（道路与铁道工程专业论文）土质路基无碴轨道基床动态特性的模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 伴随着我国普通铁路的提速、以及近年来高速铁路的迅猛发展和建设势头， 铁路的路况条件和各类行车条件对提高行车的安全性和舒适度就变得越来越重 要。无碴轨道结构因其高平顺性和少维修甚至免维修以及综合经济效益高等优 点，在国外高速铁路上获得了广泛应用。 由于我国的高速铁路建设刚刚起步，可供参考的资料和经验很少，而土质 路基无碴轨道路基基床设计参数更是处于空白状态。基于以上原因，开展客运 专线土质路基无碴轨道路基基床设计关键技术研究显得十分迫切和重要。本论 文结合遂渝铁路客运专线工程实践，设计了以级配碎石为基床表层，以a 、b 组填料为基床底层的室内大比例基床模型试验。本次模型试验共分三组：第一 组为0 4 m 基床表层+ 1 8 m 基床底层；第二组为0 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层： 第三组为0 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层降雨后试验。基床表层填料性质为级 配碎石，基床底层填料性质为a 、b 组填料，所有填料均取自遂渝线无碴轨道 综合试验段工地现场。在文章当中详细介绍了建模过程和试验条件及数据的处 理。分析了在列车动荷载作用下，基床的动应力、动变形、加速度的变化规律 及累计沉降规律，获得了有关无碴轨道基床动力特性的数据资料。通过研究土 质路基无碴轨道基床的动态特性，为进一步改进基床结构设计提供依据。 关键词：土质路基；无碴轨道；基床；动态特性；模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s tr a c t f o l l o w e do u r c o u n t r yo r d i n a r yt r a i ns p e e di sr a i s i n gi nt h er e c e n ty e a r s ，a sw e l la s t h ef o r w a r dd e v e l o p m e n ta n dt h ec o n s t r u c t i o nt e n d e n c yo fh i g h s p e e dr a i l r o a d t h e r o a dc o n d i t i o n sa n dt h ed r i v i n gc o n d i t i o n sw e r ec h a n g i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t oe n h a n c et h ed r i v i n gs e c u r i t ya n dt h ec o m f o r t u n b a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eh a s o b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no nt h eo v e r s e a sh i g h s p e e dr a i l r o a dc o n s t r u c t i o n b e c a u s eo fi t sf l a t n e s sa n dt h ef e ws e r v i c e sa sw e l la st h eh i l 曲c o m p r e h e n s i v e e c o n o m i ce f f i c i e n c y b e c a u s et h eh i 曲- s p e e dr a i l r o a dc o n s t r u c t i o nj u s ts t a r t e di no u rc o u n t r y ，t h e r e f e r e n c em a t e r i a la n dt h ed e s i g ne x p e r i e n c ea r ev e r yf e w ，m o r e o v e rt h ed e s i g n i n go f t h es o i ls u b g r a d eb e do nt h et m b a l l a s t e dt r a c kc o n s t r u c t i o ni sa tt h eb l a n kc o n d i t i o n b a s e do nt h ea b o v er e a s o n ，t h ee s s e n t i a le n g i n e e r i n gr e s e a r c ho nt h ed e s i g n i n go ft h e s o i ls u b g r a d eb e ds e e m e dt ob ee x t r e m e l yu r g e n ta n di m p o r t a n t t h ei n d o o rg r e a t p r o p o r t i o ns u b g r a d eb e dm o d e lt e s tw a sd o n ei nt h i sa r t i c l eb a s e do n t h ec o n s t r u c t i o n p r a c t i c eo fu n b a l l a s t e dt r a c ko ns o i ls u b g r a d eo fs u i - y ur a i l w a yl i n e t h ef i l l e ro f t h es u r f a c el a y e ro fs u b g r a d eb e di sg r a d e db r o k e ns t o n ea n dt h eb o t t o ml a y e ro f s u b g r a d eb e di sa 、bg r o u pf i l l i n g t h i sm o d e lt e s ta l t o g e t h e ri sd i v i d e dt h r e eg r o u p s ： t h et h i c k n e s so fs u r f a c el a y e ri s0 4m e t e ra n dt h et h i c k n e s so fb o t t o ml a y e ri s1 8 m e t e ri nt h ef i r s tg r o u p ；t h et h i c k n e s so fs u r f a c el a y e ri s0 3m e t e ra n dt h et h i c k n e s s o fb o t t o ml a y e ri s1 8m e t e ri nt h es e c o n dg r o u p ；t h et h i r dg r o u pi sr a i nt e s t t h e f i l l e ro ft h es u r f a c el a y e ro fs u b g r a d eb e di sg r a d e db r o k e ns t o n ea n dt h eb o t t o m l a y e ro fs u b g r a d eb e di sa 、bg r o u pf i l l i n g ，a l lt h ep a d d i n gh a v eb e e nt a k e nf r o mt h e s u i - y ur a i l w a yl i n ee x p e r i m e n ts e c t i o nw o r ks i t e t h em o d e l l i n gp r o c e s sa n dt e s t c o n d i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n a l y z e dt h ec h a n g i n gr u l e o ft h ed y n a m i cs t r e s s ，d e f o r m a t i o n ，a c c e l e r a t i o na n dp r o g r e s s i v es e t t l e m e n ti nt h e s u b g r a d eb e d u n d e rt h et r a i nd y n a m i cl o a df u n c t i o n o b t a i n e dt h ed a t ao ft h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs o i ls u b g r a d e sb e df o ru n b a l l a s t e dt r a c k , w h i c hw i l l p r o v i d et h eb a s i sf o rf u r t h e ri m p r o v i n gs u b g r a d e sb e dd e s i g n k e y w o r d s ：s o i ls u b g r a d e ：u n b a u a s t e dt r a c k ：s u b g r a d eb e d ：d y n a m i cp e r f o r m a n c e ： m o d e lt e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 伴随着我国普通铁路的提速、以及近年来高速铁路的迅猛发展和建设势头， 铁路的路况条件和各类行车条件对提高行车的安全住和舒适度就变得越来越重 要。普通铁路路基基床设计通常把动荷载简化为静荷载处理，但高速铁路的路 基基床设计不能简单地把动荷载做为静荷载处理，必须进行动态分析，通过分 析列车动荷载的作用在基床中的响应特性，来指导确定合理的基床结构( 二层 系统或多层系统) 及填料标准。 土质路基由于其取材便利、旌工简单等经济性及养护的简便性等因素作为 铁路线路结构被广泛采用。传统上，土质路基上铺设的轨道结构一般采用( 钢 轨、枕木、道碴等) 有碴轨道，这种方法具有易铺设，成本低的优点；有碴轨 道被广泛采用的另一个重要原因也是由于过去能确保十分优秀的养护劳动力。 对于无碴轨道，由于没把轨道养护作为前提条件，到目前为止，一直未能大规 模地应用于有可能产生较大沉降的土质路基。随着经济的发展，要确保这样的 优秀的养护劳动力变得越来越困难，加上列车速度和行车密度增大，导致养护 也变得很困难，这样，有碴轨道的优势渐渐减少。于是，把在高架桥和隧道等 被广泛使用的无碴轨道引入土质路基的尝试，在德国、日本等国家变得非常的 活跃，并取得了许多的经验和成果。 基床尤其是基床表层承受的荷载是列车长期重复作用的动应力，在它的作 用下，基床的破坏产生过大的变形不是短期发生的，而是长期发展的结果。理 论分析和试验表明：土体中存在着一个临界动应力，如果外应力小于这个值， 土的塑性应变会趋于稳定；否则，土的塑性应变就会累计、发展直到土体破坏。 临界动应力与土的种类、含水量、密实度、围压以及荷载作用的频率有关。对 子高速铁路基床表层来说，围压对应于土的埋深，频率对应于车速。临界动应 力随围压的增加而增加，随频率的增加而减少。这说明随线路速度的提高，路 基病害迅速增加；基床表层l 晦界动应力小，更容易破坏。尽管荷载的动应力满 足静强度，但小应力的多次重复作用可能导致动强度不足而破坏，或者发生过 大的累计变形。因此随着列车速度的提高，必需考虑列车的动力问题。通过测 试其动应力、动变形、加速度、累计变形等动力学特性，可以获取有关无碴轨 道基床动力学特性的数据资料，分析动应力的传递规律、基床累积变形增长的 规律等，确定基床结构是否满足高速列车长期运行所需要的动力耐久性，评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无碴轨道结构动力性能和适应性、基床动力学、累计变形特性及结构的合理性， 为进一步改进基床结构设计提供依据。 路基刚度的大小关系到高速列车的运营质量及高速铁路的修建、运营费用 等，直接影响到路基的设计标准、施工要求及线路养护维修标准。根据已有的 研究资料表明，路基刚度过大或过小都不利于高速行车及各部件的使用寿命。 路基刚度小，则基床的抗变形能力减小，容易引发不均匀沉降，形成轨道的不 平顺，从而影响高速行车的平稳和安全。路基刚度过大，则造成路基轨道车辆 系统振动加剧，加速轨道和车辆的磨损，并影响行车安全及乘车舒适度等。德 国所进行的现场试验表明合理的轨下基础刚度将能减小动轮载力。z i c h a 研究认 为线路下部结构包括路基的刚度对动轮载影响很大，合理的刚度是减小动轮载 的主要途径。因此，路基各部分刚度的合理匹配对提高路基的设计标准具有重 要意义。 无碴轨道与有碴轨道相比，具有稳定性好、轨道几何尺寸保持持久、维修 量少、耐久性好、乘坐舒适等优点，在国外高速铁路上获得了广泛的应用。由 于我国的高速铁路建设刚刚起步，可供参考的资料和经验很少，而土质路基无 碴轨道路基基床设计参数更是处于空白状态。基于以上原因，开展客运专线土 质路基无碴轨道路基基床设计关键技术研究显得十分迫切和重要。 1 2 国外无碴轨道研究及应用 1 2 1 日本试验研究及应用情况 日本从1 9 6 5 年开始研究板式无碴轨道结构，经过1 0 余年的工程试验研究 及运营检验，在7 0 年代正式定型并开始大规模推广应用，成段铺设。至8 0 年 代，相继铺设在山阳、上越、东北等新干线上的板式无碴轨道，总计达1 9 0 0 k i n 。 日本定型的板式无碴轨道，有适用于隧道和高架桥上的a 型板式无碴轨道、适 用于土质路基上的r a 型板式无碴轨道及防振g 型板式无碴轨道等，构成了适 用于不同使用范围的板式无碴轨道系列。 日本最初使用的板式无碴轨道的轨道板为钢筋混凝土结构，后来为应用于 东北、上越等新干线的寒冷地区，又研制出了双向预应力钢筋混凝土结构的轨 道板，以防止混凝土裂纹的产生与扩展。在8 0 年代，日本为解决新干线通过市 区时的噪声问题，又研制出了简称为“低噪声弹性枕结构”的轨道板。这种用 于日本新干线高架桥区段的新型混凝土板式轨道结构，由宽轨枕、人造橡胶网 状弹性体、填充混凝土及钢筋混凝土基础板组成。测试数据表明，该结构的噪 声较有碴轨道还低l d b 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 日本板式无碴轨道的开发应用是从桥隧上开始的。为了减小梁体徐变上拱 对无碴轨道状态的影响，日本高架桥结构多采用短跨度( 8 1 2 m ) 的连续刚构， 预应力张拉完毕至桥上无碴轨道底座的铺设时间间隔在o 5 年以上，对墩台的工 后沉降也提出了严格要求。 日本板式轨道结构在土路基上的发展经历了3 0 多年的发展历程，期闻开展 了大量的室内外试验研究工作。1 9 6 8 年提出r a 型板式轨道结构型式( 见图1 - 1 ) ， 并在铁道技术研究所进行性能试验。1 9 7 1 年在东海道本线( 平琢一大矶区间) 1 0 0 m 的营业线上进行初次试铺，1 9 7 4 年在东海道新干线含慧桥站内共铺设2 3 公里，共有1 4 处作为现场试铺。由于在一些试铺地段使用1 年后下沉，轨道版 陷入铺装层。基于这样的试验结果，为了满足新干线更严格的维修标准，从其 结构的可靠性和耐久性出发，有必要进行更深入的研究。因此在山阳和东北新 干线上未被采用。在这一阶段，日本所尝试的在土质路基上铺设无碴轨道，都 处于试验性研究阶段，而且铺设的长度非常短，处于资料的积累阶段。 图1 - 1r a 型板式轨道结构图 1 9 8 9 年，日本铁道综合技术研究所在日野土木试验所的路堑区间铺设深 1 2 m 的路基，其上铺设试验轨道，由静、动态加载试验确认其结构性能。为了 判断结构能否用于北陆新干线，选定在高崎连续路堤、路堑的坚山工区铺设试 验段，并于1 9 9 1 年1 2 月完成路堤施工，放置2 个月后灌注长6 0 m 、宽3 2 m 、 厚0 3 m 的混凝土底座，路堤施工结束3 个月后铺设a 型板式轨道( 见图1 2 ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 相继进行大规模的现场静载、动载综合试验。试验设定的路基最大沉降限值为 3 0 m m ，在模拟通过运量4 5 0 0 万吨的疲劳试验后，路基的残余变形为6 2 r a m ， 达到了预期目标。由于上述试验结果达到了预期的目的，1 9 9 3 年日本铁道建设 公团决定正式在北陆新干线土质路基上采用板式轨道结构。在全线共铺设了长 达1 0 8 k m 的土质路基无碴轨道结构。 、。，毽鹾鸯 图1 - 2 a 型板式轨道结构图 1 2 2 德国试验研究及应用情况 德国无碴轨道的发展也较早。1 9 5 9 年在希埃里坦隧道和汉斯坦堡隧道分别 铺设了板式无碴轨道，1 9 6 7 年在福赫海姆至班堡线上铺设了三种板式无碴轨道 试验段。经过年运量1 5 m t 的三年运营之后( v = 2 0 0 k m h ) ，轨道振动位移小于 0 6 m m ( 平均值) ，路基面动应力约为3 9 2 k p a 。铺设成本虽较传统有碴轨道高 5 0 6 0 ，但维修费用可节省5 0 以上。 但作为德国无碴轨道代表的是在1 9 7 2 年试铺在r h e d a 站( 见图1 3 ) 的枕 式无碴轨道( 或长枕埋人式无碴轨道) ，这种无破轨道除调整钢轨扣件作业外， 几乎没有其他作业，维修上作量很少，经过不断改进和完善，现已定为标准型 无碴轨道。图1 - 4 所示为r h e d a 传统型无碴轨道。2 0 0 0 年又推出了r h e d a 2 0 0 0 无槽型短枕式无碴轨道，如图1 5 所示。9 0 年代以来，在2 5 0 k m h 以上的新 建线路上全面推广应用无碴轨道结构得到了更多的肯定，至目前已铺设了近 4 3 0 k m 的无碴轨道( 双线) ，主要铺设的高速线路包括：柏林一汉诺威、科隆一 法兰克福、纽伦堡一荚戈城( i n g o l s t a d t ) 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 锕 图1 3 德国r h e d a 车站无碴轨道横断面图 孰诸表屡 f 轨i 趋底鹾 2 c l 【” 一 图1 4r h e d a 普通型无碴轨道结构 辅道斑聪 r 2 3 ( j d 3 2 ( x 1 3 s o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 与其它国家不同的是，德国铁路首先在车站内试铺无碴轨道，接着解决了 土质路基铺设无碴轨道的技术问题。然后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全 区间铺设无碴轨道创造了有利条件。全区间无碴轨道的应用，为保持轨道结构 的动静平顺性，提高列车运行的平稳性和乘坐的舒适性等创造了十分有利条件。 德国针对不同结构物( 土质路基和桥隧结构) 上的无碴轨道结构，对线路下部 结构及上部轨道结构的设计施工技术均有明确要求。 1 2 3 其他国家和地区试验研究及应用情况 意大利预制构件公司( i p a ) 于1 9 8 3 年对传统板式无碴轨道结构进行了部 分修改和发展，铺设于罗马至佛罗伦萨区段。轨道板为双向预应力混凝土结构， 板的两端各有一个半圆柱，以插进混凝土基础的预留孔中，这一点有别于日本 的凸型挡台结构。意大利板式无碴轨道最显著的特点是较好地解决了传统板式 无碴轨道的弹性差和振动噪声大等问题。方法是除分别在刚轨下铁垫板上下各 设一块橡胶垫板外，在轨道板与混凝土基础之间增设了沥青水泥砂浆与聚氨酯 泡沫材料组成的混合物垫层，收至n 了减振降噪的良好效果，推动了板式无碴轨 道技术的进步发展和完善。 英国开发的p a c t 型无碴轨道是一种连续的混凝土刚性道床，钢轨直接与 混凝土道床相联接，钢轨底与混凝土道床之间设置有一条带状的连续橡胶垫板， 为轨道提供必要的弹性。混凝土道床与基础混凝土之间采用刚性联结，与我国 采用的整体灌筑式整体道床相类似。p a c t 型无碴轨道可以适应货物列车最大轴 重2 2 5 t 、旅客列车最高速度2 0 0 k m h 的运营条件，可在隧道内和路基上应用， 并有一套成熟的高效施工铺设技术。由于p a c t 型无碴轨道的混凝土道床与混 凝土基础之间是刚性连结的，要求地基必须坚实、不变形，混凝土道床与基础 结构一旦破损，修复将十分困难。 瑞士于1 9 6 6 年开始研制弹性支承块式无碴轨道( 见图1 5 ) ，弹性支承块式 无碴轨道又称低振动轨道( l 、，t ) ，由双块式混凝土轨枕( 或钢枕) 、弹性钢轨 扣件及轨下弹性垫板、轨枕底及侧面橡胶靴套及混凝土道床组成。瑞士铁路于 1 9 6 6 年在隧道内第一个试铺，随后，在丹麦、葡萄牙、法国、比利时、委内瑞 拉、英国、美国等铁路均得到了发展和应用。由于该型轨道结构在刚轨下、轨 枕底及四周均设置有橡胶垫层，因而具有优越的减振性能，在需要特殊减振的 区段，如城市轻轨、地铁中得到了广泛应用。设计速度2 0 0 k m h 的英吉利海峡 隧道也采用了这种轨道结构，但目前尚无用于高速铁路上的实例。且弹性支承 块式无碴轨道能否用于桥跨和路基上，目前还处于研究当中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 5 瑞士弹性支撑块式无碴轨道 法国高速铁路以有碴轨道结构为主，但后来发现早期建造的东南线、大西 洋线，道碴粉化严重，使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大 大增加，甚至影响正常的运营，结果使用1 0 年不得不全面大修，更换道碴。与 此同时，法国开始认识到无碴轨道的优越性，开始了无碴轨道的研究和试验。 在t g v 地中海线的一座长7 8 k m 的隧道内试铺过双块式无碴轨道结构( v s b ) 。 韩国高速铁路汉城一釜山线以有碴轨道为主，在部分7 k m 以上的隧道内试 铺过德国的r h e d a 型无碴轨道。 台湾地区高速铁路台北一高雄线以无碴轨道为主，区间采用日本板式无碴 轨道，站内及两端3 0 0 m 区段采用德国r h e d a 2 0 0 0 型无碴轨道。 纵观世界各国板式无碴轨道技术的发展，已从最原始的初级型式不断派生 出各种升级换代产品，并朝着多元化系列化方向发展，以适应不同情况及需要。 为满足高速行车条件的要求，板式无碴轨道技术通过采用各种新工艺、新材料、 新结构，克服了初期许多刚性无碴轨道结构的弱点，在减振、降噪、提高抗裂 能力、改善轨道弹性、以及具有可修复性等方面都有突破，日臻完善，使板式 无碴轨道已成为轨道结构的重要结构型式之一。特别是日、德等国，经过长期 不断的试验研究和工程试铺及运营检验，已基本掌握了在土质路基上铺设无碴 轨道的成套技术，并提出了相应的路基技术标准及要求，为无碴轨道的大规模 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 全区间成段铺设创造了有利条件。 1 3 我国无碴轨道研究及应用 1 3 1 八十年代以前试验研究及应用情况 自1 9 5 8 年开始，我国铁路研究设计了多种型式的混凝土整体道床，分别在 土质路基、石质路堑和隧道内试铺。至1 9 6 4 年，共铺设了3 5 处共8 k m 长的整 体道床，这是以整体道床取代传统碎石道床的可行性研究阶段。自1 9 6 5 年以后 的2 0 年( 至1 9 8 5 年) ，由于西南等山区铁路的兴建，长大隧道数量较多，为了 减小隧道内线路的维修工作量，混凝土整体道床得到了推广应用。截止1 9 8 6 年 底的统计，全路铺设整体道床的隧道共计1 4 2 座，累计长度达2 9 7 k m 。大部分 应用于新长大隧道内。在既有线隧道碎石道床改造中，也有部分隧道采用了整 体道床的结构型式。此外，在货物装卸站、客车技术作业站等站场，由于要求 线路外观整洁、易于回收粮食、矿粉等撤落物和清洗杂物、毒品等，也大量铺 设了整体道床。 我国早期整体道床的结构型式主要有三种：短木枕式、支承块式和整体灌 注式。其中，支承块式整体道床应用最多，并于1 9 8 4 年编制了适用于隧道各类 围岩铺设条件的支承块式整体道床通用设计标准图。 我国早期在桥梁上铺设的无碴轨道型式是一种无碴无枕结构，通过扣件直 接使钢轨与混凝土桥面联结成一体。其中，纵向承轨台的混凝土是采用二次灌 注完成的。为此，预制梁时，梁面相应部位需要预留连接钢筋和用以固定扣件 螺栓的预留孔槽，这些要求都增加了制梁工序的繁琐性，相对尺寸也不易控制。 此外，由于预应力梁体结构不可避免的徐变上拱度，在设计中采用设是适当的 反拱度，以抵消部分的上拱，其适应性未得到全面掌握。这种无碴无枕轨道结 构曾在沈阳一山海关铁路巨流河桥的两孔3 1 7 m 箱型梁上试铺过，9 0 年代初， 九江长江铁路大桥的混凝土引桥上也采用了该型无碴无枕轨道结构。 7 0 8 0 年代，我国曾试铺过沥青整体道床。由沥青混凝土铺装层与宽轨枕 组成的整体道床，以及由沥青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺过， 总长约l o l a n 。 1 3 2 九十年代以后试验研究及应用情况 近十年来，为了适应高速铁路和客运专线高架桥结构和隧道内铺设无碴轨 道的需要，我国对新型无碴轨道的试验研究及工程应用得到了前所未有的重视， 特别是在“八五”、“九五”、秦沈客运专线等科技发展项目的有力推动下，在无 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 碴轨道结构的理论和实践方面均取得了长足的进步，提出了高速铁路无碴轨道 结构的选型原则及适用于桥隧结构上的三种无碴轨道型式( 长枕埋入式、板式 和弹性支承块式) 及其设计参数，完成了对三种无碴轨道结构型式的初步设计、 室内足尺模型试验及各项性能测试，提出了高架桥上无碴轨道的施工方案，提 出了高速铁路无碴轨道桥梁徐交上拱的限值与控制措施，并在秦沈客运专线的 三座特大桥上和渝怀、赣龙铁路的两座隧道内进行了试铺和动力学特性测试及 长期性能观察，编制了相应的桥上、隧道内无碴轨道的设计和施工技术准则。 由此可见，我国在桥隧上无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技 术条件等方面已有较系统的试验研究基础和工程应用经验，正在逐步走向成熟。 而在土质路基上铺设无碴轨道的研究尚处于收集资料的起步阶段，相关技术标 准，尤其是路基技术条件的研究还未开展实质性的试验研究工作，有很长的路 要走。 1 4 本文主要研究内容 本文是铁道部科技研究开发计划项目遂渝线无碴轨道线下工程关键技术试验 研究客运专线无碴轨道路基关键技术研究( 2 0 0 5 k 0 0 4 c ( g ) ) 。在该课题的 资助及导师的指导下，主要开展了以下工作： ( 1 ) 国内外无碴轨道的研究及应用情况调研； ( 2 ) 土质路基无碴轨道基床动态模型试验的设计与实现： ( 3 ) 试验结果整理与分析： ( 4 ) 对模型试验效果的评价。 具体内容安排如下： 第一章：绪论，重点介绍了国内外无碴轨道的发展过程及研究现状。并简 要介绍了本文主要研究内容。 第二章：介绍了基床动态模型试验的设计与实现。 第三章：对模型试验结果数据进行了分析。 结论部分归纳了本论文的主要研究成果，并对以后的研究工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章基床动态模型试验的设计与实现 2 1 基床结构特点 铁路路基基床一般是由基床表层和基床底层组成的两层结构。对于无碴轨 道来讲，对其基床的填筑材料、压实标准、变形控制、检测标准等有更为严格 的要求。一般可视不同线路的具体情况，将基床设计成强化了的基床结构，尤 其是基床表层，可再分成两层或多层结构，每层使用不同的材料和结构。 2 1 1 基床的作用 基床是铁路路基最重要的关键部位，其作用主要有三个方面： ( 1 ) 强度：应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏；在 路基填筑阶段能承受重型施工车辆走行而不会形成凹型痕迹。 ( 2 ) 刚度：在列车荷载的重复作用下，塑性累积变形很小，避免形成过大 的不均匀沉降而造成轨道的不平顺，增加养护维修的困难：在列车高速行驶时， 基床的弹性变形应满足高速走行的安全性和舒适性要求，同时还要保障上部结 构的稳固。 ( 3 ) 排水防渗：必须具备良好的排水性，以防止雨水浸入造成路基士软化， 在可能发生冻害的地区，还有防冻等特殊作用。 2 1 2 基床表层的作用 基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，又常被称作路基的承载层或持 力层，是轨道结构的直接基础，因此基床表层的设计是路基设计中最重要的部 分。实践也表明，基床表层的优劣对轨道变形影响很大，不良基床表层引起的 轨道变形是良好基床表层的几倍，甚至更大。因此需要对基床表层的厚度、填 料、结构及压实标准等多方面进行精心设计。总体来讲，基床表层的作用大致 有以下几个方面： ( 1 ) 增加线路强度，使路基更加坚固和稳定，并具有一定的刚度，使列车 通过时的弹性变形控制在一定的范围内。 ( 2 ) 扩散作用到基床底层顶面上的动应力，使其不超出基床底层填料的临 界动应力。 ( 3 ) 防止雨水浸入造成路基土软化，并保证基床表面不被雨水冲刷。 ( 4 ) 防冻等。 2 1 3 基床填料的选择 基床表层填料一般可使用级配碎石、级配砂砾石等，其级配及压实标准要 满足相应规范所规定的要求。基床底层的填料一般可使用a 、b 组填料或改良 土等，同样其填料性质和压实标准要满足相应规范所规定的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 试验模型设计 2 2 1 测试目的 在高速列车运行过程中，基床动态响应( 动应力、动变形、加速度等) 的 大小及过程如何，直接影响着高速铁路路基的设计、使用和养护维修等问题。 结合遂渝线无碴轨道综合试验段现场实际，本文设计了以级配碎石为基床表层， 层合理刚度的匹配等，确定基床结构是否满足高速列车长期运行所需要的动力 稳定性，为进一步改进基床结构设计提供依据。 2 2 2 测试内容 为了分析和评价高速铁路无碴轨道基床的动态特性及合理刚度，本次模型 试验共分三组：第一组为0 4 m 基床表层+ 1 8 m 基床底层；第二组为0 3 m 基床 表层+ 1 9 m 基床底层；第三组为o 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层降雨后试验。 基床表层填料性质为级配碎石；基床底层填料性质为a 、b 组填料( 岩石风化层， 属碎石类土、所有填料均取自遂渝线无碴轨道综合试验段工地现场。由于受室内 场地空间的限制，基床的厚度取为2 2 m ，并在三组试验当中保持不变。 主要测试在列车往复作用下的动力特性。主要测试内容如下： ( 1 ) 基床的动应力、动位移、加速度、累积沉降： ( 2 ) 基床坡面的垂向位移、横向位移。 2 2 3 模型制作 ( 1 ) 模型尺寸： 表2 - 1 模型主要部分尺寸 混凝基础板的尺寸( m m )基床尺寸( m m ) 宽度1 6 0 0顶面宽度 2 6 0 0 厚度 2 0 0厚度2 2 0 0 纵向长度 1 1 2 0纵向长度1 1 2 0 边坡角度1 ：1 5 ( 2 ) 边界条件的模拟：线路纵向可按平面应变问题考虑，采用钢板挡墙来 模拟其边界条件。 ( 3 ) 模型土的分层厚度及压实标准控制：基床填土采用现场原型土，填土 按工地现场施工过程的要求配制和制作( 通过击实试验按最佳含水量来控制配 土) ，试验中制备土样要求控制相对密度，保证试样内部的均匀性。其压实度要 符合要求，并在压实过程中每层都要进行相关的指标测定，以达到物理指标的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 要求。基床表层及底层的填筑分层厚度取为1 0 l ，通过折算成压实后的湿密度 和每层的高度来控制。取压实后的天然密度( 湿密度) p ；k 肪一( 1 + w 品) ，w 0 为对应时的最佳含水量，k 为压实系数。根据每层的填筑高度( h = l o c m ) 及模 型尺寸，可求出填筑的体积v = s h ，从而求出每层的填筑质量m = pv 。实际填筑 时，称取配制好的土样质量为m ，压实到该层的高度h 。 图2 - 1 模型填土横断面示意图 ( 4 ) 填筑质量控制： 压实系数 k 一旦其中p 。一j ，_ n 。 。1 + 砌现场压实后的干密度； n 一一击实试验所得最大干密度； p 现场压实后的天然密度( 湿密度) ； 现场压实后的含水量； 其中p 可用灌砂法或灌水法测得，可用烘干法测得。最后求得的压实系 数k 值应不小于表2 2 和表2 3 所规定的压实标准。通过本试验测得a 、b 组填料压实后的干密度为2 3 4 9 c m 3 ，压实系数大于o 9 6 ，孔隙率小于1 5 。级配碎石压实后的干密度为2 3 0 9 c m 3 ，压实系数大于o 9 7 ，孔隙率小 于1 5 。满足填料的压实标准。 现场压实后的孔隙率 n 1 一盟 e 矶现场压实后的干密度； g ，土粒比重，通过比重实验测得； 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 最后求得的孔隙率n 值应不小于表2 - 2 和表2 - 3 所规定的压实标准。 k 和n 的关系：髟几一= 儿一g ( 1 - n ) 。 表2 2 级配碎石基床表层的压实标准 压实标准 填料厚度( m )备注 孔隙率n 级配碎石 o 3 1 8 路堤 级配碎石 0 7 1 8 表2 - 3 基床底层的压实标准 砂类土及细碎石类及 填料厚度( m )压实标准改良细粒土 砾土 租砾土 a 、b 组填 2 3 压实系数k 0 9 5 料及改良土 孔隙率n 2 8 2 8 注：压实系数k 为重型击实标准 所需参数及实验方法： 表2 4 所需参数及实验方法 填料类型需要测的物理参数指标实验方法 重型击实实验 p d n 龇 级配碎石及a b 组填料 p 灌砂法或灌水法 c o 烘干法 g ， 比重实验 ( 5 ) 混凝土基础及钢轨的模型设计：为简化设计，在满足测试要求的前提 下，可将c a 砂浆和轨道板一并折算到混凝t ( c 4 0 ) 基础里。混凝土基础采用整 体现场浇筑，再浇筑过程中预先埋设固定钢轨的螺栓。待混凝土养护成型后， 在混凝土基础上铺设橡胶垫，通过螺栓用扣件把钢轨( 8 k g m ) 固定在混凝土基础 之上。 ( 6 ) 仪器埋设：为满足测试分析要求，在不同的位置埋设了相应数量的传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 器( 动静土压力盒、加速度计、动位移计) 和沉降板及位移观测桩等( 见图2 2 室 内大比例基床动态模型测试仪器布置横断面图) ，图2 3 为动、静土压力盒、加 速度计、动位移计及沉降板埋设图。图2 - 4 为基础板上的加载装置。图2 - 4 为混 凝土基础板上动位移计。图2 5 为试验做完后拆模时的情况。图2 6 和图2 7 为 模型建筑过程中及模型建好之后的情形。 ( 7 ) 仪器的连接及调试：在( 1 ) 一( 6 ) 步骤完成后，支立各种基床表面 上的测试元件，然后进行测试仪器和元件的连接及调试。 ( 8 ) 模型、仪器配置好以后，将试验模型静置几天，使模型路基土在土层 自重与结构自重荷载作用下进行固结，然后根据设计要求的动荷载进行动荷载 循环试验。 z 电阻式土压力盒d1 5 可埋武蓠w 帅6 ，丝影l 蠢 劬n 5 0 1 中力l 瘟量度传癌踟9 ，鸯。! 季 h e 静土压力盘y8 当举一彗燮 二_ 沉# 筚板( 百分表) c 7 ，7 一0 4 ：。臻学鼍：i 哆；耍妊亏。 芋菇最萄磊： 一4 i + 二= ” 。 么摹善 ； 鲁 ， m a 、b 组填料 ” 鞫 品孟 。 。 ” 。 ，。 图2 2 室内大比例基床动态模型测试仪器布置横断面图( m ) 图2 3 传感器埋设示例图图2 4 基础板上加载装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 4 板上动位移计2 5 模型拆除 图2 - 6 模型填筑过程中图2 7 模型建好 2 2 4 模型加载 ( 1 ) 动轮载力的计算： 对于实际现场条件，按中一活载( 考虑最不利情况，均按机车轴重计算) 采 用下列公式p d = p s ( 1 + 0 4 1 x 1 1 换算成动荷载，其中p d 为动轮载力，p s 为静轮载 力。取p s - - 2 2 0 k n ，则得出p d = 2 2 0 ( 1 + o 4 ) x 1 1 = 2 2 0 x 1 5 4 = 3 3 8 8 k n 。则单个动轮 载力为1 6 9 4 k n 。再由模型的尺寸，可计算出模型所需施加的最大动荷载为 9 3 k n ( 单个动轮载为4 6 5 k ，此时可保证模型混凝土基础板下的平均应力与现 场的一致，且轨下路基面位置的最大动应力值与现场基本一致。又因为模型基 床的高度与现场一致( 在高度方向无缩尺) 。由此可保证模型基床中关键位置( 如 轨下等) 的应力和动变形与现场基本一致。 动荷载通过f c s 0 1 1 8 四通道电液伺服协调加载试验系统来施加。加载示意 图如图2 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 8 模型加载示意图 ( 2 ) 模型加载方案： 本次模型试验共分三组：第一组为0 4 m 基床表层+ 1 8 m 基床底层；第二 组为0 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层：第三组为0 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层 降雨后试验。试验加载方案第一组与第二组相同，第三组试验的加载方式除6 h z 循环加载的振动次数为5 万次外，其余与表2 5 相同。 表2 - 5 模型试验加载方式 一个周期采点不 加载频率加载方式加载波形加载次数 激振力大小( 阳田 小于 11 0 12 0 分级静载 13 0 14 0 15 0 6 h z 循环加载正弦波 1 0 0 3 0 万次 9 3 0 1 0 h z循环加载正弦波 1 0 0 5 万次 6 0 0 0 次一级5 1 5 , - 4 1 5 6 0 0 0 次二级5 6 5 3 6 5 6 0 0 0 次三级6 1 5 3 1 5 分级循环 6 0 0 0 次四级6 6 5 - 2 6 5 6 h z正弦波 1 6 0 0 0 次五级7 15 - 2 1 5 加载 6 0 0 0 次六级7 6 5 1 6 5 6 0 0 0 次七级8 1 5 1 1 5 6 0 0 0 次 八级8 6 5 - 6 5 6 0 0 0 次九级9 3 0 加0 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 弟“- r3 章模型试验结果数据处理与分析 本次模型试验共分三组：第一组为0 4 m 基床表层+ 1 8 m 基床底层；第二 组为0 3 m 基床表层+ 1 1 9 m 基床底层；第三组为0 3 m 基床表层+ 1 9 m 基床底层 降雨后试验。每组试验又分为4 种加载方式：分级静载、6 h z 循环加载、1 0 h z 循环加载和6 h z 分级动载。 3 1 分级静载试验结果分析 3 1 1 附加静应力变化规律 对于每组试验分级静载加载方式相同，如表2 6 所示，荷载共分5 级来施 加，所施加的外荷载分别为1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 k n 。基床中不同位置处的附加 静应力值随外加荷载的变化规律如图3 - 1 图3 3 所示，从土中可以得出，附加 静应力值随外加荷载的增加而增大，且呈良好的线性关系。 生 j 型 r 型 图3 10 4 m 基床表层分级静载附加应力随外加荷载变化曲线 图3 20 3 m 基床表层分级静载附加应力随外加荷载变化曲线 盘翠r 目 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图3 30 3 m 基床表层降雨后分级静载附加应力随外加荷载变化曲线 3 1 2 基床变形规律 图3 4 图3 6 为三组试验的变形曲线( 包括弹性变形和塑性变形) 。其中 b l a b 5 为混凝土基础板上的百分表，c 1 c 7 为基床中沉降板上的百分表。从 图中可以看出，变形随着外加荷载的增大而增加。各条曲线对应的最后一个点 为卸载后的残余变形值，即塑性变形。如图中所示，板上的5 个百分表的值相 对沉降板上的百分表而言，其变形都较大，由于混凝土基础板厚度和刚度都比 较大，可认为其基本上无变形，或变形及其微小。表面上看板上的5 个百分表 的值可以反映基床表面的变形，实际上基床表面的变形值要比板上的5 个百分 表的值小的多，其主要原因是在基床表面上埋设各种传感器时，在传感器的上 表面要铺设一薄层砂垫层以保护传感器，由于砂层较松散，这样一来，在模型 建好之后施加外荷载时，必然会使砂层产生压密变形( 虽然其变形的绝对值很 小，但相对基床而言还是较大的) 。 唇 趔 蘸 制 图3 40 4 m 基床表层分级静载百分表读数随外加荷载变化曲线 o 5 o 5 o 5 o 5 o 5 o 5 0洲吣舢圳训雅驼砌们删孙 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 重 趔 婪 制 图3 50 3 m 基床表层分级静载百分表读数随外加荷载变化曲线 量 d 映 | 争( 图3 - 60 3 m 基床表层降雨后分级静载百分表读数随外加荷载变化曲线 3 1 3 静应力和竖向变形分布规律 ( 1 ) 静应力分布规律 图3 7 图3 - 9 为附加静应力在基床表面横断面向上的分布规律，从测试结 果可以看出，附加应力在路基横断面方向上的分布是不均匀的，大体上呈马鞍 形分布，钢轨正下方对应的值最大，中心处和基础板边值较小，且中心处的值一 般要大于基础板边值。随外加荷载的增大，附加静应力值普遍增大。从图3 8 和图3 - 9 可以看出，降雨后与降雨前相比，附加静应力值普遍增大。 图3 - 1 0 图3 1 2 为附加静应力沿基床深度的分布规律曲线，从图中可以看 出，随外加荷载的增大，附加静应力值普遍增大。随深度的增加，附加静应力 值逐渐减小，在基床表层范围内，衰减速率较快，在基床底层范围内，应力衰 减较慢。降雨后与降雨前相比，附加静应力值普遍增大。 搬涩摇撼