道砟胶对过渡段道床参数的影响规律研究



道砟胶对过渡段道床参数的影响规律研究

朱永见，亓伟，陈攀

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

我国350 km/h高速铁路除特大桥梁外，包括临近正线的到发线都采用了无砟轨道；而普速铁路长度1 km及以上的隧道内，除特殊情况外也全部采用了无砟轨道，从而导致有砟-无砟过渡段的大量存在[1-2]。因有砟-无砟接合部有砟侧的道床难以用大型机械捣固和稳定，使这个区域的刚度突变和沉降差异更为显著。与路桥、路隧过渡段相比，其中短波不平顺特征明显，对车辆和轨道部件伤损的影响相对严重。因此，研究有砟-无砟过渡段的刚度均化和不均匀沉降控制具有重要的理论与现实意义。目前，有砟-无砟过渡段的结构形式比较多[3-4]，其中设置辅助轨、改变轨枕长度或间距、采用轨枕垫及合成轨枕等，主要还是针对过渡段刚度差异采取的措施，而采用道砟黏结不仅可以减小过渡段的刚度差异，还可以减小沉降差异，而沉降差异引起的轨面变化对行车安全和舒服性的影响比刚度差更大[5-6]。根据室内试验结果[7-11]，道砟黏结不仅可以通过改变断面黏结形式使道床刚度均匀变化，还可以大大减小黏结区域及整个轨道结构的后期沉降，与此同时，将轨枕与道床有效黏结提高了轨道的稳定性，可将道床纵、横向阻力提高8倍和17倍以上。考虑到室内试验与现场的差异性，本文选择某新建重载铁路2处隧道地段的有砟-无砟过渡段进行现场试验，分析道砟黏结对道床参数的影响规律。

1试验方案及测点布置

道砟黏结影响的参数主要包括道床支承刚度和道床纵、横向阻力。道床支承刚度是减缓过渡段刚度差异的关键因素，应重点研究其影响规律；道床的后期沉降主要由枕下部分引起，而黏结区域的累积变形很小[11]，故枕下黏结厚度是评价道床后期累积变形的关键参数，应对其进行检查；道床纵、横向阻力是影响无缝线路稳定性的关键参数，研究其规律可为分析道砟黏结对无缝线路的影响提供参数依据。

1.1试验方案

试验工点位于某新建重载铁路隧道地段的弹性支承块式和长枕埋入式无砟轨道与有砟轨道的过渡区域，配套Ⅲ型轨枕和有砟过渡枕，施工长度20 m，通过改变道床的断面黏结形式实现三级过渡，从无砟向有砟依次为全断面黏结(6.8 m)、部分断面黏结(6.6 m)和局部断面黏结(6.6 m)[12]，见图1。

1.2测点布置

道砟胶虽然约束了道砟颗粒的移位，但随着列车的通过，道砟颗粒之间的受力状态还可能进一步调整，因此，应分阶段对道床支承刚度进行测试。为此，本文对胶结前、胶结2 d后及4个月后的道床支承刚度进行了测试，同时，为尽可能减小同一根轨枕多次测试带来的影响，每次选择不同的轨枕进行测试，测点布置图见2。

图2　道床支承刚度测点布置图Fig.2 Testing points for the stiffness of ballast bed

过渡段范围内枕下黏结厚度(h)均一样，为检测h，施工过程中每段均预留了一个检查孔[12]，等施工完成后，将检查孔内的道砟挖出，测量h，检查孔的测点图见3；对胶结2 d后的道床纵、横向阻力进行了现场测试，测点图见3。

图3　检查孔和道床纵、横向阻力测点图Fig.3 Testing points for the longitudinal and lateral ballast resistances and inspection holes

2测试方法及原理

2.1道床纵、横向阻力

道床纵、横向阻力是指道床阻止轨枕沿线路纵、横向位移的力，其值定义为轨枕产生2 mm位移时对应的加载值，对于Ⅲ型轨枕或有砟过渡枕，重载铁路分别要求为≥12 kN/枕和≥10 kN/枕[2]。考虑到道砟胶将轨枕与道砟黏结在一起，轨道的几何形位只能由扣件系统来调整，因此加载过程不能对轨道的几何形位影响太大，但加载值太小又不能很好的说明道砟胶对道床纵、横向阻力的提高程度，综合考虑各方面因素，本文将加载最大值取为29 kN。

测试之前，先拆除测试轨枕上的扣件、垫板等部件，当有辅助轨时，测试轨枕上辅助轨对应的扣件及垫板也要全部拆除；纵向阻力测试时，支承反力轨枕上的扣件、垫板也应拆除。纵向阻力测试时，位移计位于测试轨枕的两端各1个，计算时取平均值，见图4，横向阻力测试时，位移计位于非加载端钢轨内、外各1个，见图5。

图4　道床纵向阻力测试图Fig.4 Test the longitudinal ballast resistance

图5　道床横向阻力测试图Fig.5 Test the lateral ballast resistance

2.2道床支承刚度

道床支承刚度是用于评价道床弹性和承载力的力学指标，是指轨枕在道床的支承面上产生单位下沉所需的单股钢轨作用到轨枕上的荷载值。测量时将加力架安装在轨枕一端，以钢轨作支撑反力，在轨枕上加载，由非侧限条件下道床所受垂直荷载与垂向位移关系曲线的斜率表示道床支承刚度K[2]。K按下式计算：

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

(1)

式中：K为道床支承刚度，kN/mm；P35和P7.5为轨枕承受的荷载值，kN；S35和S7.5为轨枕承受P35和P7.5荷载时道床的下沉量，mm。

测试道床支承刚度时，先拆除测试轨枕上的扣件、垫板等部件，当用相邻轨枕作为基准点时，基准点轨枕上的扣件、垫板等也要拆除，当有辅助轨时，测试及基准点轨枕上辅助轨对应的扣件及垫板也要拆除。位移计分别安装于钢轨的两侧，计算时取其平均值作为钢轨处轨枕的垂向位移，见图6。

图6　道床支承刚度测试Fig.6 Test the stiffness of ballast bed

3试验结果及分析

3.1道床纵、横向阻力

采用2.1的方法，按图3对道床纵、横向阻力进行测试。测试结果见图7和图8。

从图7可以看出，随着纵向加载力的增大，轨枕纵向位移逐渐增大，全断面和部分断面黏结时，加载值与位移近似成线性关系；局部断面黏结时，随着加载值的增大，位移呈线性增加，但随着加载值的进一步增加，轨枕与道床之间的黏结逐渐破坏，位移变化速率迅速增大。

从图8可以看出，随着横向加载力的增大，轨枕横向位移逐渐增大，加载值与位移近似成线性关系，全断面与局部断面黏结的斜率相差不大，但均大于部分断面黏结。

图7　胶结道床纵向阻力测试图Fig.7 Test the longitudinal glued ballast resistance

图8　胶结道床横向阻力测试图Fig.8 Test the lateral glued ballast resistance

对比图7~8可知，胶结道床的纵、横向阻力并非遵循从局部断面黏结到全断面黏结逐渐增加的规律。分析其原因主要有2个：一是枕底与道砟的黏结，采用喷枪倾斜施工，见图9，故枕底与道砟的黏结区域具有很大的随机性，而枕底对道床阻力影响又很大[13]；二是枕上黏结区域的道砟在施工过程中需要先刨开再回填，回填的质量难以保证均匀。

即便如此，轨枕加载29 kN，全断面和部分断面黏结时轨枕的纵、横向位移在0.43~0.8 mm，局部断面黏结时轨枕的纵、横向位移在0.74~1.5 mm，与规范要求相比，全断面和部分断面黏结时，可使道床纵、横向阻力提高到规范要求值的6倍以上，局部断面粘结时，可使道床纵、横向阻力提高到规范要求值的3倍以上；考虑到枕底与道砟的黏结区域对局部断面影响最大，在道床阻力不足的地段，应黏结肩砟。

图9　黏结枕底道砟Fig.9 Glue the ballast under tie

3.2道床支承刚度

采用2.2的方法，按图2对道床支承刚度进行测试，测试结果见图10~11。

图10　道床支承刚度测试图(测点1)Fig.10 Test the stiffness of ballast bed (site 1)

图11　道床支承刚度测试图(测点2)Fig.11 Test the stiffness of ballast bed (Site 2)

从图10~11可以看出，与碎石道床的支承刚度(K0)相比，道砟胶结2 d后(K2)和4个月后的道床支承刚度(K4)均有较大提高，但K2具有较大的离散性且数值偏大，而K4与K0相比在纵向上的分布规律却基本一致，说明道砟胶结后道床的整体性迅速增强，但随着列车的振动碾压，胶结道床的受力状态又得到了进一步的调整。因此，K4可以较真实地反映道砟胶对道床刚度的影响规律。假定K0沿线路纵向是连续分布的，利用内插的方法计算出4个月后测点对应的K0，按照断面黏结形式作K4与K0的比值图见图12。

图12　K4/K0与K0的关系图Fig.12 Relationship between K4/K0and K0

从图12可以看出，K4与K0和断面黏结形式有关；全断面黏结时，当K0≤70 kN/mm，K4/K0逐渐增加，而后趋于稳定，保持在2.8左右；部分断面黏结时，当K0在49~82 kN/mm时，K4/K0趋于稳定，保持在1.66左右；局部断面黏结时，当K0≤35 kN/mm，K4/K0先逐渐增加到7.3，而后又降低到1.35。

分析可知，胶结道床的受力状态经过调整之后，K4/K0先逐渐增加，而后趋于稳定，趋于稳定的临界值K0各不相同；全断面和部分断面黏结时，K4/K0趋于稳定的临界值K0分别为61~70 kN/mm和50 kN/mm左右；局部断面粘结时，由于测点处道床较松散，其临界值K0较难确定，但通过对比分析全断面和部分断面黏结时K4/K0的稳定值可以看出，其比值稳定于1.35是合适的，因此，局部断面结黏的临界值K0应在35 kN/mm左右。

综上所述，道砟胶对K0的影响与K0和断面粘结形式有关，随着K0的提高，K4/K0逐渐增大，而后趋于稳定；当K0≥70 kN/mm时，K4/K0主要与断面黏结形式有关，从全断面黏结向部分断面黏结逐渐减小，其值分别稳定于2.8，1.66和1.35，说明通过改变断面黏结形式可以达到从无砟向有砟道床刚度的分级均匀变化。

3.3枕下黏结厚度

对两个施工点6个检查孔的枕下黏结厚度(h)进行测量，结果表明h为210~260 mm(道床厚约350 mm)。

4结论

1)K2具有较大的离散性且数值偏大，而K4与K0的分布规律基本一致，说明道砟胶结后道床的整体性迅速增强，但随着列车的振动碾压，胶结道床的受力状态还会得到进一步的调整，故K4可以较真实地反映道砟胶对道床刚度的影响。

2)K4与K0和断面黏结形式有关，随着K0的提高，K4/K0逐渐增大，而后趋于稳定，当K0≥70 kN/mm，h为210~260 mm时，K4/K0主要与断面黏结形式有关，全断面、部分断面和局部断面黏结时，比值分别为2.8，1.66和1.35。

3)全断面/部分断面和局部断面黏结时，可将道床纵、横向阻力提高到规范要求值的6倍和3倍以上，但考虑到局部断面黏结受枕底黏结区域影响大，在道床阻力不足的地段，应黏结肩砟。

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(编辑阳丽霞)

摘要:为研究道砟胶对道床参数的影响规律，选取某新建重载铁路2处隧道地段的有砟-无砟过渡段进行现场测试，结果表明：道砟胶结后道床的整体性迅速增强，但随着列车的振动碾压，胶结道床的受力状态得到进一步调整，故K4(道床胶结4个月后的支承刚度)可以较真实地反映道砟胶对道床刚度的影响；随着K0(碎石道床的支承刚度)的提高，K4/K0逐渐增大，而后趋于稳定，当K0≥70 kN/mm，h(枕下黏结厚度)为210~260 mm时，K4/K0主要与断面黏结形式有关，全断面、部分断面和局部断面黏结时，比值分别为2.8，1.66和1.35；全断面/部分断面和局部断面黏结时，可将道床纵、横向阻力提高到规范要求值的6倍和3倍以上，但考虑到局部断面黏结受枕底黏结区域影响大，在道床阻力不足的地段，应黏结肩砟。

关键词：道砟胶；过渡段；道床刚度；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

中图分类号：U213.7+1

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0034-06

通讯作者：朱永见(1987-),男,河南太康人，博士研究生，从事高速重载轨道结构及轨道动力学研究；E-mail：zyjian1987@163.com

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题

收稿日期：*2015-05-05