with these three bonding areas increases by 1.28 times, 1.75 times and 3.78 times, respectively, contrasted to that of the common ballasted bed. Thus, the wheel / rail vertical force, the wheel unloading ratio, the vertical displacement of the rail and the sleeper gradually increase, but the vertical displacement of the rail, the vertical displacement of the sleeper, and the vibration characteristics of the sleeper gradually decrease from the low stiffness section to the high stiffness section. In general, the ballasted track using the polyurethane ballast reinforcement technique achieves the best dynamic stiffness transition effect of the track line.

ballasted and ballastless track; transition zones; polyurethane ballast reinforcement technique; dynamic test; track stiffness

U211.8

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.033

1672?7207(2018)03?0764?07

2017?03?07；

2017?05?13

國家杰出青年科學基金資助項目(51425804)；高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金重點支持項目(U1334203，U1234201) (Project(51425804) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(U1334203, U1234201) supported by the National Natural Science Jointed High Speed Railway Key Program Foundation of China)

李成輝，博士，教授，從事軌道結(jié)構(gòu)與軌道動力學研究；E-mail: chli163chli@163.com