道砟膠對道床參數的影響研究

王 斌,包進榮,楊冠嶺,陳 嶸,王 平

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

隨著軌道交通的發展,列車速度已經由原來幾十公里每小時,發展到 350 km/h,高速列車從無砟軌道向有砟軌道過渡時,巨大的沖力會導致道砟的振動、道床粉化,嚴重時甚至會造成道砟飛濺。日本采用鐵絲網防止道砟飛濺,而京津城際采用了道砟膠防止道砟飛濺,鄭西客運專線也采用道砟膠增強道床穩定,延長道床的養護維修周期。此外,國內外還應用道砟膠改變道床剛度、提高道床阻力等,但并沒有具體資料可查。為進一步了解道砟膠的性能,發揮其在改善道床參數等方面的作用,有必要進行深入的試驗研究。本文通過在試驗室進行軌道實尺模型試驗,測試了噴道砟膠前后的道床縱向阻力、橫向阻力、支承剛度,并進行了對比分析。

1 道床模型設計

在試驗室鋪設實尺試驗軌道,直接鋪設在剛性承軌臺上,因此沒有路基的影響[1]。試驗所采用的道砟為一級道砟,根據我國鐵路的道床頂面寬度與坡度的對應關系正線無縫線路曲線半徑≤600 m時,道床頂面寬度為 3.5 m,邊坡坡度為 1∶1.75,本試驗采用這一標準[2]。整個模型搗固程度相同,可認為道砟具有相同的密度。此試驗按每公里鋪設1667根Ⅲ型枕計算,則 2根軌枕中心線之間的距離為 0.6 m,最外邊軌枕中心距道床擋臺 0.4 m,試驗中共鋪設 8根軌枕,按Ⅲ型枕來設計道床長度,則有 L=0.6×7+0.4×2=5 m。道床厚度為 500 mm。

道砟膠為聚氨酯樹脂粘合劑,由兩種組分化合而成,每種組分各由幾種單體經過化學反應得到。噴膠前保證道砟干燥。在枕底、軌枕間及砟肩都噴膠,噴膠量為 48 kg/m3。

2 道床縱向阻力測試方法及結果分析

2.1 道床縱向阻力測試方法

在兩根軌枕之間放設液壓千斤頂,使千斤頂的加載位置為軌枕長度方向的中間,受縱向力的軌枕的兩端側面安裝百分表,見圖1,測量軌枕的縱向位移,施加縱向力,采集百分表的讀數。其中一軌枕兩端側面的位移量平均值為軌枕的縱向位移,即百分表1與 2的位移量平均值[3]。每組測完,記錄卸載 5 min內的回彈量。

圖1 道床縱向阻力測試示意

2.2 道床縱向阻力試驗結果分析

由試驗時所加的荷載和測得的軌枕位移均值,可以得出單根軌枕的道床縱向阻力與軌枕位移的關系曲線。道床未噴道砟膠和噴膠以后,軌枕的道床縱向阻力與位移的關系曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 未噴道砟膠時道床縱向阻力

圖3 噴道砟膠后道床縱向阻力

未噴膠軌枕位移 2 mm時的道床縱向阻力為 20 kN,主要由枕底摩擦力和枕盒內石砟被動阻抗壓力產生,2 mm后軌枕滑動,位移不可逆。3組數據都是加載到極限荷載,此后力減小,位移持續增長。第一組數據比較離散,取后 2組數據最大值的平均值,可得此時道床縱向阻力為 168.2 kN,是沒有噴膠時阻力值的8.4倍,對應的位移平均值為 1.22 mm。5 min內可以恢復位移的 90.5%。噴膠后道砟與軌枕粘結,形成整體,此時的道床縱向阻力主要由枕底、軌枕兩端與道砟的粘結,以及軌枕一側道床整體的被動阻抗壓力產生。

3 道床橫向阻力測試方法及結果分析

3.1 道床橫向阻力測試方法

利用反力墻用液壓千斤頂對軌枕施加一定的橫向力作用,測定軌枕的橫向位移,從而定出道床的最大橫向力,即為道床橫向阻力。軌枕的一端安裝百分表,見圖4,測量軌枕的橫向位移,施加橫向力,采集百分表的讀數,位移量平均值為軌枕的橫向位移,即百分表1與 2的位移量平均值[4～5]。每組測完,記錄卸載 5 min內的回彈量。

圖4 道床橫向阻力測試示意

3.2 道床橫向阻力試驗結果分析

由試驗時所加的荷載和測得的軌枕位移均值,可以得出單根軌枕的道床橫向阻力與軌枕位移的關系曲線。道床未噴道砟膠和噴膠以后,軌枕的道床橫向阻力與位移的關系曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 未噴道砟膠時道床橫向阻力

圖6 噴道砟膠后道床橫向阻力

未噴膠軌枕位移 2 mm時的道床橫向阻力為 10.2 kN,由枕底摩擦力、枕側道砟摩擦力以及砟肩阻力 3部分組成產生,2 mm后軌枕滑動,位移不可逆。圖6中 4組數據都是加載到極限荷載,此后力減小,位移持續增長。道床和軌枕粘結成整體,力達到極限時,道床模型發生整體位移。加載軌枕的絕對位移與本試驗條件有直接關系,因此本試驗記錄試驗枕相對于相鄰軌枕的位移。第一組數據比較離散,取后 3組數據最大值的平均值,可得此時道床橫向阻力為 176.5 kN,是沒有噴膠時阻力值的 17.3倍,對應的相對位移平均值為 0.43 mm。卸載后 5 min內恢復位移的 90.8%。此時的道床橫向阻力主要由枕底粘結力,枕側道砟粘結力以及噴膠后砟肩阻力產生。

4 道床支承剛度測試方法及結果分析

4.1 道床支承剛度測試方法

利用橫梁作反力墻,用電動液壓千斤頂對軌枕施加一定的豎向力作用 P,測定軌枕的豎向位移 y,由公式 D=P/(2×y)可算出鋼軌支點處的道床剛度。百分表的布置如圖7所示,施加豎向力,采集百分表的讀數,位移量平均值為軌枕的豎向位移,即百分表1、2與3的位移量平均值[6]。本次試驗加到 90k N,此時枕底壓強沒有超過道砟的容許壓應力(0.5 MPa),道床的變形可視為線性。每組測完,記錄卸載 5 min內的回彈量。

圖7 道床支承剛度測試示意

4.2 道床支承剛度試驗結果分析

根據公式 D=P/(2×y),由測得的豎向力及其對應的豎向位移可以計算出道床支承剛度。道床未噴膠時和噴膠以后,支承剛度和豎向力的關系曲線分別如圖8、圖9所示 。

圖8 未噴道砟膠時道床支承剛度

圖9 噴道砟膠后道床支承剛度

未噴膠道床在豎向力的作用下反復測幾組,道砟越壓越密實,道床支承剛度也越來越大,最后穩定。支承剛度 D與豎向力 P呈線性關系,擬合線性方程為:第一組 D=175.292-0.753×P,第二組 D=282.234-0.615×P,第三組和第四組數據比較接近,共同擬合線性方程為:D=300.017-0.464×P。

噴膠后,測得的第一組數據比較離散,對二、三組數據進行擬合,可以得到此工況下的擬合線性方程:D=428.941-0.753×P。卸載 5 min內位移恢復了90.3%。

第一組與其后幾組測試結果之間離散性比較大,這是由于道砟顆粒在此荷載范圍內有一個再排列或壓實的過程所致。未噴膠道床的道砟經過再排列趨于穩定,噴膠后道砟顆粒經過壓實接近穩定的彈性狀態,只要荷載條件維持不變,兩種道床最后都呈現彈性可恢復的特性,壓力與沉降之間具有較好的線性關系。

道床支承剛度并不是一個定值,它與豎向力 P線性相關。道床穩定時,噴膠前后的支承剛度見表1。

由于基礎為剛性,且加載幾次后道砟被壓密實,道床穩定后,未噴膠時的剛度值較大,大于《鐵路軌道設計規范》中線路開通時所要求的最小值 100 kN/mm。但試驗條件相同,可以進行噴膠前后道床支承剛度變化的比較。豎向力為 140kN時,有膠道床的剛度比無膠時 88.4 kN/mm,提高了 37.6%。

表1 噴膠前后道床穩定時支承剛度比較

5 結論

(1)道砟膠可以起到增加道床縱、橫向阻力的作用。噴膠量為 48 kg/m3時,如果枕底、枕間及砟肩都噴道砟膠,道床縱向阻力可以提高 8.5倍左右,70%左右的縱向阻力是由試驗軌枕一側道床整體的被動阻抗壓力提供;橫向阻力可以提高 17.4倍左右,85%左右的橫向阻力由枕側道砟粘結力以及噴膠后砟肩阻力提供。試驗時卸載后軌枕 5min內可以恢復位移的 90%左右,而沒有噴膠的道床軌枕位移 2 mm后出現滑動,并且位移不可逆。

(2)道砟膠可以起到調整道床支承剛度的作用。試驗表明,道床支承剛度并不是一個定值,它與豎向力P線性相關。道床支承剛度的提高主要依賴于軌枕側面、端部與道砟的粘結,因此,實際應用中要提高剛度須在軌枕之間及砟肩噴膠,而不能僅在軌枕底部道砟噴膠。當豎向力為 140 kN,枕底、軌枕之間及砟肩都噴膠,噴膠量為 48 kg/m3時,支承剛度可以提高37.6%。卸載 5 min內軌枕位移可以恢復 90%左右。

(3)道砟膠組織后的道床邊坡更加穩定。道砟粘成整體,不會發生飛砟現象。噴膠后道砟僅在接觸點粘結,排水性能不受影響。

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[2] 李成輝.軌道[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

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