不同搗固階段有砟道床阻力特性試驗研究

王衛(wèi)東，宋善義，顏海建，肖彬，王國術(shù)，曾志平

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不同搗固階段有砟道床阻力特性試驗研究

王衛(wèi)東1, 2，宋善義1，顏海建3，肖彬3，王國術(shù)3，曾志平1, 2

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075； 2. 中南大學 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075； 3. 中鐵十四局集團 第五工程公司，山東 濟寧，272117 )

為確定不同搗固次數(shù)下道床橫縱向阻力變化規(guī)律以及橫縱向阻力之間的相關(guān)性，以湖南長株潭城際鐵路有砟軌道道床為研究對象，沿線進行現(xiàn)場原位試驗；根據(jù)試驗結(jié)果，采用數(shù)據(jù)分析方法，研究不同搗固階段道床橫、縱向阻力特征。建立不同搗固階段道床橫、縱向阻力隨軌枕位移變化的冪函數(shù)模型；研究結(jié)果表明：道床阻力并非隨搗固次數(shù)增加而逐漸增大，搗固6遍時，道床處于限制軌枕在水平方向位移的最佳狀態(tài)，道床橫、縱向阻力最大；在不同搗固階段，道床橫、縱向阻力隨著軌枕位移增大而增大，當軌枕位移達到4 mm左右時，道床阻力趨于穩(wěn)定；不同搗固階段道床橫、縱向阻力之間均呈現(xiàn)強線性相關(guān)性，建議采用道床橫向阻力檢驗指標代替道床橫、縱向阻力檢驗指標。研究成果可為無縫線路設(shè)計、施工和養(yǎng)護維修提供參考。

有砟軌道；搗固遍數(shù)；道床阻力；最小二乘法；相關(guān)性分析

有砟軌道是我國高速鐵路所采用的主要軌道結(jié)構(gòu)形式之一[1?2]。有砟軌道道床質(zhì)量狀態(tài)對于保證軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、提高軌道結(jié)構(gòu)的工作性能具有重要意 義[3]。隨著大量不同速度有砟軌道鐵路新建和改建，確定軌枕道床橫縱向阻力隨搗固次數(shù)的變化規(guī)律對于無縫線路設(shè)計、施工和養(yǎng)護維修均具有重要現(xiàn)實意 義[4]。本文作者對湖南長株潭城際鐵路Ⅲ型混凝土枕橫縱向阻力進行現(xiàn)場測試，對實測數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，研究在不同搗固階段道床橫、縱向阻力變化規(guī)律，獲得道床橫縱向阻力隨搗固次數(shù)的變化模式；建立不同搗固次數(shù)下道床阻力與軌枕位移的關(guān)系曲線，探討不同搗固次數(shù)下道床橫、縱向阻力之間的相關(guān)性，得出優(yōu)化現(xiàn)行道床質(zhì)量評價指標體系的建議。

1 試驗原理及方法

1.1 測試工點概況

以長株潭城際鐵路有砟道床為工程背景，正線軌道道砟采用特級碎石道砟，道床頂面寬度為3.5 m，砟肩寬度為45.0 cm，道床邊坡為1:1.75，道床厚度為350.0 mm；軌道采用有擋肩IIIc型軌枕，軌枕長為 2.6 m，1 km鋪設(shè)1 667根；與有擋肩IIIc型軌枕配套采用V型扣件。

1.2 試驗原理

道床橫向阻力是道床所提供的阻止軌枕橫向移動的阻力[5?6]，道床縱向阻力是指道床抵抗軌道框架縱向拉移的阻力，道床阻力是保證軌道穩(wěn)定的重要條件[7]。測試道床橫向阻力時，先將被測軌枕所有的扣件松開并抽出鋼軌墊板、液壓千斤頂、力傳感器及反力架安裝在軌枕的一側(cè)端部，利用鋼軌和測量裝置的豎向擋板提供橫向反力來推移被測軌枕，將千分表安裝在軌枕的另一側(cè)端部，采用液壓千斤頂對軌枕施加橫向推力。測力傳感器及力顯示器記錄橫向推力，采用千分表測量軌枕相對于鋼軌的橫向位移?？紤]到千分表安裝在同一側(cè)鋼軌會產(chǎn)生鋼軌變形對位移的影響，將千分表安裝于另一側(cè)鋼軌上。道床橫向阻力測試原理圖如圖1所示，現(xiàn)場試驗結(jié)果如圖2所示。

圖1 道床橫向阻力測試原理圖

圖2 橫向阻力試驗加載圖

測試道床縱向阻力時，液壓千斤頂，力傳感器以及裝置支架安裝在被測軌枕與緊鄰軌枕中間。將千分表安裝在被測軌枕的內(nèi)、外兩側(cè)，千分表的磁性底座吸附在內(nèi)、外兩側(cè)的鋼軌上。采用液壓千斤頂對軌枕施加縱向推力，采用千分表測量軌枕相對于鋼軌的縱向位移，記錄左、右千分表讀數(shù)，以其平均值作為軌枕縱向位移，由此可得出縱向阻力與軌枕位移的關(guān)系曲線[8]。縱向阻力測試原理圖如圖3所示，現(xiàn)場試驗結(jié)果如圖4所示。

1.3 試驗工況及過程

試驗前，準備1套道床縱向及橫向阻力測量裝置、2個磁性底座千分表、千斤頂、壓力傳感器、力顯示器以及其他試驗相關(guān)工具。根據(jù)實地調(diào)研結(jié)果，道床的搗固次數(shù)為7遍，并且搗固1~2道床的道床橫、縱向阻力尚未穩(wěn)定，故本次試驗的搗固次數(shù)確定為3~7遍，以此測試5種工況下道床橫縱向阻力。每次測試樣本數(shù)量為25根軌枕。

圖3 道床縱向阻力測試原理圖

圖4 縱向試驗加載圖

試驗時，使用千斤頂給軌枕施加推力，根據(jù)千分表的變化速度控制千斤頂加載速度。千分表以 0.2 mm/次讀取力顯示器的示數(shù)及相應(yīng)的千分表示數(shù)得到1個阻力?位移散點，加載直至道床阻力基本不變后卸載。軌枕位移為2 mm時力顯示器讀數(shù)為道床橫縱向阻力[9]。

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 道床阻力與搗固次數(shù)的關(guān)系

選取道床搗固3~7遍的125個測試樣本。采用偏于保守的數(shù)理統(tǒng)計方法統(tǒng)計道床阻力實測值，以實測值的平均值減去2.5倍標準差[10]作為道床阻力的最小可能值，其中道床橫向阻力的最小可能值可以作為無縫線路穩(wěn)定性檢算的重要指標[11]；以實測值的均值加上2.5倍標準差作為道床阻力的最大可能值，并結(jié)合TB 10754—2010“高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標準”(以下簡稱“驗標”)[12]中對道床橫縱向阻力的要求(軌枕位移為2 mm處的道床橫向阻力≥12 kN/枕，道床縱向阻力≥14 kN/枕)研究測試樣本滿足“驗標”的概率。具體數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1和表2所示。

表1 道床橫向阻力統(tǒng)計分析結(jié)果

表2 道床縱向阻力統(tǒng)計分析結(jié)果

從表1和表2可見：道床阻力的平均值隨著道床搗固次數(shù)增加，道床橫縱向阻力先增大后減??；當搗固次數(shù)達到6遍時，道床的橫縱向阻力達到最大；搗固7遍時，道床的橫縱向阻力均下降。本文引入滿足“驗標”概率的指標表征道床橫縱向阻力隨搗固次數(shù)增加的變化規(guī)律，該指標是搗固遍滿足“驗標”的樣本數(shù)量與該遍總的樣本數(shù)量的比值。通過搗固各次樣本滿足“驗標”的概率可知：隨著搗固次數(shù)增加，道床橫向阻力滿足“驗標”的概率逐漸增加到搗固第6遍時的100%；在搗固7遍后，有的軌枕橫向阻力不滿足“驗標”的情況；道床縱向阻力搗固3遍時合格率就達70%；搗固到3遍后合格率均為100%，由此可發(fā)現(xiàn)道床橫向阻力相比縱向阻力更難達到“驗標”要求。當被測軌枕的道床橫向阻力滿足“驗標”要求時，其道床縱向阻力基本都滿足“驗標”要求，這個規(guī)律為簡化道床評價體系提供了數(shù)據(jù)支撐。

2.2 不同搗固次數(shù)下道床阻力與軌枕位移的關(guān)系

道床橫向阻力值與軌枕橫向位移的關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系變化[13]：

式中：0為初始道床橫向阻力(kN)；為軌枕在道床中的橫向位移(mm)；和均為阻力系數(shù)。經(jīng)研究[14]，可取4/3。

基于式(1)，本文根據(jù)實測值，采用冪函數(shù)對道床橫縱阻力隨位移的變化關(guān)系進行擬合。當?shù)来矒v固6遍時，道床橫向及縱向阻力?位移的散點及擬合成冪函數(shù)曲線分別如圖5和圖6所示[15]。搗固3~7遍時，根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合所得冪函數(shù)公式及結(jié)果如表3所示，擬合所得冪函數(shù)曲線如圖7和圖8所示。

從圖5和圖6可見：擬合所得道床橫、縱向阻 力?位移曲線變化規(guī)律均與對應(yīng)的實測道床橫、縱向阻力?位移曲線變化規(guī)律有較好的一致性；當?shù)来矙M、縱向阻力在軌枕位移大于2 mm時，其增加幅度逐漸減小；當位移達到4 mm左右時，阻力基本趨于穩(wěn)定。

圖5 橫向阻力?位移散點及擬合函數(shù)圖

圖6 縱向阻力?位移散點及擬合函數(shù)圖

搗固遍數(shù)：1—3；2—4；3—5；4—6；5—7。

搗固遍數(shù)：1—3；2—4；3—5；4—6；5—7。

從表1可知：擬合相關(guān)系數(shù)為0.81~0.94，表明預估模型精度較高，回歸模型效果較可靠。同時驗證了道床縱向阻力同樣適用此公式，該擬合式可為理論分析不同搗固階段道床阻力?位移關(guān)系取值提供參考。

從圖7和圖8可見：在不同搗固遍數(shù)下，道床橫縱向阻力隨著軌枕位移增大而增大，但其增大速率隨軌枕位移增加而減小，最終道床橫縱向阻力均趨于穩(wěn)定。這表明現(xiàn)行“規(guī)范”中道床橫縱極限阻力對應(yīng)軌枕位移的規(guī)定適用于不同搗固階段，并且更加清晰地揭示了本文關(guān)于道床阻力與搗固次數(shù)之間的變化規(guī)律。

2.3 不同搗固次數(shù)下道床橫縱向阻力相關(guān)性分析

研究道床橫縱向阻力之間相關(guān)性對優(yōu)化有砟道床評價體系有重要意義[16]。由試驗結(jié)果可知：道床搗固6遍時，道床橫縱向阻力最大，道床狀態(tài)相比其他搗固次數(shù)更穩(wěn)定。故先分析搗固6遍時道床橫、縱向阻力的相關(guān)性。

表3 道床橫向阻力冪函數(shù)及其數(shù)據(jù)表

注：2為擬合系數(shù)。

根據(jù)表1繪制搗固6遍的道床橫縱向阻力?位移的擬合曲線，如圖9所示。對道床橫縱向阻力曲線同時在0~4 mm進行等間距插值，得到相同軌枕位移下100對道床橫縱向阻力，由此對道床橫、縱向阻力之間相關(guān)性進行研究。搗固6遍道床橫向阻力?縱向阻力之間關(guān)系如圖10所示。

1—縱向阻力；2—橫向阻力。

圖10 道床橫、縱向阻力的關(guān)系

由圖10可知：道床橫、縱向阻力之間存在明顯的線性關(guān)系。當2個連續(xù)變量間呈線性相關(guān)且為等間距測度時，采用Pearson積差相關(guān)系數(shù)表征量化道床縱向阻力、橫向阻力兩者之間的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)理論得出道床橫、縱向阻力之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.976，相關(guān)性非常明顯[17]。利用該方法得到不同搗固次數(shù)下道床橫、縱向阻力間的Pearson相關(guān)系數(shù)如表4所示。從圖10可見：道床橫、縱向阻力之間均呈明顯的線性相關(guān)性。綜合道床橫、縱向阻力統(tǒng)計分析結(jié)果中滿足“驗標”的概率，考慮道床縱向阻力檢測對道床狀態(tài)的擾動大于道床橫向阻力檢測對道床的擾動，建議有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評價體系中采用道床橫向阻力來代替道床橫縱向阻力。

表4 不同搗固次數(shù)下橫、縱向阻力相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1) 在道床搗固3~6遍時，道床橫縱向阻力隨搗固次數(shù)增加而增大；在搗固7遍時，道床橫縱向阻力相較于搗固6遍均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，因此，在施工或養(yǎng)護維修過程中，要在充分了解道床狀態(tài)及道砟力學特性后進行適當搗固，切勿盲目搗固。

2) 在不同搗固階段，道床橫縱向阻力隨著軌枕位移增大而增大。但隨著位移增大，道床阻力增大速率逐漸變小，軌枕位移達到4 mm后，道床阻力趨于 穩(wěn)定。

3) 基于最小二乘法原理，建立了搗固3~7遍時道床橫、縱向阻力隨軌枕位移變化的冪函數(shù)模型，可為理論分析不同搗固階段道床阻力?位移關(guān)系取值提供參考。

4) 建議在確定鐵路有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評價標準時，考慮采用道床橫向阻力這一項檢驗指標代替道床縱向、橫向阻力這2項檢驗指標，以減小道床質(zhì)量狀態(tài)檢測過程中對道床的擾動和破壞，提高檢測效率。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on resistance characteristics of ballast bed in different stamping stages

WANG Weidong1, 2, SONG Shanyi1, YAN Haijian3, XIAO Bin3, WANG Guoshu3, ZENG Zhiping1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. The Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Fifth Engineering Company, China Railway Fourteen Bureau Group, Jining 272117, China)

In order to determine the change rule of lateral and longitudinal resistance of ballast bed during different tamping times and the correlation between the lateral and longitudinal resistance, the ballast bed of the intercity railway of Changsha—Zhuzhou—Xiangtan was taken as the research object. In-situ test was carried out along the line, according to the test results, the method of data analysis was used and the different ballast tamping stages of the resistance of ballast bed were studied. The power function model of lateral and longitudinal resistances of ballast bed with the change of sleepers displacement was established. The results show that the resistance of ballast bed does not increase gradually with the increase in the number of tamping, the ballast bed is in the best condition and the lateral and longitudinal resistances of ballast bed become the maximum when tamping 6 times. In different ballast tamping stages, the lateral and longitudinal resistances of ballast bed increase with the increase of displacement of sleepers, after the sleeper displacement reaches about 4 mm, resistance tends to be stable. In different ballast tamping stages, there is a strong linear correlation between lateral and longitudinal resistances of ballast bed. It is suggested that the lateral resistance test of ballast bed should be used instead of lateral and longitudinal resistance test. The research results can provide reference for design, construction and maintenance of continuously welded rail.

ballast track; number of tamping; ballast bed resistance; the least squares; correlation analysis

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.08.021

U213.2

A

1672?7207(2018)08?2003?06

2017?09?12；

2017?10?27

高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項目(U1334203)；中鐵十四局集團有限公司科技開發(fā)計劃課題(20160016) (Project(U1334203) supported by the Jointed Fund of High Speed Railway; Project(20160016) supported by the Science and Technology Development of China Railway Fourteen Bureaus Group Co. Ltd.)

王衛(wèi)東，博士，教授，從事鐵道工程研究；E-mail：147745@163.com