高速鐵路路基面支承剛度的工程意義及檢測方法

高速鐵路路基面支承剛度的工程意義及檢測方法

軌道結構必須正確、穩(wěn)定和可靠地行駛，需要高度的協(xié)調。無砟軌道鐵路,不同線下基礎間存在剛度突變將加劇列車與線路相互動力作用,影響軌道結構穩(wěn)定和列車高速、安全、舒適運行,因此,世界各國高速鐵路建設均十分重視線下基礎縱向剛度匹配。但如何實現(xiàn)線下基礎縱向剛度匹配,如何科學描述并合理設計軌道與路基的結構狀態(tài),仍是困擾設計人員的重點難題。采用基于列車—軌道—線下基礎耦合之動力分析方法,對軌道路基結構進行一體化系統(tǒng)分析,從而確定軌道及線下基礎的結構狀態(tài)與響應分布,已為國內外學者所廣泛采用,相關研究較多。沿襲我國傳統(tǒng)上軌道和路基的分工習慣,尋求科學反映路基結構狀態(tài)的指標以描述基床頂面與軌道底面之間的界面結構性能,對無砟軌道路軌一體化設計具有現(xiàn)實意義。本文基于高速鐵路無砟軌道路軌一體化設計理念,提出了軌道與路基界面指標——路基面支承剛度,并研究了不同路基面支承剛度對軌道結構動力響應的影響;闡述了路基面支承剛度計算方法,構建了線下基礎縱向剛度匹配設計流程;通過遂渝和武廣無砟軌道試驗段路基面支承剛度實車測試資料的綜合分析,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試的發(fā)展方向。1無軌道路軌的路基荷載對于路基而言,線下基礎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:使路基頂面產生單位下沉時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構性能,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參數(shù)的影響。該指標可用作描述路基對軌道結構的支承性能,同時也可作為軌道結構對路基結構性能的要求,是進行無砟軌道路軌一體化設計的關鍵指標。研究基于滿足列車安全平穩(wěn)運行的路基面支承剛度合理取值并提出其設計流程、計算方法和檢測手段,對于促進路軌一體化設計理論的發(fā)展、提高軌道及線下基礎結構設計水平、保證軌道及線下基礎結構設計壽命與性能均具有重要工程意義。2e0—路基面支承剛度設計路基面支承剛度與路基基床層狀結構各層材料及厚度有關,即路基豎向剛度組合有關。通過對路基層狀結構豎向剛度組合優(yōu)化設計,可以實現(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——路基結構分層材料彈性模量(MPa/m);h1,h2,h3——路基結構分層厚度(m)。理論上,通過對一段路基中不同斷面的路基豎向剛度組合設計,可以調整線路縱向路基面支承剛度,實現(xiàn)路基面剛度漸變,從而實現(xiàn)路基與其它構筑物剛度的匹配。3車輪安裝側的負荷矩陣的分析3.1路基面承接剛度采用列車—軌道—線下基礎耦合動力分析方法,在列車荷載、軌道結構及參數(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軌道結構動力響應的影響。計算以路基面支承剛度190MPa/m為基準值,不同的路基面支承剛度采用與標準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輪軌系統(tǒng)動力響應計算結果。從上述計算結果,可以得出以下結論:(1)路基面支承剛度小于標準路基面支承剛度,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、路基面動應力略有增加;(3)路基面支承剛度大于標準路基面支承剛度10倍后,軌道及路基面動力響應變化趨緩?；谏鲜鲇嬎惴治?可以認為:路基面支承剛度的最小值應使路基面動位移控制在合理范圍;路基面支承剛度也不是越大越好,而是存在一個技術可行又經濟合理的路基面支承剛度范圍。3.2路基面承接剛度對輪軌系統(tǒng)的影響為考察路基面支承剛度對路基與橋隧等構筑物過渡段動力性能的影響,對不同路基支承剛度過渡段輪軌系統(tǒng)的動力響應進行了計算分析,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力學仿真結果。計算表明:路基支承剛度較小(小于100MPa/m)時,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)象越嚴重,它對軌道結構及路基本身的受力和變形非常不利,同時還影響線路狀態(tài)的穩(wěn)定性;路基面支承剛度超過1000MPa/m,其對輪軌系統(tǒng)的動力影響已經非常有限了。綜合考慮工程安全性和經濟性,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基面基面動變形路基面支承剛度與路基結構及分層材料、壓實度密切相關。路基面支承剛度大小還與路基累積變形有關,一般路基面支承剛度小,在動荷載作用下產生的動變形大,累積變形也大。因此,工程設計中應對路基面最小支承剛度作出限制。理論上路基面動變形小于路基結構層材料臨界體積剪應變,則不會發(fā)生塑性累積變形。對0.4m厚級配碎石+2.3m厚AB組填料高速鐵路標準基床結構,中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所建議無砟軌道路基面動變形限值為0.22mm。時速300～350km無砟軌道高速鐵路路基面動應力約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)場實測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進行控制。4.2從一般路基面承接剛度到與橋島涵構筑物剛度匹配橋隧涵構筑物剛度較路基剛度大,為避免因剛度突變對軌道結構的不利影響,高速鐵路在路基與橋隧涵構筑物連接處設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計,可以調整線路縱向路基面支承剛度,實現(xiàn)路基與其它構筑物剛度匹配,即通過過渡段實現(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筑物連接處、與橋隧涵構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在200～500MPa/m,最大不宜超過1000MPa/m。綜合考慮工程實施性和經濟性,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對路面的承受剛性的檢測5.1無軌道試驗段路基面無果路基面支承剛度測試主要采用承載板試驗。路基面支承剛度測試值大小與加載面積的關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,實測路基面支承剛度值較小。圖11為遂渝無砟軌道試驗段不同加載板路基面支承剛度測試結果。測試表明: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,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。從測試結果還可以得出,加載板邊長大于1m后,測試結果相差不大,因此,無砟軌道路基面支承剛度測試的合理加載面積應在100×100cm2～150×150cm2?，F(xiàn)場采用150×150cm2載荷板對4種典型路基結構路基面支承剛度進行了測試,結果如表1所示。5.2填料的拉伸和變形武廣高速鐵路試驗段路基基床結構為0.4m級配碎石+2.3mAB組填料,中國鐵道科學研究院現(xiàn)場測試了CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅡ型板式無砟軌道共8個工點的路基面動應力和動變形。路基基面動應力與動變形的比值即路基面支承剛度,結果如表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獲得,但大型載荷試驗費時、費工、費錢,應研究路基面支承剛度快速檢測方法和設備。落錘式彎沉儀(FWD)是廣泛應用于檢測土工結構狀態(tài)的設備。依據(jù)使用領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)和移動彎沉儀(RWD)。針對無砟軌道的特點和列車荷載的狀態(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需要。同時也可研究大直徑落錘彎沉儀與常用大型碾壓機械設備連接裝置,以便現(xiàn)場檢測以及移動。而輕型彎沉儀可以用于日常路基結構狀態(tài)初步檢測。6無軌道線下基礎縱向剛度匹配基于列車—軌道—線下基礎耦合之計算模型和動力分析方法,針對高速鐵路無砟軌道結構設計理論,結合遂渝鐵路和武廣高速鐵路現(xiàn)場實測資料,本文提出了路面支承剛度的概念、計算方法、設計應用和檢測手段。主要結論如下:(1)路基面支承剛度是無砟軌道結構分析的重要參數(shù),也是實現(xiàn)無砟軌道線下基礎縱向剛度匹配的關鍵指標。路基面支承剛度與路基基床層狀結構各層材料及厚度有關,通過對路基層狀結構豎向剛度組合優(yōu)化設計,可以實現(xiàn)路基路基面支承剛度的控制。(2)為防止或限制基床結構累積變形,應對路基面動變形限制,即對路基面支承剛度進行控制,建議路基面支承剛度限值采