Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析

2010-08-04杨全亮

铁道标准设计 2010年3期

杨全亮,朱彬

(1.铁道部经济规划研究院,北京 100038;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

目前,我国新建、改建铁路有砟轨道普遍铺设Ⅲ型混凝土轨枕。但对于Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力尚未完全明确,现行规范中关于Ⅲ型轨枕道床阻力基本参照Ⅱ型轨枕道床确定。这就低估了Ⅲ型轨枕维持轨道几何形位的能力,无法体现Ⅲ型轨枕的技术优势。因此,有必要通过现场原位试验分析对Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力加以确定。

道床纵、横向阻力是道床抵抗轨道纵、横向移动的阻抗力,包括轨枕与道床间的摩阻力和轨枕盒内道砟及砟肩抗推力。其主要影响因素包括:轨枕类型及每公里铺设根数,道砟材质、级配、颗粒尺寸,道床断面尺寸,道床饱满、密实程度等。道床纵、横向阻力是有砟轨道无缝线路设计、检算的重要基本参数:纵向阻力是进行桥上无缝线路纵向力及位移计算的基本参数,横向阻力是进行无缝线路稳定性检算的基本参数。因此,合理确定Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力对于无缝线路设计、施工及养护均具有重要的现实意义,同时,为轨道设计、施工规范和验收标准的制定提供科学依据。

本次试验采用现场原位测试和数理统计分析方法,确定道床纵、横向阻力值。试验地点选取武汉至襄樊增建第二线云梦段。该段线路设计速度目标值为200km/h,一次铺设跨区间无缝线路。轨道结构采用:60kg/mU75V新轨,弹条Ⅱ型扣件,Ⅲ型有挡肩钢筋混凝土轨枕(每 km铺设1667根),一级碎石道砟。路基地段道砟设计厚度为 30cm,单线道床顶面宽度 350 cm,砟肩宽为 45cm,砟肩堆高 15cm,道床边坡 1∶1.75。桥梁地段道砟设计厚度为 35cm。试验时线路已经按照设计要求经过多次大机捣固及稳定作业,堆砟饱满,即将开通运营。该段道床主要设计参数指标见表1。

表1 道床主要设计参数指标

2 道床纵向阻力试验分析

2.1 测试方法

道床纵向阻力采用现场原位测试方法测试,将被测轨枕所有扣件松开并抽出胶垫,利用相邻轨枕提供的纵向反力推移被测轨枕。测试采用千斤顶施加纵向推力,测力仪记录推力数值,百分表记录轨枕位移。考虑到加力装置位于轨枕中部,为避免轨枕左右位移不均匀造成测量误差,在轨枕两端各安装 1块百分表,取其位移平均值作为轨枕位移观测值。测试装置如图1所示。

图1 道床纵向阻力现场原位测试

2.2 数据处理及分析

测试选取包括路基及桥梁地段共 29个样本。通过对测试数据统计可见,Ⅲ型轨枕道床纵向阻力随着轨枕纵向位移增大而增大。当位移超过 2mm时,纵向阻力仍呈增长趋势,道床未见明显破坏迹象。实测道床纵向阻力-位移数据点及拟合曲线见图2。

根据上述实测数据,对于Ⅲ型轨枕道床纵向阻力采用最小二乘法进行拟合,拟合曲线方程式为

r=2.87-9.10x+20.31x3/4

式中,r为道床纵向阻力,kN/枕;x为轨枕位移,mm。

通过显著性检验得到相关系数 R=0.73。

图2 实测道床纵向阻力-位移散点图

当位移为 2mm时,实测道床纵向阻力平均值为18.08kN/枕,拟合值为 18.83kN/枕,均满足目前 12 kN/枕的设计要求。换算为单位长度每股钢轨阻力为

为了满足道床纵向阻力非线性本构关系,简化桥上无缝线路设计计算,同时参考国外对于纵向阻力简化使用情况,建议Ⅲ型轨枕道床纵向阻力采用双线性函数。根据我国多年来无缝线路设计和运营经验,车辆下道床阻力与无载阻力相同,机车下道床阻力为无载阻力的 1.55倍。Ⅲ型轨枕单位长度每股钢轨道床纵向阻力可按照表2进行取值。

表2 Ⅲ型混凝土轨枕道床纵向阻力 kN/m◦轨

3 道床横向阻力试验分析

3.1 测试方法

道床横向阻力采用试验现场原位测试方法测试,将被测轨枕所有扣件松开,并抽出胶垫,利用钢轨提供的反力横向推移被测轨枕。测试采用千斤顶施加横向推力,测力仪记录推力数值,百分表记录轨枕位移。测试装置如图3所示。

图3 道床横向阻力现场原位测试

3.2 数据处理及分析

测试选取包括路基、路桥过渡及桥梁地段共 42个样本。实测道床横向阻力-位移数据散点图见图4。

图4 实测道床横向阻力-位移散点图

道床横向阻力主要用于无缝线路稳定性检算。考虑到无缝线路失稳破坏通常发生在道床横向阻力较为薄弱的地段,故对于横向阻力实测数据的处理采用偏于保守的数理统计方法。即以实测数据的均值减去2.5倍标准方差,作为道床横向阻力最小可能值,并将该最小可能值转化为稳定性检算中采用的单位长度阻力。具体数据处理过程如表3所示。