高速鐵路路基面支承剛度的工程意義及檢測(cè)方法

高速鐵路路基面支承剛度的工程意義及檢測(cè)方法

軌道結(jié)構(gòu)必須正確、穩(wěn)定和可靠地行駛，需要高度的協(xié)調(diào)。無砟軌道鐵路,不同線下基礎(chǔ)間存在剛度突變將加劇列車與線路相互動(dòng)力作用,影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和列車高速、安全、舒適運(yùn)行,因此,世界各國(guó)高速鐵路建設(shè)均十分重視線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配。但如何實(shí)現(xiàn)線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配,如何科學(xué)描述并合理設(shè)計(jì)軌道與路基的結(jié)構(gòu)狀態(tài),仍是困擾設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)難題。采用基于列車—軌道—線下基礎(chǔ)耦合之動(dòng)力分析方法,對(duì)軌道路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化系統(tǒng)分析,從而確定軌道及線下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與響應(yīng)分布,已為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所廣泛采用,相關(guān)研究較多。沿襲我國(guó)傳統(tǒng)上軌道和路基的分工習(xí)慣,尋求科學(xué)反映路基結(jié)構(gòu)狀態(tài)的指標(biāo)以描述基床頂面與軌道底面之間的界面結(jié)構(gòu)性能,對(duì)無砟軌道路軌一體化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。本文基于高速鐵路無砟軌道路軌一體化設(shè)計(jì)理念,提出了軌道與路基界面指標(biāo)——路基面支承剛度,并研究了不同路基面支承剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響;闡述了路基面支承剛度計(jì)算方法,構(gòu)建了線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配設(shè)計(jì)流程;通過遂渝和武廣無砟軌道試驗(yàn)段路基面支承剛度實(shí)車測(cè)試資料的綜合分析,提出了高速鐵路路基面支承剛度限值的建議,并指出路基面支承剛度快速測(cè)試的發(fā)展方向。1無軌道路軌的路基荷載對(duì)于路基而言,線下基礎(chǔ)為軌道提供的支承作用可用路基面支承剛度來表示。所謂路基面支承剛度,其含義為:使路基頂面產(chǎn)生單位下沉?xí)r所必須施加于路基頂面單位面積上的荷載(單位為MPa/m)。它反映了路基和地基的結(jié)構(gòu)性能,其大小受路基橫斷面幾何狀態(tài)、路基填料性能和地基土質(zhì)參數(shù)的影響。該指標(biāo)可用作描述路基對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的支承性能,同時(shí)也可作為軌道結(jié)構(gòu)對(duì)路基結(jié)構(gòu)性能的要求,是進(jìn)行無砟軌道路軌一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。研究基于滿足列車安全平穩(wěn)運(yùn)行的路基面支承剛度合理取值并提出其設(shè)計(jì)流程、計(jì)算方法和檢測(cè)手段,對(duì)于促進(jìn)路軌一體化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展、提高軌道及線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、保證軌道及線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命與性能均具有重要工程意義。2e0—路基面支承剛度設(shè)計(jì)路基面支承剛度與路基基床層狀結(jié)構(gòu)各層材料及厚度有關(guān),即路基豎向剛度組合有關(guān)。通過對(duì)路基層狀結(jié)構(gòu)豎向剛度組合優(yōu)化設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)路基路基面支承剛度E0值的控制。圖1為路基面支承剛度與路基豎向剛度組合示意圖。路基面支承剛度可按下式計(jì)算:E0=ahbxE3(ExE3)13Ex=h21E1+h22E2h21+h22hx=(12DxEx)13Dx=E1h31+E2h3212+(h1+h2)24(1E1h1+1E2h2)?1a=6.22[1?1.51(ExE3)?0.45]b=1?1.44(ExE3)?0.55(1)E0=ahxbE3(ExE3)13Ex=h12E1+h22E2h12+h22hx=(12DxEx)13Dx=E1h13+E2h2312+(h1+h2)24(1E1h1+1E2h2)-1a=6.22[1-1.51(ExE3)-0.45]b=1-1.44(ExE3)-0.55(1)式中E0——路基面支承剛度(MPa/m);E1,E2,E3——路基結(jié)構(gòu)分層材料彈性模量(MPa/m);h1,h2,h3——路基結(jié)構(gòu)分層厚度(m)。理論上,通過對(duì)一段路基中不同斷面的路基豎向剛度組合設(shè)計(jì),可以調(diào)整線路縱向路基面支承剛度,實(shí)現(xiàn)路基面剛度漸變,從而實(shí)現(xiàn)路基與其它構(gòu)筑物剛度的匹配。3車輪安裝側(cè)的負(fù)荷矩陣的分析3.1路基面承接剛度采用列車—軌道—線下基礎(chǔ)耦合動(dòng)力分析方法,在列車荷載、軌道結(jié)構(gòu)及參數(shù)不變的情況下,改變路基面支承剛度值,研究不同路基面支承剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。計(jì)算以路基面支承剛度190MPa/m為基準(zhǔn)值,不同的路基面支承剛度采用與標(biāo)準(zhǔn)路基面支承剛度比值來表示,圖2～圖6為快速旅客列車通過不同路基面支承剛條件下的無砟軌道時(shí)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。從上述計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:(1)路基面支承剛度小于標(biāo)準(zhǔn)路基面支承剛度,鋼軌垂向位移、路基面位移明顯增大;(2)隨著路基面支承剛度的提高,鋼軌垂向位移、路基面位移明顯減小,而鋼軌垂向力、路基面動(dòng)應(yīng)力略有增加;(3)路基面支承剛度大于標(biāo)準(zhǔn)路基面支承剛度10倍后,軌道及路基面動(dòng)力響應(yīng)變化趨緩。基于上述計(jì)算分析,可以認(rèn)為:路基面支承剛度的最小值應(yīng)使路基面動(dòng)位移控制在合理范圍;路基面支承剛度也不是越大越好,而是存在一個(gè)技術(shù)可行又經(jīng)濟(jì)合理的路基面支承剛度范圍。3.2路基面承接剛度對(duì)輪軌系統(tǒng)的影響為考察路基面支承剛度對(duì)路基與橋隧等構(gòu)筑物過渡段動(dòng)力性能的影響,對(duì)不同路基支承剛度過渡段輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析,圖7～圖10為快速旅客列車通過不同路基面支承剛度過渡段的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果。計(jì)算表明:路基支承剛度較小(小于100MPa/m)時(shí),軌道道床板在列車荷載作用下將發(fā)生“翹翹板”(即“脫空”)現(xiàn)象,路基支承剛度越小這種現(xiàn)象越嚴(yán)重,它對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及路基本身的受力和變形非常不利,同時(shí)還影響線路狀態(tài)的穩(wěn)定性;路基面支承剛度超過1000MPa/m,其對(duì)輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力影響已經(jīng)非常有限了。綜合考慮工程安全性和經(jīng)濟(jì)性,路基過渡段路基面支承剛度合理范圍建議為200～500MPa/m。4在高線面上，固定屋頂?shù)暮侠磉^載分析4.1基面基面動(dòng)變形路基面支承剛度與路基結(jié)構(gòu)及分層材料、壓實(shí)度密切相關(guān)。路基面支承剛度大小還與路基累積變形有關(guān),一般路基面支承剛度小,在動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)變形大,累積變形也大。因此,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)路基面最小支承剛度作出限制。理論上路基面動(dòng)變形小于路基結(jié)構(gòu)層材料臨界體積剪應(yīng)變,則不會(huì)發(fā)生塑性累積變形。對(duì)0.4m厚級(jí)配碎石+2.3m厚AB組填料高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)基床結(jié)構(gòu),中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所建議無砟軌道路基面動(dòng)變形限值為0.22mm。時(shí)速300～350km無砟軌道高速鐵路路基面動(dòng)應(yīng)力約15kPa左右,考慮輪軌不平順的不利情況,最大約為2×15=30kPa,則理論上路基面最小支承剛度為30kPa/0.22mm≈136MPa/m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)路基面支承剛度一般大于200MPa/m,為保證高速鐵路高可靠、高安全,建議路基面最小支承剛度按不小于200MPa/m進(jìn)行控制。4.2從一般路基面承接剛度到與橋島涵構(gòu)筑物剛度匹配橋隧涵構(gòu)筑物剛度較路基剛度大,為避免因剛度突變對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的不利影響,高速鐵路在路基與橋隧涵構(gòu)筑物連接處設(shè)置剛度漸變的過渡段。理論上,通過不同斷面的路基豎向剛度組合設(shè)計(jì),可以調(diào)整線路縱向路基面支承剛度,實(shí)現(xiàn)路基與其它構(gòu)筑物剛度匹配,即通過過渡段實(shí)現(xiàn)路基面支承剛度從一般路基的最小支承剛度過渡段到與橋隧涵構(gòu)筑物連接處、與橋隧涵構(gòu)筑物剛度匹配的合理剛度。如前分析,過渡段路基面支承剛度合理范圍大體應(yīng)在200～500MPa/m,最大不宜超過1000MPa/m。綜合考慮工程實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性,建議路基與橋隧連接處的路基面支承剛度控制在500～1000MPa/m,過渡段路基面支承剛度由200MPa/m過渡到與橋隧連接處的500～1000MPa/m。5對(duì)路面的承受剛性的檢測(cè)5.1無軌道試驗(yàn)段路基面無果路基面支承剛度測(cè)試主要采用承載板試驗(yàn)。路基面支承剛度測(cè)試值大小與加載面積的關(guān)系曲線呈非線性分布,有隨加載面積增大而減小的現(xiàn)象,其原因:加載面積比較小,荷載影響深度較淺,且加載板與路基面接觸緊密,路基面支承剛度測(cè)試值較大;隨著加載面積的增大,一方面由于荷載影響深度增大,另一方面由于加載板與路基面之間接觸難以緊密,實(shí)測(cè)路基面支承剛度值較小。圖11為遂渝無砟軌道試驗(yàn)段不同加載板路基面支承剛度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試表明:路基面支承剛度的減小量隨加載面積的增大有逐漸減小的趨勢(shì),在加載面積增大到1.0×1.0m2～1.5×1.5m2以后就趨于穩(wěn)定了。從測(cè)試結(jié)果還可以得出,加載板邊長(zhǎng)大于1m后,測(cè)試結(jié)果相差不大,因此,無砟軌道路基面支承剛度測(cè)試的合理加載面積應(yīng)在100×100cm2～150×150cm2。現(xiàn)場(chǎng)采用150×150cm2載荷板對(duì)4種典型路基結(jié)構(gòu)路基面支承剛度進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如表1所示。5.2填料的拉伸和變形武廣高速鐵路試驗(yàn)段路基基床結(jié)構(gòu)為0.4m級(jí)配碎石+2.3mAB組填料,中國(guó)鐵道科學(xué)研究院現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅡ型板式無砟軌道共8個(gè)工點(diǎn)的路基面動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形。路基基面動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)變形的比值即路基面支承剛度,結(jié)果如表2所示。5.3大直徑落錘彎沉儀的研制如前所述,路基面剛度宜用面積大于100×100cm2的加載板通過載荷試驗(yàn)獲得,但大型載荷試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)錢,應(yīng)研究路基面支承剛度快速檢測(cè)方法和設(shè)備。落錘式彎沉儀(FWD)是廣泛應(yīng)用于檢測(cè)土工結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)備。依據(jù)使用領(lǐng)域的要求和荷載狀態(tài)的參數(shù),FWD承載板可以從20cm和150cm之間變化,而其類型依據(jù)加載狀態(tài)可以分為輕型彎沉儀(LWD,又稱手持彎沉儀)、重型彎沉儀(HWD)和移動(dòng)彎沉儀(RWD)。針對(duì)無砟軌道的特點(diǎn)和列車荷載的狀態(tài),開發(fā)大直徑落錘彎沉儀(如直徑為100cm的落錘彎沉儀)及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以滿足路基面支承剛度之檢測(cè)需要。同時(shí)也可研究大直徑落錘彎沉儀與常用大型碾壓機(jī)械設(shè)備連接裝置,以便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及移動(dòng)。而輕型彎沉儀可以用于日常路基結(jié)構(gòu)狀態(tài)初步檢測(cè)。6無軌道線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配基于列車—軌道—線下基礎(chǔ)耦合之計(jì)算模型和動(dòng)力分析方法,針對(duì)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,結(jié)合遂渝鐵路和武廣高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,本文提出了路面支承剛度的概念、計(jì)算方法、設(shè)計(jì)應(yīng)用和檢測(cè)手段。主要結(jié)論如下:(1)路基面支承剛度是無砟軌道結(jié)構(gòu)分析的重要參數(shù),也是實(shí)現(xiàn)無砟軌道線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配的關(guān)鍵指標(biāo)。路基面支承剛度與路基基床層狀結(jié)構(gòu)各層材料及厚度有關(guān),通過對(duì)路基層狀結(jié)構(gòu)豎向剛度組合優(yōu)化設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)路基路基面支承剛度的控制。(2)為防止或限制基床結(jié)構(gòu)累積變形,應(yīng)對(duì)路基面動(dòng)變形限制,即對(duì)路基面支承剛度進(jìn)行控制,建議路基面支承剛度限值采