高速鐵路樁板結構路橋過渡段無砟軌道動力特性試驗研究

李 棟,蘇 謙,2,劉 亭,謝 康,郭源浩

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

樁板結構路基是一種由鋼筋混凝土承臺板、托梁、鉆孔灌注樁和地基土體構成的新型路基結構型式[1-2]，一般為三跨或多跨一聯，如圖1所示。列車荷載作用下，托梁將承臺板上部荷載傳遞到樁體，樁體再將荷載擴散到樁間土和樁基持力層。樁板結構樁基豎向穿透松軟土層，樁周土體對樁的側向抗力使樁板結構路基具有較大的縱橫向剛度，從而達到嚴格控制路基工后沉降的目的[3]。樁板結構適用于對基礎變形控制嚴格的深厚軟弱地基、上覆軟土巖溶地基、濕陷性黃土地基的低路堤、路塹[4-8]，橋隧間短路基過渡段，岔區路基及既有路基加固，以及新建鐵路路基斜交超淺埋地鐵段[9-11]。

圖1 樁板結構

關于樁板結構路基，詹永祥等[12]結合遂渝高鐵，對樁板結構路基進行了動力模型試驗，研究了行車荷載作用下樁板結構路基動力響應規律；蔣關魯等[13]對遂渝高鐵某跨涵樁板結構路基沉降進行了長期觀測，觀測結果表明：最終沉降量小于4 mm，滿足鋪設無砟軌道的沉降控制要求；凌秀權[14]以滬昆高速鐵路宜春段巖溶區樁板地基為工程背景，采用現場監測、理論分析和數值模擬等手段，對樁板結構地基作用機理進行了系統的研究分析。

雖然上述文獻對樁板結構路基作用機理和工后沉降控制效果做了充分研究和論證，但是針對樁板結構路橋過渡段上軌道結構在列車荷載作用下的動力響應規律卻鮮有研究。為進一步研究樁板結構路基與橋梁過渡段無砟軌道結構的動力特性，以杭長客專某樁板結構路橋過渡段為例。通過現場行車測試，研究不同行車速度下樁板結構過渡段及其相鄰橋梁上鋼軌和軌道板的振動響應情況，從而驗證樁板結構路橋過渡段設計的合理性，為樁板結構路基設計以及路基運營維修標準的制定提供指導和參考。

1 線路概況

杭長高鐵為設計速度350 km/h的雙線無砟軌道，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構形式。該線新余北站線路段表層覆蓋有11.2～32.4 m厚殘坡積粉質黏土，下伏基巖為弱風化灰巖，部分灰巖中有巖溶發育。該地區軟土地基經沉降估算分析，不滿足無砟軌道路基工后沉降的設計要求，地基應進行加固處理。同時巖溶發育地段，長期地下水侵蝕造成巖體多處空洞，也需進行加固處理。綜合考慮，在杭長高鐵深厚軟土路基和巖溶發育地段采用樁板結構。

2 行車測試

本次試驗分過渡段和橋梁兩個測試斷面，橋梁測試斷面位于橋頭，毗鄰樁板結構過渡段，測試里程為DK694+316.81～DK694+326.81，測試線路選取右線(大里程方向)。結合杭長高鐵聯調聯試，現場采用CRH3型動車組實車測試，試驗測試有效行車16列，其中行車速度在40～80 km/h 9列，平均速度62.3 km/h；行車速度在140～185 km/h 7列，平均速度165 km/h。同一列車以相同速度經過橋梁和過渡段兩測點斷面。

2.1 試驗內容

測試內容包括：輪軌力、鋼軌加速度、軌道板振動位移、軌道板振動速度和軌道板振動加速度。

2.2 試驗方法

本次試驗采用的主要測試傳感器有應變片、位移計、速度計和加速度計。于測點斷面鋼軌軌腰中和軸對稱垂直張貼應變花[15]，軌底安裝加速度計，軌道板邊緣安裝位移計、速度計和加速度計。測點斷面及傳感器布置如圖2所示。

圖2 測試傳感器布置

實測時，應變花組合按全橋方式接入橋盒，經動態應變儀接入計算機數據采集系統，再根據室內標定參數反演輪軌力；位移計、速度計和加速度計通過ICP式接口或電荷式接口接入動態應變儀后，經計算機數據采集系統采集數據。

3 測試結果分析

3.1 輪軌力

輪軌動態作用力包括輪軌橫向作用力和縱向作用力，是評價車輛對軌道動態作用性能的重要指標[16]。本文采用軌腰剪切應變法[17]測定車輛動荷載，該方法是依據軌腰剪力代數和輪載成正比的原理，經室內靜態標定結果反演輪軌力。室內靜態標定所采用的無砟軌道結構形式與現場測點處一致，均為CRTSⅡ型板式無砟軌道。

試驗列車通過兩斷面時輪軌力實測最大值如圖3所示。

圖3 輪軌垂向作用力幅值折線

由圖3可以看出，隨著行車速度增加，過渡段和橋梁測點輪軌力均呈逐漸增大的趨勢。這是因為鋼軌在制作和安裝過程中無法保證表面的絕對光滑，當鋼軌表面存在高低不平順時，列車輪對通過不平順區域會對軌面產生豎向沖擊力，且沖擊力隨列車通過速度增加而逐漸變大。TB10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》中要求輪軌垂直力通常低于基準值120 kN，不得大于最大允許值170 kN。當列車速度達到185 km/h時，過渡段測點最大豎向輪軌力為98.964 kN，橋梁測點最大豎向輪軌力為103.273 kN，均低于基準值。由于過渡段軌道結構整體剛度小于橋梁，列車經過時，過渡段上軌下結構變形更大，輪對作用于過渡段鋼軌上豎向應力相比橋梁上更小，所以相同行車速度下，過渡段測點最大輪軌豎向力略低于橋梁，但兩者差值不大，說明過渡段和橋梁段間鋼軌無明顯高低起伏現象，軌道平順性良好。

3.2 鋼軌加速度

列車運行時，在車輪動態沖擊下，整個軌道結構中，鋼軌振動最為顯著。鋼軌加速度作為軌道結構動力試驗主要測量指標之一，是鋼軌剛度對軌道結構動力響應的綜合反應，被廣泛用于評價軌道的振動特性或輪軌沖擊效應[18]。

試驗列車通過時，過渡段和橋梁測點鋼軌垂向振動加速度實測最大值如圖4所示。

圖4 鋼軌加速度幅值曲線

從圖4可以看出，鋼軌加速度值隨行車速度增加而明顯增大，大致成指數增長關系。橋梁基礎整體結構剛度大于過渡段，所以同一行車速度下，橋梁上鋼軌加速度大于過渡段，鋼軌振動更為顯著。本次試驗最高行車速度185 km/h下，橋梁測點鋼軌加速度最大值為1 370.873 m/s2，過渡段鋼軌加速度最大值為1 013.565 m/s2。

對圖4中數據進行擬合，得出過渡段和橋梁上鋼軌加速度a(m/s2)與行車速度v(km/h)之間關系分別如式(1)和式(2)所示

a=363.6e0.005 3v

(1)

a=473.82e0.005 6v

(2)

由式(1)和式(2)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上鋼軌加速度最大值約為2 324 m/s2，橋梁上約為3 360 m/s2，兩者均低于規范中5 000 m/s2最大允許值。

3.3 軌道板豎向動態響應

列車通過時，軌道板豎向動態響應指標主要包括豎向動位移、振動速度和振動加速度。

3.3.1 動位移

振動位移是無砟軌道結構動力特性分析的重要參數之一，其反映了列車荷載對軌道板動態作用強弱程度[19]。當列車以速度175 km/h通過過渡段和橋梁兩測點斷面時，軌道板動位移時程曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，過渡段和橋梁軌道板動位移變化趨勢相同，均呈“W”形分布。“W”形曲線中4個峰值點為動車組緊鄰轉向架4個輪對經過測點斷面時軌道板振動位移。過渡段軌道板最大振動位移約為0.29 mm，橋梁軌道板最大振動位移為0.14 mm。

不同行車速度下，軌道板動位移最大值變化趨勢如圖6所示。

圖6 軌道板動位移幅值線

從圖6可見，軌道板動位移與行車速度大致成正比例增長關系。隨著行車速度增加，過渡段與橋梁軌道板振動位移差值逐漸增大。當行車速度達到185 km/h時，過渡段上軌道板動位移最大值為0.309 6 mm，橋梁上為0.141 7 mm。

對圖6中數據進行擬合，得出過渡段和橋梁上軌道板動位移s(mm)與行車速度v(km/h)之間關系分別如式(3)和式(4)所示

s=0.001 4v-0.000 2

(3)

s=0.000 6v+0.029 6

(4)

由式(3)和式(4)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上軌道板動位移最大值約為0.498 mm，橋梁上約為0.239 mm。過渡段和橋梁軌道板振動位移均滿足驗收規范中不大于0.5 mm的要求，但過渡段軌道板振動最大位移接近規范容許最大值，需進行長期監測研究。

3.3.2 振動速度、振動加速度

振動速度和振動加速度是判斷振動強弱程度及評價外界激勵對結構振動沖擊力大小的重要指標，也是分析無砟軌道路基動力穩定性的主要參數[20]。

當列車以速度175 km/h通過過渡段和橋梁兩測點斷面時，軌道板振動加速度時程曲線如圖7所示。軌道板振動加速度時程曲線中峰值為動車組轉向架通過測點斷面時周期性激振下動力響應結果。轉向架單個輪對作用于測點時，軌道板振動加速度特征不明顯，峰值為轉向架前后輪對疊加而成。

圖7 軌道板振動加速度時程曲線

從圖7可以得知，列車以速度175 km/h通過兩測點斷面時，過渡段軌道板振動加速度幅值范圍為1.024～1.985 m/s2，均值為1.549 m/s2；橋梁段軌道板振動加速度幅值范圍為2.169～3.092 m/s2，均值為2.576 m/s2。同一行車速度下，過渡段和橋梁軌道板振動加速度差異小，說明過渡段和橋梁間軌道結構剛度變化無突變現象。軌道板振動速度和振動加速度最大值與行車速度關系如圖8和圖9所示。

圖8 軌道板振動速度幅值曲線

圖9 軌道板振動加速度幅值曲線

從圖8和圖9可知，軌道板振動速度和振動加速度均隨行車速度的增加而呈非線性增加，大致成指數關系。隨著行車速度增加，橋梁段軌道板振動速度增幅比過渡段更為顯著，加速度增幅無明顯差異。行車速度為185 km/h時，實測過渡段上軌道板最大振動速度為6.04 mm/s，最大振動加速度為1.649 m/s2；橋梁上軌道板最大振動速度為12.87 mm/s，最大振動加速度為2.202 m/s2。

對圖9中數據進行擬合，得出過渡段和橋梁上軌道板加速度a(m/s2)與行車速度v(km/h)之間關系分別如式(5)和式(6)所示

a=0.178 8e0.011 4v

(5)

a=0.225 8e0.011 7v

(6)

由式(5)和式(6)預測，當行車速度達到350 km/h時，過渡段上軌道板振動加速度幅值約為17.89 m/s2，橋梁上約為47.05 m/s2，兩者均滿足驗收規范要求。

4 結論

(1)輪軌力和鋼軌加速度值均隨行車速度增加而增加。鋼軌加速度與行車速度大致成指數增長關系，且在過渡段和橋梁上增長趨勢無明顯差異，這表明過渡段與橋梁間鋼軌平順性良好。

(2)軌道板振動豎向位移與行車速度大致成線性增長關系，過渡段與橋梁間軌道板豎向振動位移差值在高速下更為明顯。根據數據擬合結果，高速下過渡段軌道板豎向振動位移是否滿足驗收規范要求需進行長期觀測研究。

(3)軌道板振動速度和振動加速度與行車速度大致成指數增長關系。隨行車速度增加，軌道板振動速度在橋梁上增加更為顯著，振動加速度在過渡段和橋梁上增長趨勢無明顯差異。

(4)根據現場行車測試數據擬合結果，預測行車速度達到350 km/h時，過渡段上鋼軌振動加速度約為2 324 m/s2，軌道板豎向振動位移約為0.498 mm，軌道板振動加速度約為17.89 m/s2；橋梁上鋼軌振動加速度約為3 360 m/s2，軌道板豎向振動位移約為0.239 mm，軌道板振動加速度約為47.05 m/s2。過渡段軌道結構振動響應情況滿足驗收規范要求。